西安市大氣環(huán)境質(zhì)量的模糊數(shù)學(xué)綜合評價＊

呼東峰，王蜀一，張 沛，馬文鵬

（1．陜西省環(huán)境監(jiān)測中心站，西安710054；2．陜西省環(huán)境科學(xué)研究院，西安710061）

城市環(huán)境問題的日益嚴重，是隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生的，它不僅對人們的生存環(huán)境產(chǎn)生直接的影響，也間接地影響到社會生活的其他方面．城市大氣環(huán)境的污染問題，已經(jīng)成為備受民眾關(guān)注的重點和熱點．要對大氣環(huán)境進行有效治理，必須客觀地分析大氣環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀，并對其發(fā)展趨勢進行科學(xué)的分析評價，然后再采取針對性的措施進行控制，從而實現(xiàn)綜合有效地治理．

大氣環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣是影響一個城市環(huán)境好壞的主要因素，評價大氣環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣有多種方法，如環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法［1］、灰色聚類關(guān)聯(lián)分析法［2］、模糊綜合評價法［3-5］和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［6］等．我國大多城市和地區(qū)在對大氣環(huán)境質(zhì)量評價時主要采取各種指數(shù)評價方法［7］，這種方法主要依據(jù)大氣環(huán)境中各個污染因子的濃度，通過不同的數(shù)學(xué)模型進行綜合折算，從而得出環(huán)境質(zhì)量的指數(shù)，然后再與評價的標準進行對比，這種分析方法由于忽略了濃度值間的統(tǒng)計差異性，對比性不是很客觀，對環(huán)境質(zhì)量的好壞沒有完全反映出來［8］．大氣環(huán)境系統(tǒng)比較復(fù)雜，其中包含諸多的污染因子和變量，因此不能用單個因子是來反映大氣環(huán)境的綜合質(zhì)量［9］．在環(huán)境質(zhì)量分析中，污染程度是相對比較模糊的，沒有明確的界限，因此在環(huán)境質(zhì)量分析體系中采取一個簡單的數(shù)值作為污染程度分級標準中的分界線，而這個分界線的兩邊分屬不同的污染級別，是不太科學(xué)的［10］．而模糊數(shù)學(xué)的分析方法能夠適應(yīng)環(huán)境系統(tǒng)中各因子間的模糊性、隨機性和不確定性，能對空氣質(zhì)量進行客觀分析，所以采用模糊數(shù)學(xué)綜合分析法，同時選取超標倍數(shù)賦權(quán)法以確定其權(quán)重、降半階梯形法隸屬度函數(shù)確定其隸屬度、先乘后并的方法復(fù)合運算［11］．這種方法不僅能反應(yīng)不同時空環(huán)境現(xiàn)狀和各污染因子的貢獻值，而且不會因為污染因子種類，使評價過程受到限制，另外，由于各污染因子之間的相互關(guān)系得到充分考慮，從而使評價結(jié)果更加客觀，符合實際．

本文通過分析西安市空氣質(zhì)量監(jiān)測資料及其他資料（包括氣候狀況、地理特征和功能區(qū)規(guī)劃等），考慮到大氣環(huán)境質(zhì)量的不確定性及復(fù)雜性以及分析評價中的評價主體、監(jiān)測資料、評價標準及其他環(huán)境要素的影響，對大氣質(zhì)量評價分析方法進行綜合分析論證，最終選擇模糊數(shù)學(xué)綜合評價法作為西安市不同年度大氣環(huán)境質(zhì)量的評價方法，以期為古都西安在解決大氣污染、建設(shè)生態(tài)西安的行動中提供有科學(xué)價值的參考．

1 研究分析方法

1．1 西安基本情況概述

西安市區(qū)坐落于渭河流域中部關(guān)中盆地，東經(jīng)108．95°和北緯34．267°之間，全市下設(shè)9個區(qū)，分別是新城、碑林、蓮湖、雁塔、未央、灞橋、閻良、臨潼和長安，轄區(qū)東西長約204km，南北寬約116km．總面積為9 983km2，其中市區(qū)面積大約為1 066 km2．西安是陜西省政治、經(jīng)濟、文化的中心，也是西北地區(qū)的中心城市．地處中國陸地版圖中心的西安，是中西部兩大經(jīng)濟區(qū)域的結(jié)合部，是西北通往全國其他各地的必經(jīng)之路．

