陶源盛， 李一萌， 張向秀， 張 勇

近幾年,空氣質(zhì)量逐漸成為公眾關(guān)注的熱點(diǎn)問題,尤其是霧霾對人體健康的影響越來越受到人們重視,全國各地都在尋求治理霧霾的有效措施。因此,如何科學(xué)地評(píng)價(jià)城市空氣質(zhì)量,定量分析城市空氣質(zhì)量與其影響因素的關(guān)聯(lián)程度,具有重要意義。

成都地處四川盆地西部,面積12 390平方公里,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候[1]。作為一個(gè)特大型內(nèi)陸城市,成都是整個(gè)西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)火車頭,經(jīng)濟(jì)帶動(dòng)作用明顯。成都經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí),空氣污染物排放增多,空氣質(zhì)量狀況較差,2015年12月～2016年1月,成都多次出現(xiàn)嚴(yán)重霧霾天氣,空氣質(zhì)量已成為亟待解決的問題。鑒于此,本文擬采用模糊綜合評(píng)判法和灰色關(guān)聯(lián)模型對成都空氣質(zhì)量及其影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析,并提出改善空氣質(zhì)量的措施建議。

1 基于模糊綜合評(píng)判的成都空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)

在空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)中,“污染程度”是一個(gè)模糊的概念,很難給出一個(gè)明確界限[2],本文采用模糊綜合評(píng)判法,以期對空氣質(zhì)量作一個(gè)合理全面的評(píng)價(jià)。

1.1 模糊綜合評(píng)價(jià)具體步驟

1.1.1 建立因子集與評(píng)價(jià)集

選取成都市3種主要的空氣污染物,即可吸入顆粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)作為評(píng)價(jià)因子,建立評(píng)價(jià)因子集U＝{u1,u2,…,un}＝{PM10,SO2,NO2}。結(jié)合 “環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”(GB3095—2012)和成都市空氣實(shí)際污染水平,建立評(píng)價(jià)集V＝{v1,v2,…,vn} ＝{I級(jí),II級(jí),III級(jí)},其中I級(jí)、II級(jí)為 “環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)” (GB3095—2012)的標(biāo)準(zhǔn)級(jí),III級(jí)為根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)制定的參考級(jí)。具體如表1所示。

表1 各項(xiàng)污染物的濃度限值

1.1.2 建立因子集與評(píng)價(jià)集

模糊性是指元素對集合的隸屬關(guān)系,隸屬度反映了各個(gè)污染物與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的關(guān)系,根據(jù)三角形隸屬函數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算[3],如表2所示。

表2 環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)中模糊矩陣的隸屬函數(shù)表達(dá)式

表中,ui表示第i種評(píng)價(jià)因子的實(shí)測值 (i＝1,2,3),vik表示第i種因子的第K級(jí)空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

由表2中公式可得到單因子評(píng)價(jià)矩陣R＝[rij]3×3。

1.1.3 權(quán)重確定

根據(jù)污染物對空氣質(zhì)量的污染影響大則該影響因子所占權(quán)重大的原則,確定各因子的權(quán)重Ai＝ui/vi,其中vi＝(vi1+vi2+vi3)/3,然后對單因素權(quán)重進(jìn)行歸一化處理[4],構(gòu)成權(quán)重集A。

1.1.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

由3種空氣污染物的權(quán)重與對應(yīng)單因子評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行模糊矩陣運(yùn)算,即可得到空氣綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)矩陣B＝A·R。

1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

采用成都市環(huán)境保護(hù)局發(fā)布的 “成都市環(huán)境質(zhì)量公報(bào) (2010—2014年)”提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例計(jì)算,成都市2010—2014年3種空氣污染物PM10、SO2和NO2的年平均濃度值如表3所示。

表3 成都市2010—2014年P(guān)M10、 SO2和NO2的年平均濃度值/mg·m3

以2014年為例,計(jì)算得到成都市3種空氣污染物 PM10、SO2和 NO2的權(quán)重分別為 0.530 0、0.104 6和0.365 4,順序?yàn)镻M10＞NO2＞SO2,即PM10為現(xiàn)階段成都市空氣質(zhì)量的主要制約因子。根據(jù)搜集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),按照1.1節(jié)中的各步驟進(jìn)行計(jì)算,得到模糊關(guān)系矩陣：

