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

  `" d9 j& ~' p) B- u& M; t
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。
问题一：
5 m2 \! R0 Q6 E) v% U  `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、
  [- U1 Y' f2 j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
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
+ V6 V) L, U$ L4 G! ]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、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、
: b5 _8 h' y2 @$ L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
; ?) h3 y6 W' W+ r$ t: F问题二：
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  B# E7 @/ ?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
# ]# W; T% ?, `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
8 e8 A2 ^3 H8 g7 V# k9 X染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
2、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
& [  o* X7 k! k5 T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 -
, u6 B8 ^; x, S" ^! {9 R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
6 _7 B7 H' T( j2 }3 F& X9 ^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
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
. Y& h8 Y* b6 x( F% d' c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，
+ A7 j8 M3 ]9 ^! T& c' i0 s4 [扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
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
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
2 v) }; ?0 L* U& M过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
问题三：
6 `; r! }0 l, R- ~% G) `1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
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：
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
! D! r& ~; V  A1 M  x- Z" jPM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
. _" V! k9 }; M' m, O: q: P7 l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
% R6 ~- Z9 |* c% N) ^& h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：
7 {. u$ o5 {8 @$ L名称
2 ?  b1 O6 O4 Y9 g6 Y( h9 |; ^( g二氧
化硫
% X+ D/ v; ]* I/ \" ~6 t二氧
化氮
可吸入颗
2 N/ `. H! b/ q( `粒物
, Z, X" C& A2 p+ l$ D一氧
) G: _+ a& g+ d6 C+ ?8 B# h化碳
臭氧 PM2.5
) J& T+ F- U& ?/ |9 g! bPM2.5 的
减少幅度
; q/ o" V5 _: D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%
三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
& s, c+ n5 U, b; o  u四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
4 q/ b) R8 q% N2 q  |6 Z五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
! P. z# D$ l/ v2、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
PM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
3 T0 A2 F$ a" H1 P
3 M3 U# `( z; w5 ~+ O