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，西安也迎來了難得的發(fā)展機遇，形成了以裝備制造業(yè)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、文化產(chǎn)業(yè)、旅游業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)為主的五大支柱產(chǎn)業(yè)，也搭建了高新產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)區(qū)、經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、曲江新區(qū)、浐灞生態(tài)區(qū)、航空高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地、民用航天產(chǎn)業(yè)基地、國際港務(wù)區(qū)和灃渭新區(qū)等八大國家級發(fā)展平臺，這樣的現(xiàn)狀也決定了西安的大氣污染主要排放源為火力發(fā)電、供熱鍋爐和工業(yè)排氣等．

1．2 評價標準和監(jiān)測數(shù)據(jù)

依照國家大氣環(huán)境質(zhì)量標準［12］以及由國家環(huán)保部頒發(fā)的環(huán)境監(jiān)測評價規(guī)范（大氣和廢氣部分 ）必須監(jiān)測項目的規(guī)定，本文選取了總懸浮顆粒（Total Suspended Particulate，TSP）、二 氧 化 硫（SO2）、二氧化氮（NO2）等作為評價因子，采用國家制定的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》GB 3095-1996作為評價分析的標準，見表1，對西安市區(qū)從2001-2010年間的大氣環(huán)境質(zhì)量進行了綜合評價．（所用數(shù)據(jù)來自西安市環(huán)保局的歷年環(huán)境質(zhì)量公報）

大氣污染因子SO2、NO2和TSP分別采用四氯汞鹽吸收-副玫瑰苯胺分光光度法、Saltzma法和重量法進行分析，年均值是每年的日平均濃度的算術(shù)均值，而特征值是年均值的算術(shù)平均值．

表1 大氣環(huán)境質(zhì)量評價標準（GB 3095-1996）（mg·m-3）Tab．1 Ambient air quality standards

1．3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

模糊分析法是依據(jù)選定的評價標準和實測值，經(jīng)過模糊變換后，對事物進行評價的一種方法．需要首先分析評價各單項參數(shù)，再綜合考慮各單項參數(shù)的地位從而配以權(quán)重系數(shù)，然后再利用模糊概念的方法進行推理論證，最后通過計算得出最終結(jié)果［13］．文中通過分析大氣污染評價因子和界定其評價等級的，建立了降半梯形隸屬函數(shù)關(guān)系，運用超標倍數(shù)加權(quán)法計算權(quán)重并通過歸一化處理，建立起加權(quán)平均型大氣環(huán)境質(zhì)量評價的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用于西安主要城區(qū)大氣質(zhì)量評價進行評價，其基本步驟［14］為

1）建立評價對象的因素集，U ＝ ｛u1，u2，u3，…，un｝，在本研究中U ＝ ｛SO2，NO2，TSP｝；

2）建立大氣評價等級，大氣評價等級集合V ＝｛v1，v2，v3，…，vm｝，本文中V ＝ ｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ｝；

3）建立隸屬函數(shù)，用降半梯形分布函數(shù)確定某種因素的隸屬度，表達式為

4）建立模糊分析矩陣，借助隸屬函數(shù)，通過實測值，獲得i個單項指標對j級的隸屬程度，得出i，j矩陣R的表達式為

5）建立權(quán)重矩陣，權(quán)重矩陣A為

A ＝ ［a1，a2，…，an］

6）計算模糊綜合評價結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2．1 污染物隸屬關(guān)系的確定

根據(jù)西安市2001-2010年大氣質(zhì)量監(jiān)測資料和大氣環(huán)境質(zhì)量標準，見表1，計算出西安市這十年的單因子隸屬度，從而建立相關(guān)隸屬度矩陣Ri（i＝1，2，…，10），i表示年度，表達式為