可見,PM10、SO2和 NO2的含量分別隸屬于Ⅲ級(jí)、Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)。

為得到空氣質(zhì)量狀況的模糊綜合評(píng)判值,對隸屬向量進(jìn)行加權(quán)平均處理,計(jì)算公式[5]如下：

式中：bj為評(píng)價(jià)對象對第j級(jí)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度；β為加權(quán)系數(shù),取β＝1。

根據(jù)成都市2010—2014年空氣質(zhì)量主要指標(biāo)數(shù)據(jù),采用上述步驟,利用Matlab編程計(jì)算得到模糊綜合評(píng)判結(jié)果如表4所示[6]。

表4 2010—2014年成都市空氣質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由表4可知,2010—2011年成都市的空氣質(zhì)量等級(jí)為II級(jí),2012—2014年成都市的空氣質(zhì)量等級(jí)為III級(jí),且2013年和2014年的空氣質(zhì)量明顯差于其他年份,可見成都市的空氣質(zhì)量呈惡化趨勢。

2 基于灰色關(guān)聯(lián)的成都空氣質(zhì)量影響因素分析

本文采用的灰色系統(tǒng)理論是一種能夠充分利用已知信息來淡化未知信息[7],客觀真實(shí)地反映系統(tǒng)本質(zhì)的分析方法,其研究對象是不完全性系統(tǒng),適用于在資料不足的情況下通過關(guān)聯(lián)計(jì)算找出系統(tǒng)的最大影響因素,符合空氣質(zhì)量分析的實(shí)際情況。

2.1 選取空氣質(zhì)量的影響因素

本文基于 “環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)” (GB3095—2012)和數(shù)據(jù)完整性的前提下,選取PM10、SO2、NO2共3種污染物進(jìn)行研究。

SO2污染源主要為工業(yè)排放、汽車尾氣排放；NO2污染源主要為機(jī)動(dòng)車排氣污染；PM10污染源主要為由建筑、道路施工、工業(yè)排放帶來的煙粉塵[8]。

影響環(huán)境空氣質(zhì)量的主要有4類因素：發(fā)展因素、能源消耗及污染物排放因素、降水量因素、綠化因素[9]。

1)發(fā)展因素。

城市人數(shù)的上升會(huì)促進(jìn)需求增加和經(jīng)濟(jì)規(guī)模擴(kuò)大,房屋施工為揚(yáng)塵提供塵源,均在一定程度上影響著污染物的排放量。

2)能源消耗及污染物排放因素。

一般情況下,第二產(chǎn)業(yè)所占比重越大,能源利用效率越低,則工業(yè)對環(huán)境造成的污染越嚴(yán)重。

工業(yè)污染源一直是城市重要的污染源之一。工業(yè)SO2排放和工業(yè)煙 (粉)塵排放是中國工業(yè)排放的主體和節(jié)能減排的重點(diǎn)。

3)降水量因素。

降水對 PM10、SO2和 NO2存在明顯的清除效果,其中對PM10的清除效果最強(qiáng)。

“十三五”期間完成續(xù)建城際鐵路項(xiàng)目的投資后，還要為“十三五”開工城際鐵路項(xiàng)目增加投資。根據(jù)規(guī)劃，“十三五”計(jì)劃開工的城際鐵路項(xiàng)目為9項(xiàng)，其中江蘇省建設(shè)里程為1 834 km，投資規(guī)模合計(jì)3 107億元左右。若參照江蘇省“十二五”期間的出資情況，則“十三五”期間新開工項(xiàng)目江蘇省方資本金規(guī)模約在600億元左右。

4)綠化因素。

園林綠地具有吸附污染物、凈化空氣的功能,特別是對PM10具有明顯的改善作用。

水利環(huán)境公共設(shè)施管理業(yè)投資反映了政府對環(huán)境質(zhì)量的重視程度,可以有效地減少污染,改善空氣質(zhì)量。

綜上所述,選取表5所示的城市總?cè)丝?、年度降雨總量?項(xiàng)指標(biāo)作為空氣質(zhì)量的主要影響因素進(jìn)行分析。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)步驟

2.2.1 參考序列和比較序列

設(shè)參考序列 (空氣質(zhì)量)為x0＝[x0(1),x0(2),...,x0(n)],比較序列 (各項(xiàng)影響因素)為xi＝[xi(1),xi(2), …,xi(n)],i＝1,2, …,m。此處旨在分析2010～2014年的空氣質(zhì)量與9項(xiàng)影響因素的關(guān)系,故取n＝5,m＝9。

