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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% \3 v1 a* B5 w& v( O
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：
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、
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
( f. b' F$ M) a  f' ^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
% ^, B( }' j; V  |4 C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
' y3 l! u  V/ M6 A* n8 d7 M  f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、
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：
7 L  E6 `0 q( A: v( Y* CLnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
% Z6 w) o. H" N2 h8 O45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
' G  [! R0 O! M  |9 H问题二：
3 ?( ^2 c+ z% Z6 ^( p1、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
% @; ?& s3 o0 s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
( G9 X$ G% O- S, Q  ?2 q) z5 M* R染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
& w, i1 V* Z$ z, r3 K2、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
4 R7 R% Z- f* e, ^! q- ^# U3 g( G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 -
/ n0 b% v% x- C& i. X7 h5 E9 a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
. V5 r2 q" k+ ], ^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
: T' c' x1 p6 n; A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
  [5 \& i; x. P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，
+ C( k% w3 i+ p6 w# r  r扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
* H; p* b: c! S. l6 {! d& a3、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
3 S# Z' V+ ~- Y' c4 \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
7 M, y' R, ~' I( m' v区。
: L3 m- O1 w0 i% B7 R4、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。
) d/ z0 y2 P" l: z" i* G+ s/ i问题三：
1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
7 c  N1 m& N" ?+ b. }: n/ d# z2 }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
' V. r( R( J3 F/ L+ j& q( vPM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
5 C$ S5 D# x; w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
# j' }3 Y6 b2 LPM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
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
6 r8 }& |8 i- r2 I( K3 f! V) H二氧
% m2 S3 h  q! ?9 g% B) i- V6 \化硫
二氧
( E$ d9 F8 ?" O8 t# ^化氮
( S, u4 X; q) u& H$ W9 E/ |: m& b可吸入颗
粒物
一氧
化碳
臭氧 PM2.5
# i! i9 I( r+ j7 sPM2.5 的
减少幅度
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
9 b9 N9 f7 Q9 x1 I" @" e6 {7 _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%
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
# R2 K1 n+ z9 n/ k" y+ J" G/ wPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。

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