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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: j/ O! |$ g3 I6 E( \' }( Z& I- z4 I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
7 o: u' `' c1 o& Y评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。
/ m" T0 T9 P, X4 W" I; y+ y# J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
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
: e; K* A: t1 Z$ F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：
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
9 g4 H7 P) r  ^. 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、
! p) ^' a3 i' ^/ d! x- u# U9 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
/ E5 p' b+ J- f% `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 −
; o5 H7 _7 h4 W45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
问题二：
/ D+ _7 N3 O- i% l& @" l9 s1、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
) O: Q2 V1 J1 h* h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
$ P3 v; w, m. Q  J4 P( \* {, E% l$ B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
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 -
3 O! W, t2 W; O1 {1 E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
3 l7 D- E8 U$ w! N$ j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，
& z  d6 }/ @: t3 G; p5 ^- v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
6 ~0 u& g# b7 P" |/ [8 Y区。
* F. _' r: W+ R% r) H  [0 d7 v4、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
9 z% z* N0 f! s! u- G" l' _过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
* ~' D- y0 f- \问题三：
1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
: e. Z7 T3 d, o( P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
! W$ a8 |7 V1 m4 R* s! F7 UPM2.5 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：
, q0 H, B: a2 [. n% t# l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
& ~( u- X  f  W. B' v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
9 u8 J! z: x+ s+ O' G0 l. a2 \二氧
化氮
可吸入颗
1 p2 b9 ?3 q$ n5 t粒物
一氧
4 Y  ~4 C; h1 y3 ?/ K, n化碳
臭氧 PM2.5
PM2.5 的
减少幅度
2 H( `; N' b1 k7 @! ]一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
2 x$ C; _$ x1 W! {二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%
- N' v& Q8 f" [* Q+ L  J: ~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%
2 l1 w* v* T* f8 G* K8 s7 E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
/ Z: p# @/ [* P% \$ ^- o, ~8 Q+ xPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。