賀小龍，孫慧宇

(1.安徽財經(jīng)大學管理科學與工程學院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽財經(jīng)大學金融學院，安徽 蚌埠 233030)

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京津冀地區(qū)空氣污染物分布演變規(guī)律的定量分析

賀小龍，孫慧宇

(1.安徽財經(jīng)大學管理科學與工程學院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽財經(jīng)大學金融學院，安徽 蚌埠 233030)

目的 針對京津冀地區(qū)空氣質量指數(shù)和污染源，建立新的空氣質量標準來定義空氣等級，建立模型對污染源擴散進行研究，并給出減少京津冀地區(qū)污染的建議。方法 以河北省為研究對象，通過互聯(lián)網(wǎng)查找河北省的污染數(shù)據(jù)，分析國標和美標的區(qū)別，從而對國家空氣質量標準(AQI)進行改進，運用半集均方差方法重新建立空氣優(yōu)劣程度模型，并在高斯定理的基礎上建立多種研究污染物擴散的單污染源擴散、OSPM、CALINE-4、GM等模型，利用MATLAB、Excel等軟件，給出不同時間段以及北京不同路段的污染濃度梯度和空氣質量等級。結果 北京早上8時AQI為255.16，空氣質量五級，重度污染；中午12時AQI為140.78，空氣質量三級，輕度污染；晚上21時AQI為77.79，空氣質量二級，良。相同時間段內二環(huán)CO濃度高于四環(huán)，四環(huán)高于六環(huán)，相同路段在不同時間段內CO濃度呈折線變化，其中在7∶00～9∶00和19∶00～21∶00這2個時間段內CO濃度最高，11∶00～13∶00相對較低。結論 京津冀地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)和煤炭燃燒是空氣污染的重要來源，其中PM2.5和PM10是主要成分，另外大量的汽車尾氣也是空氣污染的主要來源。因此，通過控制煤炭燃燒和機動車尾氣的排放及開發(fā)清潔能源等措施可以有效地改善京津冀地區(qū)的空氣質量。

絕對距離；歐式距離；高斯煙羽擴散；主要污染物

近十年來，中國GDP持續(xù)快速增長，但經(jīng)濟增長模式相對傳統(tǒng)落后，對生態(tài)平衡和自然環(huán)境造成一定的破壞，空氣污染的弊病日益突出，特別是日益加重的霧霾天氣已經(jīng)干擾到社會的出行秩序和生活質量。對人體有極大危害的頻發(fā)霧霾已成為被政府部門、人民群眾廣泛關注的問題。據(jù)2013年發(fā)改委報告[1]顯示，受霧霾天氣影響面積約占國土面積的1/4，受影響人口約6億人。一般認為影響空氣質量的主要因素有PM2.5、PM10、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、硫化氫、碳氫化合物和煙塵等，新檢測標準[2]的發(fā)布和實施，將會對空氣質量的檢測，改善生存環(huán)境起到重要的作用。因此，對空氣污染物影響因素及分布演變規(guī)律問題的研究，對于分析如何減少城市污染問題和保護環(huán)境具有重要意義，同時，此研究也對其他類型污染物以及熱源擴散、衰退的研究有一定指導意義。

1 數(shù)據(jù)來源與假設

通過查閱青悅空氣質量數(shù)據(jù)庫[3]、2008-2013年的《天津統(tǒng)計年鑒》、2002-2007年的《天津環(huán)境狀況公報》和2002-2013年《北京環(huán)境狀況公報》以及《河北省環(huán)境狀況公報》得到京津冀近十年來的空氣污染物的數(shù)據(jù)。為了方便解決問題，提出以下假設：(1)河北地區(qū)污染物濃度表中用石家莊市的數(shù)據(jù)代表河北省的數(shù)據(jù)；(2)不考慮突發(fā)事件造成的空氣質量突變；(3)影響大氣環(huán)境的各項因素不會出現(xiàn)非預期的異常變化；(4)單污染源排放物在y、z軸上的分布是正態(tài)分布的；(5)擴散過程中，假設風速恒定，即固定風對擴散過程的影響；(6)數(shù)據(jù)真實可靠，不考慮軟件工具在數(shù)據(jù)處理及圖形繪制中的誤差；(7)主要污染物在擴散中質量守恒。

