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

. j# y  g$ p  e; Q
0 Z; K4 B3 u! a& L- H  {0 v2 k
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
: Y* b9 n5 c$ b5 w+ Q8 J/ B# ]评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。
9 m  F5 o0 R8 r$ c. l: I问题一：
% D/ J  i0 `7 M; ]5 B( n6 i* U; c1、研究二氧化硫X1、二氧化氮X2、可吸入颗粒物 PM10X3、一氧化碳X4、
" O6 x& t6 ~! h8 s/ T7 n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
% S/ p- H; D$ r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
/ K( s* i. u+ F& I2 j相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
. A  m# b9 |9 r  i" {* b' I5 }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
0 t  R( w9 ~: r9 O! s2 ]  u: h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、
5 o: q& B2 E, f% q: g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
问题二：
' c4 e9 }- D8 Y9 {( E1 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
0 Z$ f( m2 d8 O! ~  H+ `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。
2 b% Z. Y& E  o2、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 -
" V: I9 \. R" g' T4 D# O5 _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
+ ^2 p, T( d4 h+ R- p3 r) 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
0 |% g  Q- j( e5 t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，
( L3 T* h& Y% w# {* s' J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
# ]. e, S% W1 A$ n' U! X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。
; O: e" x9 J* N: \; 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
, F. m5 U, v' @& k1 C过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
  @+ e) {' Z8 K( \! g6 w问题三：
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：
2 M9 b9 w7 t# r6 o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
PM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
# _2 b8 n9 s! O- b: T3 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
% a  O  q$ y  D$ \个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
名称
: u2 w+ X$ k4 V8 I8 X" H二氧
化硫
二氧
化氮
可吸入颗
粒物
" s8 P5 N; D3 h* c! y; K一氧
化碳
臭氧 PM2.5
PM2.5 的
减少幅度
% _$ V* W* u" I2 q$ r# [2 S一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
( {4 J- o! k  U二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%
: v5 w" [/ [0 ]5 m三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
* B) b1 U$ s" ~: u, U; k) g! p8 W四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
0 Q% R5 K9 ^  g. j% q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
" Q+ b4 c) c; H0 X1 j# q9 D" y: l' JPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
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