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

6 T* v. m0 ~* T; ~8 s& S$ y
1 B) x  w8 P% @7 Z
; E. p% D3 J- n$ Y6 e1 m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
# m# U0 e- |$ J" O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：
) T7 P3 w5 }3 O% {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
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
0 M8 ]1 w( L& h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
8 Q) y0 W+ o% ]8 y) \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
; c) ~* V( J7 G$ I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 −
8 l3 y0 c* K9 r  _6 t/ R2 `, y45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
4 Q- l# _3 Y$ k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
6 K) S& Q+ T4 K% v+ l' w6 |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
  x& C/ N) O: |) Y5 O! r5 }6 \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 -
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
8 k4 V" T# t! ?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
9 ^; A4 i$ p$ F+ F; b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，
! G( Q. v! E  i/ l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
: _% G/ D8 X0 ~$ H# h; k# J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
; T7 t0 r8 ?, H4 B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 r. t  w/ {5 Y* a过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
9 _7 P7 _9 x$ F  d+ n问题三：
1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
- T6 u% C7 q$ h. [/ {: C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：
. T: H4 u$ G2 M4 P( p- n年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
' N. y- q  h- A7 ^* s- QPM2.5 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
/ B+ }" q+ \( y* l" B, \PM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
5 Y2 p: p1 {7 o" `( ~3 C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：
4 u" W  N; b! @) D5 K2 g. i名称
二氧
化硫
二氧
化氮
$ z, {, C9 L5 F$ v, J! V# S5 c% _可吸入颗
1 |) y" @3 z3 _$ m粒物
0 ]! x' U; b3 v$ e) x1 [一氧
化碳
, c0 `* n5 D5 i- c臭氧 PM2.5
+ y  a% G  [- CPM2.5 的
' S. t* K- h$ v* A% f4 }  U减少幅度
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
( r  k1 t$ D5 s. V  f- z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%
% v  \1 c) F% h% C1 h四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
! g; }3 `5 M$ O! N+ l% t4 T五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
( z  W3 r, g# \6 j& M' X- n2、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。

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