特別的,對于呈明顯負(fù)相關(guān)的比較序列,需要對其進(jìn)行倒數(shù)化處理。

2.2.2 無量綱化處理

由于參考序列與比較序列數(shù)值量綱不統(tǒng)一,采用初值化變換對數(shù)據(jù)序列進(jìn)行無量綱化處理[10]。

比較序列xi對參考序列x0在j時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算公式為：

式中,ρ∈[0,1]為分辨系數(shù)。一般來講,分辨系數(shù)ρ越大,分辨率越大；分辨系數(shù)ρ越小,分辨率越小[11]。文獻(xiàn)[12]中對ρ的取值進(jìn)行了合理的規(guī)定,能夠使關(guān)聯(lián)度更好地體現(xiàn)系統(tǒng)的整體性。

2.2.4 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

為了方便從整體上進(jìn)行比較,用關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值來表示關(guān)聯(lián)程度的大小。關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式如下：

對各比較序列與參考序列的關(guān)聯(lián)度γi從大到小排序,關(guān)聯(lián)度越大,說明比較序列與參考序列變化的態(tài)勢越一致[13]。

2.2.5 關(guān)聯(lián)度矩陣的構(gòu)造

由于參考數(shù)列不止一個(gè),被比較的因素也不止一個(gè),因此需進(jìn)行優(yōu)勢分析。由前面討論知,有3個(gè)參考序列 (母因素),記為y1,y2,y3,分別為PM10、SO2和NO2的年平均濃度；有9個(gè)比較序列(亦稱子因素),記為x1,x2,…,x9。顯然,每一個(gè)參考序列對9個(gè)比較序列有9個(gè)關(guān)聯(lián)度,設(shè)rij表示比較序列xj對參考序列yi的關(guān)聯(lián)度,可構(gòu)造關(guān)聯(lián)度矩陣 R＝(rij)3×9。

根據(jù)矩陣R的各個(gè)元素的大小,可判斷出哪些因素起主要影響。

2.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算數(shù)據(jù)來源為 “成都統(tǒng)計(jì)年鑒·綜合(2011—2015年)” “成都市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào) (2010—2014年)”和 “成都市環(huán)境質(zhì)量公報(bào) (2010—2014年)”。

利用上述數(shù)據(jù),計(jì)算得到9項(xiàng)空氣質(zhì)量的影響因素與3種空氣污染物的關(guān)聯(lián)程度,結(jié)果如表5所示。

2.4 結(jié)果分析

如表5所示,影響成都天氣質(zhì)量的主要因素是城市總?cè)丝?第二產(chǎn)業(yè)比重,工業(yè)煙 (粉)塵排放和水利環(huán)境公共設(shè)施管理業(yè)投資。

1)可吸入顆粒物PM10與城市總?cè)丝凇⒌诙a(chǎn)業(yè)比重和水利環(huán)境投資等5項(xiàng)影響因素的關(guān)聯(lián)度較大,均大于0.8,屬于高關(guān)聯(lián)。

表5 成都市主要污染物與各影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度

2)SO2濃度與第二產(chǎn)業(yè)比重、城市人口、工業(yè)煙粉塵排放量和園林面積等8項(xiàng)關(guān)系密切,均大于0.9。

3)NO2濃度與城市總?cè)丝?、第二產(chǎn)業(yè)比重和水利環(huán)境投資等6項(xiàng)影響因素的關(guān)聯(lián)度比較大,屬于高關(guān)聯(lián),其余3項(xiàng)屬于較高關(guān)聯(lián)。

4)整體分析來看,為了改善成都市空氣質(zhì)量,可以從適當(dāng)減少城區(qū)人口數(shù)量、增加綠地面積、減少第二產(chǎn)業(yè)比重、降低粉塵排放等方面來做起。

3 結(jié)束語

城市空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)和影響因素分析是一項(xiàng)重要的工作,對改善城市環(huán)境、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有參考價(jià)值。本文采用的方法數(shù)學(xué)基礎(chǔ)嚴(yán)密,科學(xué)易行,在成都市空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)中得到了較好應(yīng)用,并得出了具有針對性的結(jié)論。

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