潘本鋒，杜 麗，李莉娜

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

當前，中國大氣污染形勢嚴峻，部分地區(qū)以可吸入顆粒物(PM10)和細顆粒物(PM2．5)為污染特征的區(qū)域性大氣污染問題十分突出。為切實加強大氣污染防治，改善空氣質(zhì)量，保護人民群眾身體健康，國務(wù)院于2013年9月印發(fā)了《大氣污染防治行動計劃》(國發(fā)［2013］37號)。行動計劃中明確提出“國家每月公布空氣質(zhì)量最差的10個城市和最好的10個城市名單，各省、區(qū)、市要公布本行政區(qū)域內(nèi)地級及以上城市空氣質(zhì)量排名”［1］。對不同城市空氣質(zhì)量進行比較，是貫徹實施國務(wù)院《大氣污染防治行動計劃》，保障社會公眾環(huán)境知情權(quán)的重要舉措，同時也有利于加強環(huán)境管理，督促各級政府切實加強大氣污染防治，促進環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善。中國《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)［2］中雖然規(guī)定了 6 個基本空氣質(zhì)量指標的標準限值，但如何綜合各個指標的貢獻進行空氣質(zhì)量總體評價和城市間比較并沒有明確規(guī)定。將不同環(huán)境要素的濃度絕對值換算為無量綱的指數(shù)，再進行不同區(qū)域或不同時間的環(huán)境質(zhì)量總體狀況比較，是環(huán)境質(zhì)量評價中常用的方法，如普映娟等對環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)評價方法進行了探討［3］，劉碩等對幾種環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)評價方法進行了比較［4］，錢天鳴等對內(nèi)梅羅污染指數(shù)在環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用進行了研究［5］。而層次分析法是多指標體系決策中常用的分析方法之一［6］，圍繞城市空氣質(zhì)量排名工作的實際需要，提出了一種基于層次分析法賦權(quán)的加權(quán)綜合指數(shù)法城市空氣質(zhì)量排名方法。

1 實驗部分

利用中國已經(jīng)實施空氣質(zhì)量新標準城市的實測數(shù)據(jù)，采用均權(quán)綜合指數(shù)法和層次分析法賦權(quán)綜合指數(shù)法對城市空氣質(zhì)量進行排名測算。數(shù)據(jù)來自中國第一批實施空氣質(zhì)量新標準的74個城市2014年的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用 EXCEL、MATLAB等軟件進行統(tǒng)計。

1.1 均權(quán)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)法

均權(quán)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)法是將各項污染物對環(huán)境質(zhì)量的貢獻均等化，計算空氣質(zhì)量綜合指數(shù)，并依據(jù)綜合指數(shù)的大小對不同城市空氣質(zhì)量進行排名的一種方法?？諝赓|(zhì)量綜合指數(shù)具有計算方便、結(jié)果直觀等特點，在中國空氣質(zhì)量評價中得到了廣泛應(yīng)用［3-4，7］?？諝赓|(zhì)量綜合指數(shù)綜合考慮了6項污染物的濃度水平，將各項污染物的濃度進行無量綱化得到各項污染物的單項質(zhì)量指數(shù)，然后將各單項質(zhì)量指數(shù)相加即得到空氣質(zhì)量綜合指數(shù)?？諝赓|(zhì)量綜合指數(shù)的計算方法見式(1)和式(2)。式中:Ii為指標i的單項質(zhì)量指數(shù);Ci為指標i的濃度值，SO2、NO2、PM10、PM2．5的濃度為評價時段內(nèi)各指標日均濃度的平均值，CO評價濃度為評價時段內(nèi)日均濃度的第95百分位數(shù)，O3評價濃度為評價時段內(nèi)日最大8 h平均濃度的第90百分位數(shù);Si為指標 i的標準值，當 i為 SO2、NO2、PM10及 PM2．5時，Si為年平均二級標準值，當 i為CO時，Si為24 h平均二級標準值，當i為O3時，Si為日最大8 h平均二級標準值。

式中:Isum為空氣質(zhì)量綜合指數(shù);Ii為指標i的單項指數(shù)，包括 SO2、NO2、PM10、PM2．5、CO 和 O3。

1.2 加權(quán)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)法

加權(quán)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)法是對綜合指數(shù)法的改進，同樣需要綜合考慮6項污染物的濃度水平，將各項污染物的濃度進行無量綱化得到各項污染物的單項質(zhì)量指數(shù)，再將各單項質(zhì)量指數(shù)與各自權(quán)重相乘后相加，即得到加權(quán)綜合指數(shù)。加權(quán)綜合指數(shù)計算方法見式(3)。

