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

/ e9 a% G  H9 U" e  O3 y7 \$ [, 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
4 A+ H' u1 N$ O! l/ r/ p评估及污染治理等相关问题进行了研究，取得了以下成果。
; y$ R9 V/ k. c  j3 Z  U$ @, q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、
  o0 y6 a/ \9 e8 }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
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
1 b: q; A$ K6 ~) r- h& v" @( Q# [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
" b$ k+ N* ~* Q! }5 S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 −
5 }" Q: I# l& ?; x1 A) M& V45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
问题二：
/ R5 u. w6 P) B1 ]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
, Y1 X; k& T* H& z2 J' N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
- R( y& Q( _0 G9 b  i1 C染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
8 g$ m0 s: j( k6 {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
; P! r4 I- @  I% C6 a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，
. x& `5 `5 ^% \4 |扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
/ V! ]+ z# e, p3 m; y3、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
+ C. }: k; u6 p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
$ K1 ~+ i, z8 L* u! H" m区。
2 k+ `! T& d$ L" d5 D; r' _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：
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：
9 i0 Q, V+ F1 V, N6 g年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
6 I1 o0 E  Z5 S: P( o; j/ M7 _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
PM2.5 值变化额 36.75 36.75 73.50 49.00 49.00
0 l4 h$ {* O) ?& ]' _2 m' g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
( P$ [1 k$ Y" r5 \8 R化硫
二氧
化氮
1 ]4 `+ P+ R- F' A  K+ N& E' q可吸入颗
粒物
一氧
4 a0 T# t% D5 R6 y) J5 v* F化碳
2 {; ]& y. e+ Q, @$ t臭氧 PM2.5
  v: ]9 j% J% P% }$ N5 w1 E2 UPM2.5 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%
0 _% F/ k3 R0 ]; w# h, m* `三年后终值 29.64 46.28 75.40 28.06 12.30 124.97 54%
# g  a" F* z: p! x1 z四年后终值 20.52 32.04 52.20 17.08 11.40 78.79 74%
0 |. G1 \- f" T$ K9 m五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
' E/ Q! d! V2 @/ b0 \- e2、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
7 o" q/ g  P2 z& \2 M% h9 LPM2.5 浓度减少的关系，建立最优化方程。


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