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

2 ~  _! @8 j+ Y! z
6 t- W2 F. g) N6 {6 O: l! x9 x5 j
. d5 c- ]& n5 g3 \+ L1 [0 ]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
0 E5 ]1 r) m5 z6 b8 x( v5 V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：
9 r( g2 p# W8 i7 w' }! `' X1、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
% c# G" g5 L1 _7 s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
# X, Q8 ~4 d. e9 `2 P3 u# D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
1 i" L# c% e# K. N3 K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：
$ ]6 u' A- [/ y1 L2 jLnY = 2.3975Ln𝑋6 − 14.903𝐿𝑛𝑋7 + 19.4621Ln𝑋8 − 44.323𝐿𝑛𝑋9 − 21.929𝐿𝑛𝑋10 −
45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
6 }3 t8 j- @5 r9 m6 V6 o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
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 -
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
  R& L1 r+ M# t& L4 M/ P, W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，
  j" N5 ^5 K4 c- k+ e; u扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
9 B5 F: Z7 k* b% k0 S& D  X& N3、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
4 @+ s+ B0 p* n' ~2 |4 o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
  G4 b5 S7 i5 }( h5 f  b$ v区。
9 \! G7 B% S1 k. }5 s4、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。
" A& \& o/ _2 j( T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：
& D: {7 ~; T% }) u. h6 M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：
年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
5 U( ]5 @" k2 E' N$ `PM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
% S$ J! k; S0 Y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
: _( n( _; ?: \, \个指标浓度达到对 PM2.5 的治理，其每年的治理计划为：
+ y# D9 P, X9 \4 m名称
二氧
化硫
二氧
2 K4 D, M7 |% U) w0 p化氮
$ P: N4 _# i3 q6 J可吸入颗
, h8 S; w6 q6 k5 K+ G粒物
  w& W; c; |/ z( X一氧
化碳
% C. s! Y: |. B1 b* y臭氧 PM2.5
/ j" I* _7 k4 k9 G1 DPM2.5 的
% U8 d) _! @! }减少幅度
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
+ ?1 m4 i( Y5 d% y7 p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%
# l! u; H0 A1 ~( f四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
& E. o  P& F& `0 L五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
- N# t7 j" w) p4 d3 V2、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。