基于雙權重模糊綜合模型的鄭州空氣質量評價

王 珂,岳大鵬

(陜西師范大學 地理科學與旅游學院,陜西 西安 710119)

近年來,空氣質量問題引起了公眾的廣泛關注,成為當前的熱點問題[1-2]。準確評價空氣質量,對客觀認識城市的空氣污染現狀、變化趨勢及制定相應的污染控制對策具有重要意義。當前,面對日益惡化的環境空氣質量,國內外學者進行了很多相關研究,主要集中在空氣質量的時空分布特征[3-5]和空氣質量的影響因素分析[6-8]兩個方面。常用的空氣質量評價的方法主要有:空氣污染指數法、灰色聚類法[9]、層次分析法[10]以及模糊綜合評價法[11]等。其中：空氣污染指數法只適用于短期內的空氣質量評價;利用灰色聚類法評價空氣質量時,可以得到多層次、全面化的評價結果,但白化函數的構造易忽略不相鄰等級之間的影響,導致評價結果出現偏差;利用層次分析法時,用絕對值計算標度會加大誤差,導致結果與實際不符;模糊綜合評價法利用模糊數學定量評價空氣質量,綜合考慮了各評價因子間的相互關系,評價結果更合理、更全面[12-14]。然而,傳統的模糊綜合模型一般常用超標倍數賦權法計算權重,只考慮到污染物濃度超標情況,未考慮各污染物本身的毒性作用[15],以致掩蓋了某些濃度較低但毒性較大的污染物對空氣質量的污染作用[16-19]。

目前,針對鄭州市的空氣質量研究,主要集中在單個污染因子的時空分布特征[20-21]和影響因素分析兩個方面[22],對空氣質量整體狀況的定量化評價鮮有報道。基于此,本文以鄭州市2014～2017年的環境空氣質量為研究對象,將各污染物的濃度值和毒性作用共同納入評價體系,建立了雙權重模糊綜合評價模型,對其主要空氣污染物和空氣質量的年度與季節變化特征等進行了相關分析,旨在有效地控制評價誤差,更加客觀準確、全面地認識鄭州市環境空氣質量及其變化特征,從而為相關部門制定管理措施提供理論依據。

1 環境空氣質量評價

1.1 數據來源及處理

本文采用2014～2017年中國環境監測總站(http://www.cnemc.cn/)以及鄭州市環境保護監測中心站8個自動監測站點(供水公司、銀行學校、鄭紡機、四十七中、市監測站、河醫大、煙廠、經開區管委)的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3等6種空氣質量指標的日監測值,經過統計與加權平均處理后,得到各種污染物的年平均監測值和四季平均監測值,其中春季為3～5月,夏季為6～8月,秋季為9～11月,冬季為12月～翌年2月。

1.2 建立評價因子集和評價集

根據《環境空氣質量標準》(GB 3095─2012)[23]與環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)(HJ 633─2012)[24],空氣污染物主要包含以下6項: PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3。其中,PM2.5、PM10、SO2和NO2均以年均濃度作為本文的評價濃度,CO以日均值第95位百分位數作為評價濃度,O3以日最大8 h滑動平均值的第90位百分數為評價濃度。因此,建立的鄭州市環境空氣質量評價因子集U為:

U={PM2.5,PM10,SO2,NO2,CO-95,O3-8h-90}

為了更詳細地區分污染程度,參照《環境空氣質量標準》(GB 3095─2012),將兩級標準補充為四級標準,即Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級,它們分別代表環境空氣質量狀況中的清潔、輕度污染、中度污染、重度污染。因此建立的鄭州市環境空氣質量評價集為:V={Ⅰ級,Ⅱ級,Ⅲ級,Ⅳ級}。鄭州市環境空氣質量等級標準及各污染物的毒性指數見表1。

1.3 構建模糊關系矩陣

本文采用降半階梯形隸屬度計算公式[25]建立第i個評價因子對第j級標準的隸屬度rij,從而確定各評價因子與各級評價標準之間的模糊關系矩陣R,計算公式如下:

當j=1時:

(1)

當j=2或3時:

(2)

當j=4時:

(3)

上式中:i表示第i個評價因子；j表示第j級評價標準,j=1,2,3,…,m;rij表示第i個評價因子對第j級標準的隸屬度;Xi表示第i個評價因子實測值的年平均值;Sij表示第i個評價因子的第j級標準。

根據降半階梯形公式,計算各評價因子對各級評價標準的隸屬度,構建2014～2017年及2017年四季鄭州市空氣質量模糊關系矩陣R,結果如表2和表3所示。

表1 鄭州市環境空氣質量等級標準及各污染物的毒性指數

1.4 建立權重集

在評價工作中,不同評價因子對評價結果的“貢獻率”不同,因此要確定每一個評價因子相應的權重,建立權重集A={a1,a2,…,an}。本文采用超標倍數法計算第i項指標的權重,并進行歸一化處理,計算公式如下:

(4)

(5)

上式中:Ci表示采用單因子法計算得到的第i個評價因子的權重；ai表示采用雙因子法計算得到的第i個評價因子的權重;fi表示第i個評價因子的毒性指數。

根據單、雙因子超標倍數法計算公式,分別計算得到各評價因子的權重值,構建了鄭州市2014～2017年及2017年四季各污染因子的權重集A,如表4和表5所示。

表2 鄭州市2014～2017年空氣質量模糊關系矩陣

表3 鄭州市2017年四季空氣質量模糊關系矩陣

表4 鄭州市2014～2017年各污染因子的權重值

表5 鄭州市2017年四季各污染因子的權重值

1.5 構建綜合評價矩陣

根據已經計算出的模糊矩陣R和權重集A,運用合適的算子將其進行復合運算,得到綜合評價矩陣B:B=A?R。

得到綜合評價矩陣后,需要對其進行分析與處理,從而得到更為直觀的評價結果。首先,根據最大隸屬度原則[26],確定評價等級;其次,為了兼顧各評價因子的權重大小,以及充分利用模糊矩陣的信息,本文采用加權平均算子,計算得到各年度空氣質量的最終評價值,從而確定評價對象在時間序列中的相對位置,使得評價結果更為直觀。加權平均法[27]的計算公式如下:

(6)

式(6)中:C為各等級最終評價值;k為加權系數,本文k=1;bj為綜合評價矩陣B中的矢量,j=1,2,3,…,n。

根據鄭州市2014～2017年6項空氣質量相關指標的數據,采用上述步驟,利用MATLAB編程計算得到了鄭州市2014～2017年及2017年四季模糊綜合評判結果,如表6和表7所示。

表6 鄭州市2014～2017年空氣質量模糊綜合評價結果

表7 鄭州市2017年四季空氣質量模糊綜合評價結果

2 結果與分析

2.1 鄭州市空氣質量的年際變化特征

根據上文所述方法,計算得到了鄭州市2014～2017年空氣質量各污染物的權重值(表4),并對采用單因子、雙因子兩種方法計算得到的結果進行了比較。由圖1可以看出,不同污染物對空氣質量的權重有著顯著差異，無論是采用單因子法還是雙因子法, PM2.5的權重均最大,其次為PM10和NO2,說明鄭州市的主要空氣污染物為PM2.5、PM10、NO2。因此,有關部門需加強管理，控制顆粒物的排放。另外,2014～2017年,鄭州市O3和NO2的權重逐年上升且上升幅度較大,說明這幾年臭氧和氮氧化物的污染愈加嚴重。近年來,空氣污染因子的結構發生了一定變化,但影響鄭州市空氣質量的最主要因素始終是PM2.5和PM10。兩種方法所得的結論具有一致性,說明兩種方法均適用于鄭州市環境空氣質量的評價。

a:采用單因子法; b:采用雙因子法。

如圖2所示,通過雙因子法計算得到的2014～2017年鄭州市PM2.5的權重遠高于單因子法,而NO2對空氣質量的權重卻有所降低。這主要是因為利用雙因子法時,將毒性指數引入了評價體系,且在6種污染物中,PM2.5的毒性最強。說明雙因子法綜合考慮了各污染物對生態環境的危害程度,避免了單因子法僅靠濃度值所引起的誤差,是一種更全面更客觀的空氣質量評價方法。

圖2 采用單、雙因子法計算的鄭州市2014～2017年PM2.5與NO2的權重值

鄭州市2014～2017年空氣質量綜合評價結果如表6所示,空氣質量評價結果為Ⅲ級,屬于中度污染水平;而且利用單、雙因子法所得的評價結果一致,說明兩種方法在空氣質量評價研究中均是適用的。圖3為2014～2017年鄭州市空氣質量的最終評價值,從中可以看出，無論是采用單因子法還是雙因子法,2014～2017年的最終評價值均呈現波動減小的趨勢,這說明鄭州市的空氣污染治理效果顯著,鄭州市的環境空氣質量正在逐步好轉。

圖3 2014～2017年鄭州市空氣質量的最終評價值

2.2 鄭州市空氣質量的季節變化特征

鄭州市2017年四季的空氣質量最終評價值如圖4所示,空氣質量的季節性變化顯著。兩種方法的評價結果均為：夏季的空氣質量最好；其次為春季和秋季;冬季的空氣質量最差。

由表5可知, PM2.5和O3的權重值季節性差異最明顯。其中,隨著季節變化,空氣質量狀況與PM2.5的權重值呈現正相關;而與O3呈現負相關,即O3的權重值在夏季達到一年當中的峰值,這說明鄭州市夏季O3污染嚴重。鄭州市相關部門在治理空氣污染時,需考慮空氣質量與各種污染物的季節性差異,以改善整體空氣質量。

圖4 鄭州市2017年四季空氣質量的最終評價值

如圖5所示,在2017年冬季,鄭州市PM2.5的權重值所占比重最大,其次是PM10和NO2,尤其是通過雙因子法計算得到的PM2.5的權重值高達61.6%,表明鄭州市冬季的主要空氣污染物為PM2.5。同時,進一步說明,雙權重模型將污染物的毒性程度納入評價體系,是一種更客觀、更全面的空氣質量評價方法。

a.采用單因子法；b.采用雙因子法。

3 結論與討論

通過單因子法與雙因子法計算得到的2014～2017年鄭州市主要空氣污染物均為PM2.5、PM10和NO2,空氣質量評價結果具有一致性,說明兩種方法均適用于環境空氣質量評價。PM2.5所占的權重最大,說明相關部門需重點控制顆粒物的排放。

根據最大隸屬度原則,2014～2017年鄭州市空氣質量均為Ⅲ級,且呈現逐年好轉的趨勢,說明政府治理空氣污染頗有成效。2014～2017年,鄭州市空氣質量季節性變化特征明顯,即夏季空氣質量最好,冬季最差,冬季評價結果均為Ⅳ級,屬于重度污染水平。不同污染物的季節性變化特征同樣顯著,與其他幾種污染物不同,O3在夏季達到峰值。

通過雙因子法計算得到的2017年鄭州市PM2.5和NO2的權重分別約是單因子法的1.9倍和0.5倍,這主要是由PM2.5的毒性最強造成的。雙因子評價法跟傳統的超標賦權單因子法相比,綜合考慮了各個污染物對生態環境的危害程度,是一種更全面更客觀的空氣質量評價方法。