2 空氣優(yōu)劣程度的綜合評價模型

以京津冀地區(qū)空氣質量情況(2013年)為研究對象，已知影響空氣質量的主要因素PM2.5、PM10、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧的檢測數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)有的國標處理數(shù)據(jù)[2]，建立衡量空氣質量優(yōu)劣程度等級模型。為此，可以從數(shù)據(jù)出發(fā)，首先建立無量綱化實測數(shù)據(jù)矩陣和評價標準矩陣，然后建立各地區(qū)的綜合評價模型，利用歐氏距離和絕對距離對空氣質量優(yōu)劣程度等級進行衡量。

2.1 數(shù)據(jù)處理

通過查閱資料[4]，得到國家標準空氣質量分指數(shù)及對應的污染物項目濃度指數(shù)表、空氣質量指數(shù)級別表?？梢缘玫礁鞯貐^(qū)空氣質量評價標準(表1)。

表1 各地區(qū)空氣質量評價標準

建立無量綱化實測數(shù)據(jù)矩陣和評價標準矩陣，得到實測數(shù)據(jù)矩陣X=(xij)3×6和等級標準矩陣建立無量綱化實測數(shù)據(jù)矩陣，Y=(ykt)6×6。

建立無量綱化實測數(shù)據(jù)矩陣，A=(aij),(i=1,2,3;j=1,2,3,4,5,6),

無量綱化等級標準矩陣B=(bkt),(k=1,2,3,4,5,6;t=1,2,3,4,5,6)

由于其主要因素都為成本型指標集合,即得：

利用MATLAB計算，得到：

2.2 模型建立與結果分析

利用歐氏距離和絕對距離進行建模，建立對空氣質量優(yōu)劣程度等級進行衡量的數(shù)學模型，并利用MATLAB對相關數(shù)據(jù)進行求解。

計算A中各行向量到B中各列向量的歐氏距離dij：

計算A中各行向量到B中各列向量的絕對距離Dij:

表2 歐氏距離判別表

表3 絕對值判別表

結果分析：對于給出的任何關于空氣質量分指數(shù)及對應的污染物項目濃度指數(shù)[5]，可以結合一維差值分析法得到的空氣質量指數(shù)級別表，建立歐氏距離和絕對距離數(shù)學模型來衡量空氣質量優(yōu)劣等級。

從上面的計算可知，盡管歐氏距離與絕對距離意義不同，但是對空氣污染物的評價等級是一樣的，表明上面給出的方法具有穩(wěn)定性。

3 空氣污染物擴散與衰減的演變規(guī)律

為了簡化問題，假設污染物濃度均在地面測得，通過相關資料及計算，得到了穩(wěn)定度級別劃分表和擴散系數(shù)表，再以高斯擴散原理[6]為基礎,以河北境內某工廠為研究對象,建立單污染源高斯煙雨擴散模型,最后運用MATLAB繪圖，得到了單污染源的污染擴散曲線圖，根據(jù)曲線趨勢及其不同距離的污染濃度，判斷出空氣質量等級,從而探究污染物的成因、演變等一般性規(guī)律。

3.1 數(shù)據(jù)處理

以污染源為起點，主風向為x軸，并且指向下風的方向，與風向垂直的方向為z軸，而水平截風向為y軸的方向，則高架連續(xù)點源擴散的高斯煙羽模型公式[7]為：

其中λy、λz分別為污染水平、垂直風向擴散參數(shù)，Q、h分別為源強、源高，為常數(shù)。

用MATLAB求解固定源強和雙源強高斯煙羽擴散模型，選擇河北境內某工廠的數(shù)據(jù)作為研究對象。由查閱的數(shù)據(jù)可知所求的空間是以工廠的排放煙囪為中心，高為50 m，半徑長為50 km的半球。其各個時間段內源強Q的值如表4。

表4 各時間段的源強Q

假設源強的計算中,人為1天24 h污染物勻速排放，需要求出全天平均源強：

Q=排放總量/排放時間(單位：mg·s-1)

