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

) C7 O  V* d, g& I5 Y5 v  S% X- `

1 g5 n% o. c/ z0 ~" A: P! V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：
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、
2 E) f8 \3 q6 Q3 I8 R+ q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
7 ^0 V' @+ s9 ^+ b, T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
5 n" L. y6 a3 f7 {8 F/ d相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
# e8 j- q" M% Z5 C2 o4 h2、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、
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
  ~8 {/ P$ B" [6 t( {' h- u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：
/ H' b2 Q5 J' L; `LnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
4 v, M+ A! [1 }' |4 G+ X, f  a3 X% x/ f45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
- O# k$ a1 ]! {9 f8 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
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
9 {$ R, k8 Z, S9 }# |2 ]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
8 y1 v5 l( D: `( T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 -
6 V. J# {+ h. d% ]: o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
$ k3 n, |& {. y  {8 i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$ R- O& g" q- y2 e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，
/ n, o1 |9 q: s0 G  N" G扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
5 `7 z: v$ \4 w% Z! n( |5 ]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
' K9 h3 T/ f8 w* C% s: T% \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
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
过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
问题三：
# A3 i" M+ l$ h" u- F5 W# b' ?1、提出三种治理方案：长期治理、快速治理、全面治理。
) I0 T4 I4 P+ M7 `. O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
6 K1 }9 g$ R& c9 k' BPM2.5 值变化额 2.3 7.3 18.3 61.3 155.9
& L# X/ c* o  |# 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
" S; P" ]0 }4 }. e7 K6 m5 X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：
' [- _- b3 s5 ?2 |- M4 J  v& V0 C名称
* Z0 q% o4 U; E$ y二氧
化硫
二氧
7 U* ~, F" j5 w化氮
可吸入颗
粒物
3 k& u$ |1 y1 u! ?/ ^一氧
化碳
( t- V# q# T- ]7 t3 Q7 V; g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%
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%
8 {2 g9 ^/ \! U) N2 ^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。


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