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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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。
! w2 q& Z4 H/ o- `) K: c- u问题一：
1 C) L4 W1 B- U/ `+ T( f8 v' V1、研究二氧化硫X1、二氧化氮X2、可吸入颗粒物 PM10X3、一氧化碳X4、
1 B" v9 q* B! i4 q: l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% ?& Q; _0 V0 M3 d' r. s% x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
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 @3 k1 J2 \& ]$ K( b( ^# [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
! b9 U. a  A" c, v; o: a- w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、
) D* a( z! X, {; t& z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
% F- C4 O$ V: v3 e0 P) R' V* N( ?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：
4 @3 Q. T, z! h5 r% U: P7 e" SLnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
问题二：
% p& [  g6 D& i5 V- u6 \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
& q; v  w  N. `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
0 i: q$ N  v- z1 ]) D9 w: d8 v: q, `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
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 -
: N/ V/ G. t% ?4 }% P8 z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
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
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，
% x& p  h- W4 }6 ]' w) W5 H, N  ]$ ]! M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
0 ?! F5 @, F* w, E$ }5 r! A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
+ W5 r) ~% o. p5 Y区。
' D$ M4 B' t5 F  A0 m4、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：
& o1 L$ R+ S" {; B9 b1 {9 M" M1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
- L- w' }# K5 `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：
! X* c* g3 S' W; Z3 s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：
* a7 g2 Q- u' [& Q: `' Q9 Y年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
0 C: t4 s8 z* n0 Z3 UPM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
  d0 b) \4 E/ U5 k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：
; v! r+ |1 j2 B2 _) }名称
二氧
化硫
" n' n; m9 M$ r1 d) @2 X  Q: R1 @& p! D二氧
! p2 w8 e: M4 z6 x化氮
可吸入颗
粒物
一氧
* x) H1 f5 q8 ]( m& E. C" k; k化碳
臭氧 PM2.5
PM2.5 的
减少幅度
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
$ t( G3 h# U7 P9 Y二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%
; p) {$ i7 A( P. o- y3 y( k% \& z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%
! o- t* G4 ~$ G* _" s) K! L五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
% a6 C* N* ^" G" `$ [$ E# ?4 x! m2、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
2 O8 r# U' k1 t/ f4 rPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。

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