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

0 L  w' }% E# T' t: x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+ \% i9 `: H: O. i评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。
2 e* q- k* o0 U" M问题一：
1 L' {# R  r' N1 j+ y  M# x: n1、研究二氧化硫X1、二氧化氮X2、可吸入颗粒物 PM10X3、一氧化碳X4、
% ~% E1 ^6 G+ I, r+ S+ T+ P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
/ b( L7 `0 `, j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：
  o' H) {6 `# |6 \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
- _# \; z5 A& f9 g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、
' C6 U8 V8 V: G4 i; u+ o8 g' N' ~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
0 D! b* b6 b# F' ~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：
- ~% W7 n6 Q1 g9 }( j5 S5 k8 J, w  D* zLnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
$ f  R8 B8 D2 i9 ?+ n4 v问题二：
* k6 ^8 F5 x5 N4 N/ s- }7 B6 d# ?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
+ O+ Y# {, h1 O4 R2 ~染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
# W$ y+ y, r, h2、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
; u3 o6 z- i3 e% q! d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 -
5 z6 ^- R3 Q( [% C8 O  O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
6 \6 w4 [, m  Z7 p4 k4 |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
- ^2 \; M8 n0 U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，
, j' n! s! X: f+ A+ c4 t" r- J1 v扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
% S( Y3 p6 Z/ ~1 |* G* _! t9 t3、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
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
$ h! y, M0 p& D: q, E8 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
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。
( ^5 B; }1 q9 U! o. V, ]$ _4 M9 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：
/ D& v" @8 {6 {: T5 ]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
- w0 M# m6 e3 l: ?' ^0 T/ v5 c快速治理考虑治理成效，其每年的治理计划为：
) D8 M8 l( u0 s6 T  T; J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
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
; c4 \. A8 S7 t2 ^& j0 i1 T( H个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
/ a6 S( Z0 T- y9 L; P; ^名称
二氧
, {: V8 k4 q$ U9 ?' c化硫
+ `  `; _/ f- ^9 e& a+ ~二氧
6 U2 P  m7 t) u8 s; X: }化氮
( [$ _+ |' f- Y( A' }可吸入颗
& N1 p2 B, v) n5 R粒物
1 w5 k% R/ M2 D2 Y+ {6 U0 y一氧
3 i/ @, y$ L$ w- G化碳
3 Z2 b( d1 |' q臭氧 PM2.5
PM2.5 的
  l' q1 v" W0 c' b减少幅度
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
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
# E, `/ z/ H2 Y( u) EPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
7 M. x4 t5 e6 j/ R) z
$ B$ b- r5 ]2 Z, z9 Y