PM2.5 扩散预测模型及相关问题研究 上海理工大学 10252094队

杨利霞

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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9 q0 _7 g6 b9 S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
评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。
; z: n- D. J( r% n3 L6 T/ _问题一：
4 r9 Z& R4 j/ p; L1、研究二氧化硫X1、二氧化氮X2、可吸入颗粒物 PM10X3、一氧化碳X4、
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
. e( ]8 Y/ |' J% G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
4 |  O+ y" H3 }( o7 n* ]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
相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
2 i- C: G9 f9 x- p3 t, H/ d% ]7 e6 I9 }2、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
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、
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
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：
LnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
6 H4 R* Y2 D/ S# z/ K: Y* V1 ~问题二：
/ ~# Q1 R; f- E# n% ?( y1、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
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
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
染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
3 \, U& E8 u. p% Y. @5 t/ T2、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
. n. }$ B1 Q+ K% |" ?/ ]4 E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 -
& g1 G4 E" v& h6 J+ S- E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
1 ]& ]3 v- C* {! a( h% O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
1 {" `4 Z1 M7 O! `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
# s8 n- X& W' l" L! a% `" n3 m# i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，
扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
$ T2 N/ ^2 N; u1 T3、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
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
区。
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
过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
问题三：
' Q" w; O: ]* U: U; g, h1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
8 V  {: T. A" X( ]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：
$ f! i/ @& v( f年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
5 k& |* s+ n. f3 f; l1 o# VPM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
% w( m3 U+ t: }快速治理考虑治理成效，其每年的治理计划为：
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
PM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
0 l# N1 @7 z- Q) p3 i! e. M4 V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
个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
名称
8 _( L. n+ S4 K; u) {, R二氧
化硫
二氧
9 h& ^. t" g: R7 Z, v化氮
可吸入颗
% k6 K7 c$ W3 e粒物
一氧
0 z2 S: `# G8 w4 W化碳
臭氧 PM2.5
8 A# e. E4 m. D7 aPM2.5 的
4 {* b% u' i7 O3 @& @: |# G3 X减少幅度
  \; }2 m% i  y( ?一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%
" \1 j  D+ C2 y" I三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
2、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
$ z" ^9 ?. q+ x! ]PM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
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