代入數(shù)據(jù)即得Q=493.08 mg·s-1

為簡化計算，將上述模型化簡為地面最大濃度模式，即y=0，z=0代入上式得：

計算污染物濃度的關鍵在于確定擴散系數(shù)σy、σz的值[8]，它們與大氣的穩(wěn)定性有關，帕斯奎爾在1961年推薦一種僅需要常規(guī)氣象觀測資料就能估算σy、σz的方法，吉福德(Gifford)進一步將它制成應用更方便的圖表。應用觀測到的風速、云量、云狀和日照等天氣資料[9]，一般將大氣擴散稀釋能力即穩(wěn)定度分為A、B、C、D、E和F 6個級別(A為最不穩(wěn)定值，F(xiàn)為最穩(wěn)定值)。通過查閱資料得到穩(wěn)定度級別劃分表(表5)，最后將對應的擴散參數(shù)σy和σz代入上面的簡化模型中。

表5 穩(wěn)定度級別劃分表

在熱釋放率比較強的情況下的實際計算中，不穩(wěn)定條件(A、B穩(wěn)定度)，H需增加10%～20%；穩(wěn)定條件(D、E、F穩(wěn)定度)，H需減少10%～20%。

由查閱的資料可知，假設在早上8時的大氣穩(wěn)定度為C，有效高度H為50 m；中午12時的大氣穩(wěn)定度為B，有效高度H為60 m；晚上21時的大氣穩(wěn)定度為D，有效高度H為40 m。擴散系數(shù)的P-G曲線和σy、σz，隨地面x的距離大小變化見表6。

3.2 結果分析

將查到的數(shù)據(jù)代入上述公式，由MATLAB軟件分別求得該工廠方圓51 km在不同時段的空氣污染分布如圖1及圖2所示。

表6 擴散系數(shù)表(102

中午12時的空氣污染分布如圖1，空氣污染濃度從低到高再隨著距離逐漸降低，最高到達1.6×10-5mg·m-3，最遠距離的濃度為0.2×10-5mg·m-3?？諝赓|量等級隨著距離的增加從三級(輕度污染)逐漸變?yōu)槲寮?嚴重污染)再逐漸降低到三級(輕度污染)[10]。

晚上的空氣污染分布如圖2，空氣污染濃度從低到高再隨著距離逐漸降低，最高到達4×10-5mg·m-3，最遠距離的濃度為0.45×10-5mg·m-3?？諝赓|量等級隨著距離的增加從三級(輕度污染)逐漸變?yōu)槲寮?嚴重污染)再逐漸降低到四級(重度污染)。

4 結論與討論

4.1 結論

對于空氣質量分指數(shù)及對應的污染物項目濃度指數(shù)，可以結合一維差值分析法得到的空氣質量指數(shù)級別表，建立歐氏距離和絕對距離數(shù)學模型來衡量空氣質量優(yōu)劣等級。盡管歐氏距離與絕對距離意義不同，但是對空氣污染物的評價等級是一樣的，表明本文給出的方法具有穩(wěn)定性。北京早上8時AQI為255.16，空氣質量五級，重度污染；中午12時AQI為140.78，空氣質量三級，輕度污染；晚上21時AQI為77.79，空氣質量二級，良。相同時間段內二環(huán)CO濃度高于四環(huán)，四環(huán)高于六環(huán)，相同路段在不同時間段內CO濃度呈折線變化，其中在7∶00～9∶00和19∶00～21∶00這2個時間段內CO濃度最高，11∶00～13∶00相對較低。京津冀地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)和煤炭的燃燒是空氣污染的重要來源，其中PM2.5和PM10是主要成分，另外大量的汽車尾氣也是空氣污染的主要來源[11]。

4.2 關于環(huán)境問題的討論

通過上述數(shù)字看出，雖然暫時得到了經(jīng)濟的發(fā)展，但是所帶來的環(huán)境問題不容小覷。環(huán)境與經(jīng)濟是否必須取舍？這是值得深思的問題。相信每個人希望的結果都是環(huán)境治理與經(jīng)濟發(fā)展同步進行，那么就更加要求居民減少私家車出行、多乘坐公共交通工具、減少不必要的用水用電等，更要求企業(yè)嚴格把控污染物的排放[12]，社會各界和政府共同努力。

[1]發(fā)改委.節(jié)能減排形勢嚴峻產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮髨蟾鎇EB/OL].http://snap.windin.com/ns/findsnap.php?ad=0&id=204632670,2015-08-02.

