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

' _5 R- X- F. X, f4 y9 {% [# H

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。
5 f; N2 o. F, i, `. q$ r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、
/ P2 G" Q! L- `* }& v! C% w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
  B2 V  G; |9 e# Y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
- w  h2 m$ {0 A9 v9 C! M6 I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
. a2 ^* x5 ]% M" q) S# w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 −
: O/ Q, L+ D% O8 o  |0 W; f45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
  z1 g7 i( o2 ^  e. U% u问题二：
2 d1 l  m( ?" \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
1 b5 C! i; K: i: D8 \/ M2 ]( }, K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
$ P" p$ G0 k+ k$ Q! ~* x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。
% v8 q' v- M! i. u2、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 -
& H8 w: j* C' ]6 U7 K8 f$ 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
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
6 B% G! H; l$ r( {4 N- f; f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
6 z/ |( D, ?/ v# d/ |: c0 R( k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
" ~( r9 o+ ?7 t1 h, M8 g区。
# ?' G1 z. E8 F2 L4 z# c4、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
- [2 M2 i) K. ]* `过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
- f+ c" \& r* a: {6 Y3 e  X1 s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：
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
2 T4 g1 `# @& y7 v8 E; ^! j" [2 bPM2.5 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：
- c' d; m7 ~; D4 G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：
5 v. `& l3 \. b* i2 i名称
' ~% r0 Y7 H6 U0 b6 b% e二氧
& f* R8 D: M7 K! f, }/ S化硫
+ n) r7 g* |4 N- @二氧
$ q. q5 A! C, [! E( t; u( \化氮
2 Q6 ^% J. [+ S2 \9 }" O+ A. M可吸入颗
9 D' o& {3 Z; F粒物
一氧
( @4 U" ^) a0 N( N1 q& K) U6 s化碳
3 i2 {& f& |  g! j臭氧 PM2.5
PM2.5 的
+ V1 g- {8 ^+ w& |, F7 p  X0 g减少幅度
4 e1 ~7 J2 [2 [2 _一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
: s6 t. P! \9 X* P0 |  P二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%
% n' N5 o% Z, q9 ?! d三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
" X; n$ k- d5 R' y& R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%
( K) E. N7 _+ K; p1 i2、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
, G3 o- j' w6 W4 T4 ^PM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。
- b, B* L  W4 s  _1 X9 J2 f
" ?8 K2 l: c7 `  r. k9 _7 v. Q
7 V$ r/ f1 K2 D3 ~