式中:Isum為加權(quán)空氣質(zhì)量綜合指數(shù);Wi為指標i的單項指數(shù)所占權(quán)重;Ii為指標i的單項指數(shù)，i包括全部 6 項指標(SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O3)。

對各種污染物的賦權(quán)可以采用層次分析法［6，8-9］，第一步建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型(包括目標層、準則層、方案層等)，現(xiàn)主要研究準則層中的各項污染物對綜合指數(shù)的貢獻大小。第二步需要引用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標度［10］，來定義判斷矩陣(表1)，各標度定義［10］見表2。

表1 判斷矩陣

表2 重要性標度定義

第三步，計算判斷矩陣的特征向量，確定各項污染物權(quán)重。第四步，進行一致性檢驗。一致性檢驗的主要指標為一致性比例(CR)，一般認為CR≤0.1時，判斷矩陣的一致性是可以接受的［10］。CR 按照式(4)計算。

式中:CI為一致性指標，按照式(5)計算。RI為平均隨機一致性指標，由表3查得［10］。

表3 平均隨機一致性指標

式中:λmax為判斷矩陣的最大特征根，按照式(6)計算。n為判斷矩陣的階數(shù)［10］。

式中:(AW)i為特征向量W右乘判斷矩陣中的每一個元素，Wi為特征向量W中的每一個元素。

2 不同排名方法測算結(jié)果分析

2.1 綜合指數(shù)法測算分析

綜合指數(shù)法的優(yōu)點在于其考慮了所有污染物的污染貢獻，所以能夠綜合反映各項指標的整體污染狀況。另一方面所有城市均采用6項污染物進行綜合指數(shù)計算，城市之間可比性較好。中國環(huán)境監(jiān)測總站公布的《2014年1月京津冀、長三角、珠三角區(qū)域及直轄市、省會城市和計劃單列市空氣質(zhì)量報告》［11］采用綜合指數(shù)法對全國第一批實施空氣質(zhì)量新標準的74個城市空氣質(zhì)量進行了排名，排名情況見表4。

表4 2014年1月部分城市空氣質(zhì)量排名結(jié)果(均權(quán)法)

由式(2)可見，采用綜合指數(shù)法能夠全面兼顧各項污染物指標對空氣質(zhì)量的貢獻，尤其是在各項污染物的權(quán)重分配上，利用各污染物評價濃度計算方法和評價標準的不同，巧妙地平衡了各項污染物的權(quán)重。由于 SO2、NO2、PM10、PM2．54項指標有年均值標準，而CO、O3沒有年均值標準，所以以往計算綜合質(zhì)量指數(shù)時，各項指標的實際權(quán)重并不完全一致，研究中在計算SO2、NO2、PM10、PM2．5單項質(zhì)量指數(shù)時，選用日均濃度的平均值為評價濃度，選用年均值標準進行計算;而在計算CO、O3單項質(zhì)量指數(shù)時，分別選取日均濃度(O3為日最大8 h平均濃度)的第95百分位數(shù)和第90百分位數(shù)為評價濃度，而采用日均值標準(O3為日最大8 h平均標準)進行計算，這樣就確保了各項污染物指標之間權(quán)重基本一致。對于不同城市來說，綜合指數(shù)法綜合考慮了各項污染物對空氣質(zhì)量的貢獻，并對各項污染物進行了等權(quán)重處理，不同城市間的可比性較好。

但是經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，綜合指數(shù)法雖然綜合考慮了 SO2、NO2、PM10、PM2．5、CO、O3等 6 項污染物對空氣質(zhì)量的貢獻，但實際上各項污染物對空氣質(zhì)量的貢獻是存在差異的，如 PM2．5和 O3已經(jīng)成為中國多數(shù)城市最主要的污染物，其對空氣質(zhì)量的貢獻要明顯高于其他污染物，因此單純的綜合指數(shù)法存在著不能突出主要污染物貢獻的缺點。

2.2 層次分析賦權(quán)綜合指數(shù)法測算分析

按照層次分析法的步驟，根據(jù)各污染物的重要程度，將 SO2、NO2、PM10、PM2．5、CO、O3等 6 項污染物兩兩互相比較，分別賦予其不同的重要性標度，據(jù)此構(gòu)建的判斷矩陣見表5。

表5 判斷矩陣表

采用方根法［10］計算判斷矩陣的特征向量，經(jīng)計算該判斷矩陣的特征向量為

按照前述計算方法進行一致性檢驗。經(jīng)計算，判斷矩陣(表5)的CR 為0．02，CR ＜0．1，因此判斷矩陣的一致性是可以接受的。

根據(jù)特征向量，SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2．5等6 項污染物的權(quán)重系數(shù)分別為 0．109 1，0.078 7，0．031 4，0．142 6，0．261 3，0．376 9。

