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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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杨利霞        

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    发表于 2019-10-8 11:26 |显示全部楼层
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    PM2.5 扩散预测模型及相关问题研究 上海理工大学 10252094队
    . [# F5 p. }, n: ?% J

    ' d0 f$ t0 G. a& F+ k$ X
    ( m/ f) }; I* @9 h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
    3 ~$ k: k4 k# [4 f$ J- w评估及污染治理等相关问题进行了研究,取得了以下成果。
    - Z$ C" V2 \/ B9 G问题一:7 y2 m  J/ q2 Q2 ]
    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、
    * |3 m6 w6 L" l1 D3 e$ ?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' X  p' K/ U$ 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
    ( B9 m1 ~" d" f" q  ^0 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
    8 n7 {5 h# s& W1 t相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为: ! d/ _4 G) `  k' Q. T! D$ \
    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" W; z8 o' U1 b: {8 c
    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、- R8 K8 g$ ?0 g, G6 K  @
    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 PM2.55 L, Y0 g4 b0 @
    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:  a& ?3 ~/ _) Q1 a1 k& k
    LnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
    $ r3 m' m% j7 ~' z6 p/ W45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
    ' E# b( y# c; Z问题二:
      H/ t0 h6 `9 X4 }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/ j" h9 |6 x( E
    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
    2 U& |6 R0 }/ F. F9 i/ {( ~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. ]' r2 y1 A! O, ?
    染情况下,污染源上风和下风 公里处的浓度。/ f8 v, V( G% O4 P
    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) \+ V+ z8 I3 ?  Q. h7 w
    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 -
    ( ]! g5 k2 U2 Q1 f. |; i! \8 m$ X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
    % f0 r/ s" p4 N* e4 q8 |$ p. z8 Z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
    , L, e! Z5 F- T- n- j. F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
    - j, g1 V$ l) \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,
    2 P- k# M  |  f# h6 L' r: p, g扩散与稀释速度加快,污染浓度最大值明显降低。
    ; {- V0 |) O# f3、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' Q6 g& v% r' f( p
    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
    " s" H  D, g! v- \( P8 V* F区。
    + [) R' C. @2 s* i$ V4 `/ x4、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
    * Z* X. F0 k8 Z# P# Q' h过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测,预测拟合度较高。( j. Z7 X/ c0 `% t" k% `: b3 d- o
    问题三:1 O1 _2 d: {3 S& P3 {6 k
    1、提出三种治理方案:长期治理、快速治理、全面治理。1 n) W) [) X9 L9 e/ l, H
    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:
    6 b  _4 E  C% O& C8 N( \  F9 w年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年9 R8 A. S- _1 s! N/ O) y6 E# ]
    PM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
    3 B( t9 g0 ?( V9 S& f) D8 @快速治理考虑治理成效,其每年的治理计划为:8 J) |& A0 B: E6 v
    年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年2 N7 H1 L3 G0 A8 ?( t( T2 `
    PM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.006 w& ?& }4 [6 W" G" T) G" b6 x0 D
    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
    " q( J$ \4 _. D5 s个指标浓度达到对 PM2.5 的治理,其每年的治理计划为:' f8 l0 U) M: n5 w, `
    名称 / Q; e  V3 Y& X( s2 r# y
    二氧8 Q/ }3 H0 G  N2 ~7 B
    化硫4 A! V1 ~8 k; ?3 s5 M
    二氧
    ! v4 I4 v( L% H- ~, b5 m2 w! A化氮
    , p  k. R+ R" Y; g  {) V可吸入颗
    5 z$ z! t1 E: a3 r# a3 N9 {粒物( r6 n, B3 f) C7 _7 {8 L& M
    一氧
    2 j* J( S* T8 ?6 B0 R化碳 9 ]$ U2 @# t- C' K; S9 p
    臭氧 PM2.5 ) a& k5 s( ?/ l8 q& n5 t+ \
    PM2.5 的2 [- S  y( A0 a: }9 l; t: [0 V, B
    减少幅度
    ! f. B4 I7 l9 ]一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
    5 d. U! S/ ^1 i/ O" d二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%4 \6 n! v6 L# `# \4 ^, _; ]- c
    三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%' ^: `3 y- H. G: _% t1 B
    四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
    & @* J& s& _- O( V五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
    3 t8 s* w( D/ t, D+ k( ~; h2、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 * h4 S$ e7 P" j. B0 {6 |- X4 n
    PM2.5 浓度减少的关系,建立最优化方程。
    0 E* c5 Y& ^6 F: n3 F
    1 E0 r3 I7 ?2 e- U5 l0 t
    * C3 f/ H9 z2 ~) c

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