呼和浩特市大氣環(huán)境質(zhì)量模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)

任守紅，高運(yùn)保

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

隨著我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市能源消耗和機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)增加，導(dǎo)致我國城市空氣環(huán)境質(zhì)量日益惡化，特別是近年來大規(guī)模霧霾天氣頻發(fā)，惡劣的城市大氣污染狀況已經(jīng)嚴(yán)重影響到人們的身心健康和生活品質(zhì)，成為困擾部分城市的主要環(huán)境問題[1-4]。大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)作為正確認(rèn)識大氣污染現(xiàn)狀、分析預(yù)測大氣污染趨勢的重要方式，是根據(jù)不同的目的和方法，選取若干大氣環(huán)境評價(jià)因子，在大氣環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，用一定的評價(jià)方法對選定區(qū)域某段時(shí)間內(nèi)大氣環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣進(jìn)行定性或定量評估[5]，從而為有效開展大氣污染防治工作提供科學(xué)依據(jù)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者采用多種評價(jià)方法對大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)進(jìn)行了大量的研究，常用的評價(jià)方法包括：層次分析法，主成分分析法，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，空氣質(zhì)量指數(shù)法，灰色聚類法和模糊綜合評價(jià)法[6-8]。鄭健[9]針對烏魯木齊市2001-2011年期間的大氣環(huán)境質(zhì)量運(yùn)用層次分析法進(jìn)行了分析與綜合評價(jià)。王興[10]、卜鵬[11]、商博[12]利用主成分分析法分別對天津市、南通市和山東省某市的大氣環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行評價(jià)研究。王琨[13]使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對森林地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)問題進(jìn)行研究，并驗(yàn)證了模型的實(shí)用性和可靠性。劉杰[14]分別利用空氣質(zhì)量指數(shù)法和灰色聚類法評價(jià)了2013年北京市停暖前后的大氣環(huán)境質(zhì)量狀況，結(jié)果表明：在直觀評價(jià)空氣質(zhì)量時(shí)應(yīng)選擇空氣質(zhì)量指數(shù)法，判斷污染指標(biāo)對空氣質(zhì)量等級的靠近程度時(shí)應(yīng)使用灰色聚類法。Zhou[15]對廣州市2000-2005年期間的大氣環(huán)境質(zhì)量運(yùn)用空氣質(zhì)量指數(shù)評價(jià)法和污染負(fù)荷分析法進(jìn)行了分析和評價(jià)研究。張?jiān)坪16]、安景文[17]利用灰色聚類關(guān)聯(lián)分析法分別評價(jià)了沈陽市和貴陽市的大氣環(huán)境質(zhì)量狀況。高明美[18]、鄭健[19]、王晨[20]、呂鈴鑰[21]先后利用模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法對城市大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

鑒于影響大氣環(huán)境質(zhì)量的因素較為復(fù)雜，且大氣環(huán)境質(zhì)量本身具有明顯的模糊性和隨機(jī)性，而模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法不僅能夠很好的克服評價(jià)邊界隸屬模糊的影響，還能夠消除環(huán)境質(zhì)量等級劃分過程中主觀因素，可以全面客觀的反映評價(jià)區(qū)域特定時(shí)間段內(nèi)的大氣環(huán)境質(zhì)量。因此，本文利用模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法，對呼和浩特市2014-2020 年期間的大氣環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行綜合評價(jià)，找出當(dāng)前影響大氣環(huán)境質(zhì)量的主要污染因子，從而為呼和浩特市大氣污染防治和相關(guān)政策法規(guī)的制定提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文從中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺獲取呼和浩特市區(qū)2014-2020 年期間的大氣污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）[22]選擇PM2.5，PM10，SO2，NO2的年平均監(jiān)測濃度，O38 小時(shí)平均第90 百分位數(shù)濃度，CO 日均第95 百分位數(shù)濃度作為評價(jià)指標(biāo)，2014-2020 年呼和浩特市區(qū)6個(gè)大氣污染物濃度監(jiān)測值如表1所示。

表1 呼和浩特市2014-2020年主要大氣污染物年均濃度監(jiān)測值（單位：mg/m3）

由表1 數(shù)據(jù)可知，呼和浩特市區(qū)2014-2020年間大氣污染物年均濃度變化趨勢如圖1所示，從圖1 和表1 中可知，PM10，SO2，CO，NO2年均濃度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，2020年相較于2014 年其濃度分別下降了31.9%、71.7%、48.7%、27.7%，PM2.5年均濃度波動(dòng)幅度并不明顯，O3濃度則表現(xiàn)出明顯上升趨勢，2020 年相較于2014 年上升了37.3%。由此說明呼和浩特市區(qū)空氣環(huán)境質(zhì)量正在逐年向好，但O3濃度上升也應(yīng)引起足夠警惕。