[2]中華人民共和國環(huán)境保護部.環(huán)境保護標準[EB/OL].http://kis.mep.gov.cn/hjbhbz/,2015-08-02.

[3]青悅空氣質量數(shù)據(jù)庫[EB/OL].http://air.epmap.org/,2015-8-2.

[4]環(huán)境保護部.環(huán)境空氣氣態(tài)污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運行與質控技術規(guī)范[EB/OL].http://kjs.mep.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/jcgfffbz/201308/t20130802_256853.htm,2015-08-02.

[5]陳歡歡,李星,丁文秀.Surfer8.0等值線繪制中的12種插值方法[J].工程地球物理學報,2007，4(01):52-57.

[6]石東偉,陳東娜.高斯擴散模型在確定污染源位置中的應用[J].河南科技學院學報，2012，40(02):55-58.

[7]張斌才,趙軍.大氣污染擴散的高斯煙羽模型及其GIS集成研究[J].環(huán)境檢測管理與技術，2008，20(05):17-19，55.

[8]周兆媛，張時煌，高慶先.京津冀地區(qū)氣象要素對空氣質量的影響及未來變化趨勢分析[J].中國環(huán)境研究所2014，36(01)：191-199.

[9]劉燚.京津冀地區(qū)空氣質量狀況及其與氣象條件的關系[D].長沙：湖南師范大學，2010.

[10]沈子禾，姜昊，李杰.京津冀地區(qū)污染物排放對空氣質量的影響[J].合作經(jīng)濟與科技，2015，9(18)：12-14.

[11]劉敏坤，陳文潔.京津冀空氣質量現(xiàn)狀及聯(lián)防聯(lián)控對策探索[J].產(chǎn)業(yè)與技術論壇，2015，10(19)：110-111.

[12]李健，安俊嶺，陳勇，等.脫硝技術與天然氣應用情景下京津冀地區(qū)空氣質量模擬評估[J].氣候與環(huán)境研究，2013.7(07)：472-482.

[責任編輯：關金玉 英文編輯：劉彥哲]

Quantitative Analysis of Distribution of Air Pollutants in Beijing-Tianjin-Hebei Region

HE Xiao-long1,SUN Hui-yu2

(1.School of Finance,Anhui University of Finance and Economics,Bengbu,Anhui 23303,China；2.School of Statistics and Applied Mathematics,Anhui University of Finance and Economics,Bengbu,Anhui 23303,China)

Objective Against air quality index and pollution in Beijing-Tianjin-Hebei region,a new air quality standard was established to define the class of air.And the model was established to study the spread of the pollution sources and reduce the pollution in the Beijing-Tianjin-Hebei region.Methods By taking Hebei province as the research object and through the pollution data of Hebei province in Internet,the difference between China’s standard and U.S.standard was analyzed to improve the national air quality standard(AQI).Mean square error method using half set was used to reestablish air quality model,and based on the Gauss theorem,single pollutant diffusion,the pollutant diffusion OSPM,CALINE-4,and GM model were established.In combination with MATLAB and Excel software,different times and different sections of Beijing pollution concentration gradient and air quality levels were given.Results In Beijing at 8 a.m,AQI was 255.16,at Level 5,severe pollution;at 12,AQI 140.78,level 3,light pollution;at 9 p.m.,AQI 77.79,level 2 and good.CO concentration was higher than that in same period on 4th Ring,and 4th Ring higher than sixth Ring.At the same section and in different periods CO concentrations were represented by zipped lines,in which at about 7:00-9:00,and at 19:00-21:00 CO concentrations were highest,and at 11-13:00 relatively low.Conclusion In Beijing-Tianjin-Hebei region,industrial production and coal combustion are important sources of air pollution with PM2.5 and PM10 as the main composition.The large amount of automobile exhaust is also the main source of air pollution.Therefore,controlling the coal combustion and motor vehicle exhaust emissions,and developing clean energy can effectively improve the air quality in the Beijing-Tianjin-Hebei region.A blue sky in Beijing-Tianjin-Hebei region will return.

absolute distance;euclidean distance;Gauss plume diffusion; main pollutant

教育部人文社科青年科研項目(10YJC630143)

賀小龍(1994-)，男，安徽宿松人，安徽財經(jīng)大學管理科學與工程學院在讀學生，研究方向：大數(shù)據(jù)。

X 513

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.07.008