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

9 Q; |! v* `0 {) u/ U8 M

9 L9 i0 N- L7 v; T$ \& l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
0 u0 J  _/ I5 S9 z评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。
6 C; K1 y, ^' t  l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
# I2 g' ?& L1 |+ V6 [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
. o$ n- ~: E8 O' z" }5 z- O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：
& L$ ?+ Z$ ]% u; Q! W* y) V% L2、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
5 y* C1 e4 Q8 p) i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
8 S; J7 u+ j1 f! J/ C0 y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：
- s( w4 D/ D: G/ u+ i- E: p5 o5 \LnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
7 \6 H2 y) K* J6 b& X, w45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
) c- L; [0 m; L+ m4 t; a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
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
+ Y7 }6 o7 ~% {% {; O染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
3 K* q, _* v$ @5 B1 [- ]3 p( b4 d# k5 C2、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
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 -
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
; l: m( p! l7 \! {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
3 v1 i. `" u" B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
. T9 V# g  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，
扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
) v. T0 B; c9 C- h6 K3、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
0 U5 G& k! r4 Y# L8 }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
! L0 e8 p+ }: ?6 O! X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
& \0 i+ a2 g4 s" Y! _过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
问题三：
1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
/ v! ^3 q5 ^1 y& l; g9 d' x# j# {  N7 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：
5 K& l& u: H. ]! @: B& O* U5 I* H年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
PM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
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
1 Z6 f/ {5 _6 _# H9 a7 d4 FPM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
9 n; P: T" F# 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：
: S1 ^0 C5 |$ T1 f+ V# B# A9 H. }3 y名称
二氧
化硫
二氧
9 L2 w6 n; q1 ~& M9 M2 s化氮
2 h$ E0 I$ m" [+ z% {  O( b# _可吸入颗
粒物
) }2 z4 G0 J2 h  q5 O3 h一氧
化碳
# y0 s8 W! R/ G1 d. w! B& k2 g臭氧 PM2.5
PM2.5 的
减少幅度
  ]: W; D$ q; t一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
) ~" X% r( \  k, v7 }/ l' |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%
6 |2 b5 _" x( E& h# T四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
* s1 [  T# O" e五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
3 U5 m2 X9 }4 ~) J7 ?( c- j2、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
  }( ?0 e/ d: q1 gPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
8 F2 E5 ?; t7 k- ]! B- X! }
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0 N2 g0 y' W0 L) \4 z