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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4 s4 t1 O4 k  J: H* _. R
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
+ V$ A+ I3 X: 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。
1 l8 ]# |9 e5 s3 ?' l问题一：
4 i0 M+ f) Z9 ]3 ]3 [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
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：
% e7 x* L1 h* k1 v/ A2、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& K9 I$ s. [# r4 _  H' I# D0 r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
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：
2 Y4 j& [" [# ~! u8 j6 }LnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
( i1 @2 C3 g3 C& e$ x! n8 l* M45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
问题二：
# V2 z+ V+ I. y, w" x4 }+ I8 b  T$ u1、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
9 I! J& X  [* i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。
+ U9 i" ]& \0 N0 C. ^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
7 z/ b4 t& V" M9 f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 -
- y; H+ E, K& z# L0 |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
( q4 y( _$ N5 E% r' t( b: A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
+ p4 r: ^# o, `" j) o0 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，
8 h3 C/ o) v2 O2 u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
, t8 C3 c: t6 x% K3 ^区。
! Y  ^  j- \8 `/ Q% b* x% g4、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
. i. L7 `/ s# l1 a% X( w6 l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。
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：
; b5 w/ r4 I# \9 W2 [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：
7 m& }, ~5 D6 n, w5 w2 _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
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
& Z; d; Z6 Z: P$ X化硫
: |$ M& Y6 O3 [, o" J二氧
化氮
& w2 y6 a4 g" Z. ?可吸入颗
粒物
/ ]! D* e* n7 S. a+ l一氧
化碳
; W% ?) ?8 e1 G( G( N臭氧 PM2.5
PM2.5 的
减少幅度
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
1 U. L  z2 U' c0 {% R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%
6 P, ^# G3 w! k* H8 g: F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%
* z+ n0 V( P4 o* q5 C2、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
. _( x+ E# _$ b1 IPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
. i, k% [& V5 {. T/ ~8 f
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