圖1 呼和浩特市2014-2020年主要大氣污染物年均濃度變化趨勢圖

為了更好的開展大氣環(huán)境質(zhì)量客觀評價(jià)，結(jié)合實(shí)際情況對《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）中的評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改和補(bǔ)充，將原有的兩個(gè)評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充至五個(gè)，具體見表2[21]，建立大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)等級集合V={優(yōu)，良好，輕度污染，中度污染，重度污染}。

表2 大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.2 研究方法

模糊綜合評價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評價(jià)方法，能夠應(yīng)用隸屬度理論把定性評價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評價(jià)，解決大氣環(huán)境系統(tǒng)中各污染因子間的不確定性和模糊性，在客觀評價(jià)大氣污染狀況，預(yù)測大氣污染發(fā)展趨勢方面具有重要意義，其基本步驟如下[23]：

由于各大氣污染因子對大氣環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)度存在差別，因此需要根據(jù)各污染因子的貢獻(xiàn)度分別對各污染因子賦予不同的權(quán)重。在進(jìn)行大氣環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)時(shí)常用的賦權(quán)方法包括：專家打分法，超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法和層次分析法[24-25]。本文采用超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法，其作為一種主因素突出型的賦權(quán)方法，能夠突出主要污染因子對大氣環(huán)境質(zhì)量的影響，又充分考慮不同污染物標(biāo)準(zhǔn)值的數(shù)值差異，計(jì)算較為簡單，其公式為：

式中：ωi為第i個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重值；xi為第i評價(jià)因子的實(shí)際監(jiān)測值；Si為第i個(gè)評價(jià)因子各評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)的平均值。

（4）構(gòu)建評價(jià)因子與評價(jià)等級間的模糊關(guān)系評判矩陣R=(rij)。

本文利用降半階梯形隸屬度函數(shù)計(jì)算評價(jià)因子相對每級評價(jià)等級的隸屬度rij，從而構(gòu)建模糊關(guān)系評判矩陣R=(rij)，隸屬度計(jì)算公式如下：

當(dāng)j=1時(shí)，

當(dāng)j=2,3···，m-1=時(shí),

當(dāng)j=m時(shí)，

式中：rij為第i個(gè)評價(jià)因子對于第j級的隸屬度；xi為第i個(gè)評價(jià)因子的實(shí)際監(jiān)測值；Sij為第i個(gè)評價(jià)因子的第j級評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)值。

（5）模糊關(guān)系評判矩陣和權(quán)重的合成，計(jì)算模糊綜合評價(jià)矩陣C，并得出評價(jià)結(jié)論。

經(jīng)過以上計(jì)算得到評價(jià)因子的權(quán)重W和模糊關(guān)系評判矩陣R，利用加權(quán)平均法對其進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，得到模糊綜合評價(jià)矩陣C,其計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 確定評價(jià)因子權(quán)重

按照上述方法，根據(jù)超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法公式（1）計(jì)算呼和浩特市2014-2020 年間各評價(jià)因子的權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 呼和浩特市2014-2020年主要評價(jià)因子的權(quán)重結(jié)果

根據(jù)表3 可知，2014-2020 年間呼和浩特市大氣環(huán)境污染物主要是NO2、PM10和PM2.5，除了2015 年P(guān)M10權(quán)重高于NO2權(quán)重成為當(dāng)年首要污染物之外，其它年份NO2權(quán)重值均居于首位成為首要污染物，PM10權(quán)重值次之。PM2.5權(quán)重除了2018 年低于O3權(quán)重外，其它年份均排在第三位。三種主要大氣污染物對大氣環(huán)境質(zhì)量的污染貢獻(xiàn)率達(dá)到65%～68.7%，總體來說呼和浩特市大氣環(huán)境污染呈現(xiàn)煤煙型和機(jī)動(dòng)車尾氣復(fù)合型特征，由此可見控制NO2和可吸入顆粒物的排放是改善呼和浩特市大氣環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵所在。NO2權(quán)重高主要是大氣環(huán)境質(zhì)量受機(jī)動(dòng)車尾氣影響較大造成的，這與近年來呼和浩特市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，汽車保有量急劇增加導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車尾氣排放量持續(xù)增加有直接關(guān)系。PM2.5和PM10來源較復(fù)雜，主要來源于供熱季燃煤，工業(yè)排放、機(jī)動(dòng)車尾氣、道路和施工揚(yáng)塵。2014-2020年間大氣污染物權(quán)重變化趨勢如圖2 所示，由圖2 知，這7 年間NO2權(quán)重呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，PM10、SO2和CO 權(quán)重在逐漸下降，其中PM10權(quán)重下降緩慢，SO2和CO 權(quán)重則快速下降，說明“十三五”期間呼和浩特市大氣環(huán)境質(zhì)量持續(xù)好轉(zhuǎn)，散煤治理、燃煤鍋爐超標(biāo)排放治理和煤改氣等政策措施已經(jīng)持續(xù)發(fā)力并顯現(xiàn)成效。但是PM2.5和O3權(quán)重逐漸增大，尤其是O3權(quán)重值2020 年相較于2014 年權(quán)重增大了1.9 倍，2018 年O3權(quán)重值更是排在第三位，由此可見O3正在快速成為呼和浩特市新的重要污染物，應(yīng)該引起足夠的重視。O3權(quán)重的快速增加主要是由于近年來機(jī)動(dòng)車尾氣和工業(yè)排放的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物濃度不斷上升，并在紫外線的照射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生O3造成的。