綜合考慮各項污染物權(quán)重系數(shù)，按照式(3)計算加權(quán)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)，對全國第一批實施空氣質(zhì)量新標準的74個城市2014年1月空氣質(zhì)量進行排名測算，測算結(jié)果見表6。

表6 2014年1月部分城市空氣質(zhì)量排名測算結(jié)果(加權(quán)法)

由表6可見，采用加權(quán)綜合指數(shù)法得到的排序結(jié)果與綜合指數(shù)法所得結(jié)果基本一致，1月空氣質(zhì)量較差的前5個城市，2種方法得到的排名次序相同，從第6名起，個別城市的排名發(fā)生變化。以成都和濟南為例，濟南市的SO2、PM10濃度高于成都，進行等權(quán)重綜合指數(shù)計算時，濟南市綜合指數(shù)大于成都市，但成都市的PM2．5濃度明顯高于濟南市，當采用加權(quán)綜合指數(shù)法時，因PM2．5的權(quán)重高于SO2和PM10，最終成都市加權(quán)綜合指數(shù)高于濟南市，可見加權(quán)綜合指數(shù)法可以更加突出PM2．5的貢獻。采用加權(quán)綜合指數(shù)雖然各污染物的權(quán)重各不相同，但對于不同城市來說，各污染物的權(quán)重分配方式是一致的，因此采用加權(quán)綜合指數(shù)法在保證了各城市間可比性的同時，更加突出了當前影響中國城市空氣質(zhì)量的主要污染物(PM2．5、PM10、O3等)在空氣質(zhì)量排名中的作用，符合國家大氣污染防治行動計劃提出的綜合治理、突出重點的原則，有利于指導各地針對主要污染物加強污染防治，切實改善空氣質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過對綜合指數(shù)法、層次分析法賦權(quán)加權(quán)綜合指數(shù)法的測算分析，結(jié)果表明，基于層次分析法賦權(quán)的加權(quán)綜合指數(shù)法全面兼顧了各項污染物對空氣質(zhì)量的貢獻，又能夠突出當前中國大氣污染中最突出的PM2．5、O3等主要污染物的貢獻，并且對于不同城市來說各項污染物的權(quán)重分配始終保持一致，用于空氣質(zhì)量排名時各城市間可比性強，能夠客觀、準確、公平地反映中國不同城市間空氣質(zhì)量狀況差異，能夠滿足當前中國城市環(huán)境空氣質(zhì)量排名工作的需要。

［1］國務(wù)院．國務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知［EB/OL］．(2013-09-10)［2013-09-12］．http://www．gov．cn/zwgk/2013-09/12/content_2486773．html．

［2］GB 3095—2012 環(huán)境空氣質(zhì)量標準［S］．

［3］普映娟，王琳邦．環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)評價方法探討［J］．環(huán)境科學導刊，2010，29(2):93-94．

［4］劉碩，朱建平，蔣火華．對幾種環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)評價方法的探討［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，1999，15(5):33-37．

［5］錢天鳴，余波．內(nèi)梅羅污染指數(shù)在運河水質(zhì)評價中的應(yīng)用［J］．環(huán)境污染與防治，1999，21:67-71．

［6］郭金玉，張忠彬，孫慶云．層次分析法的研究與應(yīng)用［J］．中國安全科學學報，2008，18(5):148-153．

［7］陳誼，施潔新，張超．建立空氣質(zhì)量綜合評價指數(shù)的探討［J］．環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2012，4(1):38-42．

［8］范英宏，楊志峰，楊曉華，等．基于層次分析的方差賦權(quán)法的理論及其應(yīng)用［J］．環(huán)境科學與技術(shù)，2008，31(6):135-138．

［9］趙萱，張權(quán)，樊治平．多屬性決策中權(quán)重確定的主客觀賦權(quán)法［J］．沈陽工業(yè)大學學報，1997，19(4):95-98．

［10］鄧雪，李家銘，曾浩健，等．層次分析法權(quán)重計算方法分析及其應(yīng)用研究［J］．數(shù)學的實踐與認識，2012，42(7):93-100．

［11］中國環(huán)境監(jiān)測總站．2014年1月京津冀、長三角、珠三角區(qū)域及直轄市、省會城市和計劃單列市空氣質(zhì)量報告［EB/OL］．(2014-02-09)［2014-02-20］．http://www．cnemc．cn/publish/106/news/news_40271．html．