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 |' a/ s& h+ p( 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
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：
  D( s& {1 T& a% x" m+ w+ j1、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
5 M' I1 B% n# s$ R7 a( Z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
1 b, N! B# V" b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
' d" R9 E9 G) W+ ?7 i: h: X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、
. I  m  [) d7 S8 O8 e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
) ?5 {. L1 J) a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：
9 [9 _% L" l. U* ULnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
" i( F. k! P" Y' c! g" H3 F45.905𝐿𝑛𝑋11 − 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
) H$ ^2 _2 M4 w2 U' C; b* p1 k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。
# P+ o1 |) f6 a1 r! U" `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 -
9 \! U# q! t  N, P: g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
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，
( z7 O5 R0 P+ r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
3 H* l; U7 s" w- Z. C" `% ^1 |7 _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
6 F; o( n1 ]0 p, D+ D9 z- F区。
- ^- q5 D* e( c" J! }. p4、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。
  }' g4 y0 d/ @问题三：
! `5 X" H) L$ Z$ Y: ~% C1 H1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
3 j, a) K% ~$ \- C- q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
1 {' I* M8 F+ X; j" u( L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
+ C( [- V4 x7 \  t% i6 [/ l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
2 G4 o. x( @$ _二氧
化硫
. Z- Z, Q  k( X9 B% g/ X( b/ k  `二氧
# s; p7 f1 r# R0 ^6 m化氮
可吸入颗
粒物
* t. [2 P/ @6 l, j/ N/ |" J' {一氧
化碳
2 a- }) i9 a& ?# C6 [臭氧 PM2.5
PM2.5 的
6 W9 r, j/ X1 ^$ F$ d减少幅度
  m$ }' l* K1 r一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
" Q7 H4 f- A* q% h; y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%
- e) Q' G: I; z! A4 u  Y6 x5 m5 X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
PM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
, D  F6 D( R- h! D6 Y3 Q7 x* U
: ~* u$ \5 ~( T4 S
  q+ ^: K" q: S  Z4 y) W: h7 N