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

' n$ o% Z5 A# t8 r3 q( _1 P
% g( ?* r  g1 u  A$ y" n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。
( H7 B5 }! W$ U" B  i5 i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、
! h+ [' B7 S3 z" B0 i3 ^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
" }3 F, g8 q9 d+ @& W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
! b2 _  g: c' d. g9 x& A- B相关。最终给出 PM2.5 与其他 5 个物质 IAQI 值的拟合函数为：
( w5 q1 W3 D: l2、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、
# E) K5 b4 E) ~- [2 {: r  x5 B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
' K. H/ J: g6 x( J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 −
1 Z4 {' R2 Z: o! D. j+ @" G8 w45.905𝐿𝑛𝑋11 − 85.1032
- S& i& h5 ]: }$ Q# S. Z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
% K  q4 Z% x$ Z. o9 R" v2 M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
& n+ O5 O* F) M- |, ?, R( I染情况下，污染源上风和下风 公里处的浓度。
* {% x# S: |* u. k8 i8 o2 {+ X2、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
$ O  ~' x  J# }6 J9 \" c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
! R$ B% N. @) [. `$ M2 F& `8 t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
8 B- T4 G' m6 \& M1 u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，
  Z' N: `, j! S3 G" k( u* }扩散与稀释速度加快，污染浓度最大值明显降低。
& r/ D* Q. y5 x  u7 a, P3、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
6 u) S) ^8 `7 V2 p. p# E! H/ G区。
; b. Q7 Q6 R, f. ^, 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
+ ~' i/ U" ~- Z# `过 Matlab 实现了对 PM2.5 值的预测，预测拟合度较高。
0 S  t( _, a' M5 H$ M问题三：
% w! X) b3 B$ V* q1、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
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：
4 h' }4 U$ c# X6 q0 S4 L% M年份 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年
$ q. H7 N  d  ], ]4 kPM2.5 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：
. n! f8 }1 s5 t- g名称
二氧
6 d$ i/ S) |8 H' n! `& J化硫
2 P4 j& C' I) {! C" ^+ d/ C二氧
( m  q# F; F/ k. |! e化氮
. u2 W7 a8 Y* |5 ]3 d6 g# v可吸入颗
' i# V3 ~! w  m) j( l8 b% D粒物
一氧
' [& \5 W: I# U" v& W+ f化碳
臭氧 PM2.5
PM2.5 的
+ Q. i! g" r9 H8 H减少幅度
( N+ v- e# Z5 A3 Y! g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%
# w7 t% ~1 z  h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%
* b) O4 P3 g% [& j$ d: ]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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