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

9 y, e7 A9 h3 [8 S* J. }

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。
7 R8 b. M# o1 p5 m5 K" B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
! t( O) S* h6 {! a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
' |/ M- Z! M2 b. p/ N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
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、
3 s# D6 J) H, d7 J& d) }' K- _: ?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
( h' B" Y  {$ N& p# H  G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 −
! W1 I" |) L  M6 F& K, {45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
问题二：
1 d! }! S/ [7 G7 b! `  |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
- B( g" q8 [' j) E4 n7 |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
# @* U4 ]3 E* x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 -
5 R4 [+ ^+ O5 E+ O. e6 z0 T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
& h5 @* |2 g9 F' M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
9 g5 g( a4 x8 \5 k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，
; ^1 |6 H& y% X0 `9 L2 Y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
( g- u* y( z& f区。
2 U3 N* G0 T; 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。
! P3 A8 Y" A: ^* L/ C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：
/ R4 A$ q; I: g: {$ G8 u, F年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
7 _' Y; K; A& U& y' t, g0 tPM2.5 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：
3 O' ~9 K+ S0 k3 N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：
' Y6 _; C* T6 l7 x6 N: Z' l. z/ C名称
+ m+ Y0 A  c% @# `二氧
化硫
3 h% e! q8 W1 [: k& O- p8 t二氧
化氮
可吸入颗
粒物
一氧
化碳
* R2 m, g$ J) S# j# q0 C/ e: ^0 n臭氧 PM2.5
& C9 L+ m; v; d/ O3 a, qPM2.5 的
减少幅度
一年后终值 47.88 74.76 121.80 50.02 14.10 220.77 18%
2 R, h/ A7 W. X; x二年后终值 38.76 60.52 98.60 39.04 13.20 172.44 36%
1 i# w; |5 i/ W! U- {+ L5 F  \" l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%
五年后终值 11.40 17.80 29.00 6.10 10.50 34.37 87%
: A8 ~  J; H) U9 G6 _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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