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PM2.5 扩散预测模型及相关问题研究 上海理工大学 10252094队

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杨利霞        

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    [LV.4]偶尔看看III

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    PM2.5 扩散预测模型及相关问题研究 上海理工大学 10252094队

    / Q- x6 }. X8 V' |' N4 ?4 A1 n+ r, B+ C1 t3 Z2 T2 e7 S

    " [! s* j' g1 _9 R( L& M, G, u本文以武汉为例,就 PM2.5 污染物的影响因素、扩散与衰减规律、预测与
    6 g1 m1 N0 Y8 W- c" N+ W评估及污染治理等相关问题进行了研究,取得了以下成果。0 i5 h9 l( U7 c) I5 P" b
    问题一:+ `. R' j9 r: C+ k
    1、研究二氧化硫X1、二氧化氮X2、可吸入颗粒物 PM10X3、一氧化碳X4、
    . g0 R* ?7 B2 \+ Q" A臭氧X5和细颗粒物 PM2.5Y这 6 个基本监测指标之间的相关性及独立性,并对影+ x, A- X( P) m
    响 PM2.5 的其它 5 项分指标做出主成分分析及回归分析,得出二氧化硫、二氧
    9 R3 Y- Q. [, J; m' p5 \' _, b8 M化氮 、可吸入颗粒物 PM10、和一氧化碳与 PM2.5 正相关,而臭氧与 PM2.5 负5 A9 u: I4 H, L6 o# H
    相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为:
    ( w( i- m8 b. V0 s' F% A- s! ]2 z2、探求其他影响 PM2.5 的因素,分析得出,气象的变化对 PM2.5 值得影响非常7 T* }5 ^2 t" M# T7 p) x
    剧烈,其中 PM2.5 值与湿度X6、气压X8成正相关,与大型蒸发量X7、风速X9、. c% G" s7 t2 \! E% C) P( ]
    气温X10、水汽压X11则负相关,并且在所有影响因素中,风速和水汽压对 PM2.5, |3 s9 E! n, g( [7 U
    值的影响相对较大。最终给出 PM2.5 与其他 7 个大气因素之间的拟合函数:
    & D8 j  M4 @- Q1 \- eLnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −. w/ g$ L% \- R: c+ {; |% f# u
    45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032/ W0 k' G- E) ^' D) @
    问题二:9 D9 I" n4 `$ k- I- |( G
    1、客观描述武汉地区 PM2.5 的时空分布规律,以高斯扩散模型为基础,充' Z$ P/ D4 u' k
    分考虑影响 PM2.5 扩散的因素,分析地面与建筑物边界反射、干沉积、雨洗湿1 J' y9 R) u1 J+ M% n9 B9 u9 p
    沉积及湿度的影响,逐步改进高斯扩散模型,并引入时间 ,计算当点源持续污# Q! Y; T! e7 ]7 E9 Z
    染情况下,污染源上风和下风 公里处的浓度。
    # i4 k- y2 y5 O0 @& \4 L$ v! H2 y2、通过数值仿真,得到距污染源下风向距离一定条件下污染扩散浓度的分% m6 ?" s8 J$ E1 u3 o# O6 _
    布规律:1)在恒定条件下,PM2.5 扩散浓度呈正态分布,扩散浓度逐渐达到最- 3 -
    $ U& i6 Z" a3 }( M3 ~大,在横向距离增大到一定值以后,扩散浓度逐渐降低,直至为零;2)随着距
    % n  S7 ^( [! |" Q8 A污染源下风向距离的增大,扩散浓度的变化渐趋平缓,但污染扩散所能影响的: f# q2 \- E. X% M  v6 N
    范围有所增加;3)随着风速逐渐增大,PM2.5 浓度最大值变小,下降速率逐渐$ ^* N! e  Z1 {9 ]5 k- V
    变大,扩散速度增加;4)源高的增大将导致污染物浓度最大值向下风向偏移,
    % s7 U4 B8 s3 I; o扩散与稀释速度加快,污染浓度最大值明显降低。
    0 }) P- Y3 Z4 @: X4 ^' _3、预估突发情形下 PM2.5 的扩散距离及安全区域,以武汉为例,浓度值突
    $ I) W4 w/ L& Y& U: W( M增至300mg/𝑚3并持续两小时情况下,结合三维图及平面图分析危险区及安全
    5 ^: X5 P4 j. ~4 |* c区。7 F5 E7 t2 E  X2 ]. g5 |# }
    4、结合小波理论及神经网络理论,提出小波神经网络的结构及算法,并通5 [' d1 V2 ^- ]0 Q3 N- X
    过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测,预测拟合度较高。+ z0 _' L* J  n1 T8 T% i) o5 k
    问题三:
    * y: w8 G& u$ d) p4 x* _1、提出三种治理方案:长期治理、快速治理、全面治理。% a& M- V1 }- H, w0 M+ q8 ~
    长期治理方案着眼于经济的可持续发展,其每年完成计划为:
    " ^  p! R& m+ D# j9 x: L年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
    ) s* i; c- s, T% o: xPM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9) ]5 r( H! w) T; I$ v) j" ]
    快速治理考虑治理成效,其每年的治理计划为:% I: w* m" r0 ^1 z8 z; ^
    年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
    2 S8 k* K+ L3 T9 _  QPM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.008 b! C/ m- n' P( [9 l. w( L2 L
    全面治理根据第一问中得出的 PM2.5 与其他 5 个指标的关系,通过降低其他 5 ; W! Z& Q4 h" h
    个指标浓度达到对 PM2.5 的治理,其每年的治理计划为:
    8 E$ k8 u" |# ~* B. R$ s名称
    : V/ w1 U4 G: U9 x' m; n二氧
    * Y) ]( ^) b$ n2 v化硫
    2 K% J. ^% [: i4 t1 l二氧/ E7 `( S0 E5 V+ z
    化氮
    : ?+ l3 ?- b1 c/ ~: m& Z* E1 B可吸入颗8 `& k5 Z1 L" E4 U$ h& a: K
    粒物  w( I! ^, Z6 p9 D; x0 p8 T: u$ B
    一氧
    4 o- L& i2 z+ x4 M2 ]2 h化碳 / K# F2 U, j3 z0 d1 s# r
    臭氧 PM2.5 4 x# o6 s/ S& m$ E9 y4 x
    PM2.5 的7 {4 u- B: p0 \) J
    减少幅度
    9 n* h4 ?' @3 b* }8 k) E一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%. b( Y6 u+ C/ M
    二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%0 H# F0 B  P( ]* M: E
    三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%5 ]- \' \/ w% P% U
    四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
    " {1 ]$ b0 G! \1 M- s6 t五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
    , R4 R  i' W3 m$ e2、以全面治理计划作为治污方案,根据本文提供的综合治理与专项治理费用与
    " z7 ^" V' N  L5 m+ F; qPM2.5 浓度减少的关系,建立最优化方程。
    . }  d2 v. b# n0 _  k% C- Q7 w! |
    7 f! q0 L( F$ M( t
    0 S1 P9 e' w( X: N5 r  X! k

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