基于模糊綜合評價法的湖南省空氣質(zhì)量評價

李 婷，楊 煉，崔上書

(湖南人文科技學(xué)院數(shù)學(xué)與金融學(xué)院，湖南 婁底 417000)

0 引言

關(guān)于空氣質(zhì)量綜合評價，國內(nèi)外許多學(xué)者對其進行了研究與分析。羅運成通過模糊綜合評價方法對中國10個重點城市進行了空氣質(zhì)量綜合評價，發(fā)現(xiàn)對西安空氣質(zhì)量影響最大的污染物是PM10，對上海、杭州、成都空氣質(zhì)量影響最大的污染物是NO2，其余城市空氣質(zhì)量首要污染物是PM2.5[1]。劉杰等通過BP和RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得出了城市空氣質(zhì)量評價結(jié)果[2]。王文寅等通過熵權(quán)TOPSIS法，得到了20個主要城市的空氣質(zhì)量排名，發(fā)現(xiàn)對這些城市空氣質(zhì)量影響最大的主要污染物是SO2、CO、PM2.5[3]。徐衛(wèi)國等運用灰色關(guān)聯(lián)分析法研究了杭州市的空氣質(zhì)量等級，發(fā)現(xiàn)其主要污染物是PM10[4]。張茹等通過層次分析法和主成分分析法對大氣檢測數(shù)據(jù)進行了對比研究[5]。張肖一運用灰色聚類模型對北京市的空氣質(zhì)量進行了研究，得到北京市2000-2007年空氣質(zhì)量為Ⅲ級，2008年以后均為Ⅱ級，空氣質(zhì)量在逐漸提高[6]。劉萍運用主成分分析法對昆明市的空氣質(zhì)量進行了分析，得到影響昆明市環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染物為顆粒物和NO2[7]。胡軍[8]等運用了PROMETHEE方法，結(jié)合國家空氣質(zhì)量評級標(biāo)準(zhǔn)，對北京、哈爾濱、上海、合肥、烏魯木齊、海口、重慶、拉薩8個樣本城市的空氣質(zhì)量進行了綜合評價。

通過以上文獻可知，空氣質(zhì)量研究方法和影響空氣質(zhì)量的污染物多種多樣，采用模糊綜合評價法，建立了模糊關(guān)系矩陣與權(quán)重集，進行模糊綜合評判，對湖南省2020年4個季度的空氣質(zhì)量進行了客觀評價與分析。

1 湖南省空氣質(zhì)量研究——模糊綜合評價法

1.1 確定因素集

根據(jù)最新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)[9]可知，在空氣質(zhì)量中起主要影響力的成分因子有SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10、O3等，在本次空氣質(zhì)量評價中，設(shè)因素集為：

U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}

U中分別為污染物SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10、O3的濃度。

將中國環(huán)境空氣在線檢測平臺上湖南省13個地級市2020年每天的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)平均值作為空氣質(zhì)量評價的基本數(shù)據(jù)，對每個季度的污染物SO2，NO2，CO，PM2.5、PM10、O3的濃度取平均值處理，得到各個評價因子的季度數(shù)據(jù)，具體見表1。

表1 2020年湖南省主要空氣污染物濃度值 (ug/m3)

1.2 確定評語集

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663-2013)和中國環(huán)境空氣在線檢測平臺[10]上檢測出的污染物濃度實際情況，設(shè)評語集為：

V={v1,v2,v3,v4}

Ⅴ中分別為空氣質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)4個等級，Ⅰ(優(yōu))、Ⅱ(良)、Ⅲ(輕度污染)、Ⅳ(中度污染)，具體見表2。

表2 環(huán)境空氣質(zhì)量等級及其對應(yīng)污染物的濃度限值 (ug/m3)

1.3 建立模糊關(guān)系矩陣

使用降半階梯形隸屬度函數(shù)，建立出評價因子對空氣質(zhì)量評價等級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬函數(shù)rij，從而建立出空氣質(zhì)量的模糊關(guān)系矩陣R=[rij]，其中，隸屬度的計算公式[11-12]如下：

當(dāng)j=Ⅰ時，

(1)

當(dāng)j=Ⅱ、Ⅲ時，

(2)

