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

* y  p& J. E, |9 L8 L

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。
8 w3 C! h2 U7 o+ X, A% g! ^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、
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
* g( w8 `0 U% {# }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 ?" z! R% N) n, x. ~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
) q" p$ v9 V, b0 q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
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、
9 x  m9 R- X; l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 e; x( z. J2 U, q2 m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：
: z5 `, G8 R) ^# i% E' H5 aLnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
' Z6 a, j% {" ]4 b- ]6 I45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
# M1 a- p, b6 L) J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
' M8 F! v: X4 i9 C! R- R$ x" r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
4 D7 t9 D, y* g% b染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
& @% H0 d2 ]; c8 g2、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 `! h/ X+ {' m& t" Z7 R7 D1 k' v) \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 -
, k) o& @) l* \- ]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
+ p0 d; p1 x! ^2 F/ e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
: j/ P+ e2 b$ F/ o( R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，
7 [' L/ [, C* B3 [" s4 C扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
" a4 P: O( }4 U; A, X3 B: w1 E. e. r5 M3、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
! A) A2 X+ }+ s4 n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
9 k+ {# V5 _4 J( G4 C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
) v: B! x+ C; l% W/ G7 X过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
  L2 X8 b( O) L8 Z! r问题三：
/ ?. z/ D( u# I1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
0 `4 t6 M5 {# a& j7 a; G* M0 g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：
- g) j% j) |- C9 P  A6 ?6 J$ P( d* z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 Q' k% H1 G5 e. o: S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
2 d; }0 u; h5 v0 [8 m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
化硫
6 \. I4 T" O6 {. V7 W4 ?- F1 i" m二氧
" `: x2 b, p9 q; _/ U; d) e7 S化氮
. L( P* O. m- W1 w* x4 y可吸入颗
- h) t' T, d) C6 [粒物
一氧
化碳
臭氧 PM2.5
, _, b! @: a6 r4 GPM2.5 的
减少幅度
, Z6 K0 G6 \% p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%
8 M' H- W6 k8 m0 ]3 _( K三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
  T7 x* \% A, n, l1 T! y- F% r" r四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
9 h7 I6 i  m5 u# p. V$ @! V& t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
: F- E; u0 R& N2 t% ~- \+ i" D" F- BPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
5 x. a) L% A# ?6 v/ N1 i4 I/ D
* H$ J/ h4 c7 L. y