圖2 呼和浩特市2014-2020年主要評價(jià)因子的權(quán)重變化趨勢圖

2.2 確定模糊關(guān)系評判矩陣R

利用降半階梯形隸屬度函數(shù)公式（2-4）計(jì)算各評價(jià)因子相對每級評價(jià)等級的隸屬度，并建立模糊關(guān)系評判矩陣R=(rij)，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 模糊關(guān)系評判矩陣

2.3 確定模糊綜合評價(jià)矩陣

將評價(jià)因子權(quán)重集W和模糊關(guān)系評判矩陣R按照公式（5）進(jìn)行復(fù)合計(jì)算，即可得到模糊綜合評價(jià)矩陣C，并依據(jù)最大隸屬度原則確定大氣環(huán)境質(zhì)量等級，其結(jié)果見表5。

表5 呼和浩特市2014-2020年大氣環(huán)境質(zhì)量模糊綜合評價(jià)結(jié)果

根據(jù)表5 可知，2014-2020 年期間呼和浩特市大氣環(huán)境質(zhì)量均為Ⅱ級良好水平，說明這7 年來呼和浩特市大氣環(huán)境質(zhì)量整體不錯(cuò)，沒有發(fā)生空氣污染狀況。由大氣環(huán)境質(zhì)量等級隸屬度趨勢圖（圖3）可知，Ⅰ級優(yōu)和Ⅱ級良好的隸屬度在逐漸增加，2020 年相對于2014 年分別增加了58.5%和9.6%，Ⅲ級輕度污染的隸屬度在迅速減小，2020 年隸屬度僅為0.062。由此可見，近年來呼和浩特市針對大氣環(huán)境質(zhì)量采取的大量治理措施效果較為顯著，大氣環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)整體好轉(zhuǎn)的趨勢。

圖3 呼和浩特市2014-2020年大氣環(huán)境質(zhì)量等級隸屬度變化趨勢圖

2.4 與其它大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法的比較

為了驗(yàn)證模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法在大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中的可靠性，本文將研究結(jié)果與采用層次分析法所得結(jié)果進(jìn)行對比。按照層次分析法的計(jì)算步驟[9]，認(rèn)為最大權(quán)重對應(yīng)的級別就是大氣環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)等級，其評價(jià)結(jié)果如表6所示。根據(jù)表5和表6可知，采用模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法對呼和浩特市大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)所得結(jié)果與采用層次分析法所得結(jié)果完全一致，因此認(rèn)為采用模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法對大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)所得結(jié)果是可靠的。

表6 呼和浩特市2014-2020年大氣環(huán)境質(zhì)量層次分析評價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論

本文以呼和浩特市2014-2020 年的大氣環(huán)境質(zhì)量作為研究對象，選用PM2.5、PM10、SO2和NO2的年均值，CO 和O3日均值百分位數(shù)作為污染指標(biāo)，并對環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)充建立了大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集，采用模糊綜合評價(jià)法對呼和浩特市大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明：呼和浩特市近7 年來整體大氣環(huán)境質(zhì)量均為良好水平，沒有發(fā)生超過Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)狀況，PM10，SO2，CO，NO2濃度呈現(xiàn)明顯下降趨勢，PM2.5濃度波動(dòng)幅度不明顯，O3濃度則表現(xiàn)出明顯上升趨勢，但并沒有超出Ⅱ級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這說明近年來呼和浩特市大氣環(huán)境質(zhì)量正在逐步好轉(zhuǎn)。但同時(shí)也應(yīng)注意到就單一污染因子來講，除了2018 年外，其它年份PM2.5和PM10年均濃度都超出了Ⅱ級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，O3濃度急劇上升，2020 年相較于2014 年濃度上升了37.3%，權(quán)重值更是增大了1.9倍成為新的重要污染物，因此對于O3也應(yīng)投入更多的關(guān)注。另外，從各污染指標(biāo)的權(quán)重值來看，7年間六種大氣污染物權(quán)重值排在前三位的始終是NO2、PM10和PM2.5（2018年除外），三種主要大氣污染物對大氣環(huán)境質(zhì)量的污染貢獻(xiàn)率達(dá)到65%～68.7%，由此可見改善呼和浩特市大氣環(huán)境質(zhì)量狀況，需要加強(qiáng)對機(jī)動(dòng)車尾氣和工業(yè)污染源排放的監(jiān)督和管理，強(qiáng)化環(huán)境管理工作，減少道路和施工揚(yáng)塵排放，加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐，積極推進(jìn)煤改氣、煤改電工作。