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。
0 |5 l8 v4 n5 H% s) g! S问题一：
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、
* ~7 B6 ]8 r; N2 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
* e, M+ z: @4 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
相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
/ [1 B! a" `* v+ R; b* m/ Q2、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
' @% d* d' j) i. b4 W5 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、
" P( b& u( r6 ~0 f! M/ O5 y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：
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
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
2 `6 b! x) p2 o% p8 X6 L& B2 O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 -
8 y! X: h& ?# v. K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
( Y  `% x* _+ G) D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，
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
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
- q2 e8 S# s/ Q. A) ~/ i区。
; R2 H' x1 Q. S6 y4、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
# y) Y! e7 ^3 c- b2 d1 m) D; Y过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
9 Y5 k6 }! }7 i$ d2 {+ ^# X问题三：
+ O3 J# \! L7 \0 @& _1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
# k; B$ Z: j& U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：
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：
( `6 Z0 u% C5 r' f年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
* N$ j+ h6 T1 e( K8 GPM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
, y3 T+ b1 B+ B5 I9 f4 c( l1 s) {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：
名称
二氧
" G$ a3 ^3 [! J& e' U化硫
5 ]6 [6 ^/ \' S% p7 y4 P二氧
1 h- I# z( D7 N2 R& E化氮
可吸入颗
0 ], t' j5 J- x+ U* A粒物
一氧
5 k7 i3 v# Q3 y( ]. P& Q7 A化碳
臭氧 PM2.5
PM2.5 的
) y. @' }* @4 r1 H. a& ?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%
1 o8 Y; B2 H! O& `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%
( O1 ?2 Z6 X, W! Y/ B* r5 v+ y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
4 c' x, V) S/ `+ UPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。

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