當(dāng)j=Ⅳ時，

(3)

其中，i表示的是空氣質(zhì)量評價因子i=1,2,…,6，j表示空氣質(zhì)量評價等級，j=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，Sij表示的是第i個評價因子在第j級時對應(yīng)污染物的濃度限值；xi表示的是第i個評價因子對應(yīng)的實際季度數(shù)據(jù)；rij表示的是第i個評價因子在第j級時的隸屬度。

根據(jù)隸屬度的計算公式(1)～(3)，把湖南省2020年每個季度的污染物濃度取平均值處理，代入對應(yīng)的隸屬度計算公式中，即可建立出空氣質(zhì)量的模糊關(guān)系矩陣R=[rij]，即每個評價因子對空氣質(zhì)量評價等級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，具體數(shù)據(jù)如下：

1.4 建立權(quán)重集

每個評價因子對空氣質(zhì)量的影響都存在差異，對空氣質(zhì)量評價結(jié)果的影響也各不相同，所以要考慮每個評價因子在空氣質(zhì)量評價中所占的權(quán)重，采用超標(biāo)加權(quán)法來計算每個評價因子的權(quán)重，通過歸一化方法處理[13]，得到權(quán)重集A={a1,a2,…,a6}，其中權(quán)重系數(shù)的計算公式如下：

在該權(quán)重系數(shù)公式中，ai表示評價因子的權(quán)重，m表示評價因子的個數(shù)，Si表示空氣質(zhì)量等級及其對應(yīng)評價因子的濃度限值的平均值，Ci表示標(biāo)準(zhǔn)的實測值。

把對應(yīng)的數(shù)據(jù)代入權(quán)重系數(shù)公式中，得權(quán)重集如下所示：

A1季度=[0.035 47,0.191 50,0.084 51,0.322 05,0.212 74,0.153 73]

A2季度=[0.053 97,0.201 05,0.070 14,0.224 12,0.196 90,0.253 82]

A3季度=[0.059 22,0.190 13,0.083 72,0.201 76,0.176 78,0.288 39]

A4季度=[0.042 40,0.223 22,0.063 10,0.308 90,0.227 44,0.134 94]

1.5 模糊綜合評判

根據(jù)模糊關(guān)系矩陣和權(quán)重集的計算結(jié)果，運用Matlab進行矩陣合成運算得：

A1季度°R1季度=[0.600 3,0.350 7,0.049 0,0]

A2季度°R2季度=[0.814 8,0.185 2,0,0]

A3季度°R3季度=[0.945 8,0.054 2,0,0]

A4季度°R4季度=[0.339 4,0.513 8,0.146 8,0]

2 結(jié)果分析

由每個季度中各個評價因子的權(quán)重集可以看出，2020年湖南省第1季度空氣中的主要污染物為PM2.5，其次依次為PM10、NO2、O3、CO、SO2；第2季度空氣中的主要污染物為O3，其次依次為PM2.5、NO2、PM10、CO、SO2；第3季度空氣中的主要污染物為O3，其次依次為PM2.5、NO2、PM10、CO、SO2；第4季度空氣中的主要污染物為PM2.5，其次依次為PM10、NO2、O3、CO、SO2。

根據(jù)模糊綜合評判結(jié)果可以得到，2020年湖南省在第1、2、3季度的空氣質(zhì)量等級為Ⅰ(優(yōu))，第4季度的空氣質(zhì)量等級為Ⅱ(良)，4個季度空氣質(zhì)量由好到差的排列順序依次為第3、2、1、4季度。

3 結(jié)語

由模糊綜合評判數(shù)據(jù)結(jié)果可知，湖南省空氣質(zhì)量整體較好，其中第1、2、3季度的空氣質(zhì)量為優(yōu)，第4季度的空氣質(zhì)量為良，根據(jù)湖南省空氣質(zhì)量中的主要污染物SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10、O3進行分析運算，由各季度評價因子的權(quán)重集可知，對湖南省空氣質(zhì)量影響較大的三種污染物是PM2.5、O3、PM10。想要提高湖南省空氣質(zhì)量，可以對PM2.5、O3、PM10的排放采取有效的處理措施。