2．2 污染因子權(quán)重集的確定

按照上述的權(quán)重計算方法，經(jīng)過歸一化處理后，建立了歸一化權(quán)重矩陣A，從而可以得到2001-2010年間大氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的權(quán)重集．

2．2．1 污染因子權(quán)重集

污染因子權(quán)重集為Wi（i＝1，2，…，10），i表示年度．權(quán)重因素為wn，n表示三種污染因子，計算結(jié)果見表2，SO2在2001年權(quán)重為0．466 7，隨時間推移污染加重，2006年達到0．916 7，表明2006年SO2污染較為嚴重．十年間NO2權(quán)重增加了0．487 5，到2009年和2010年達到0．862 5．TSP在2001年權(quán)重達到1．355 2，TSP污染嚴重，2001年西安市空氣質(zhì)量為III級，屬于中度污染，說明TSP是制約空氣質(zhì)量優(yōu)劣的主要因素，由于加強了對環(huán)境的管理，TSP污染權(quán)重系數(shù)呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢，2008年和2009年為0．584 5，與2001年相比下降了0．770 7．

表2 西安市2001-2010年大氣污染因子權(quán)重計算結(jié)果Tab．2 Computation of weight of air pollution factors of Xi’an in 2001-2010

2．2．2 歸一化處理污染因子的權(quán)重集

污染因子歸一化處理的權(quán)重集表示為Ai（i＝1，2，…，10），i表示年度．其中Ai的因素表示為an，n為三種污染因子，見表3．2001-2003年，TSP的污染比較嚴重，2001年，污染因子權(quán)重順序為TSP＞SO2＞NO2，而從2004年開始，TSP權(quán)重有所下降，但SO2和NO2權(quán)重有逐年上升趨勢，2009年和2010年，NO2上升為主要污染因素，污染因子權(quán)重順序為NO2＞SO2＞TSP．

表3 西安市2001-2010年大氣污染因子權(quán)重數(shù)據(jù)初始化Tab．3 Initialization of weight of air pollution factors of Xi’an in 2001-2010

2．3 空氣質(zhì)量模糊綜合評價

根據(jù)模糊運算法則，Yi＝Ai·Ri，其中Yi（i＝1，2，…，10）表示年度．應(yīng)用模糊綜合運算對矩陣Ai，Ri進行運算，可以得到各年的綜合大氣質(zhì)量．

依據(jù)最大隸屬度方法對西安市2001-2010年大氣環(huán)境質(zhì)量進行綜合分析，分析結(jié)果為：2001年西安市大氣環(huán)境質(zhì)量總體為中污染（III級），但空氣質(zhì)量在逐年好轉(zhuǎn)，40%的年份為輕污染（II級），西安市5個年份的大氣環(huán)境質(zhì)量為清潔（I級）．2002-2005年連續(xù)四年空氣質(zhì)量達到I級，表明空氣質(zhì)量優(yōu)良，從表4中的隸屬度計算結(jié)果可得出，2003年空氣質(zhì)量為十年評價中最好，I級隸屬度達到0．747 6，2006-2009年，西安市大氣質(zhì)量為Ⅱ級，空氣質(zhì)量屬輕度污染．

表4 西安市2001-2010年空氣質(zhì)量綜合評價結(jié)果Tab．4 Evaluation results of air quality of Xi’an in 2001-2010

3 結(jié) 論

采用模糊數(shù)學(xué)綜合評價法對西安市2001-2010年大氣環(huán)境質(zhì)量進行評價，可得出以下結(jié)論：

1）西安市的空氣質(zhì)量在過去十年間大氣環(huán)境質(zhì)量為清潔即I級5年，中污染即II級4年，重污染即III級1年，但總體來說西安市空氣質(zhì)量在逐年好轉(zhuǎn)；

2）2003年前，總懸浮顆粒是西安市空氣質(zhì)量的主要制約因子，而2004年后，總懸浮顆粒的權(quán)重在逐年下降，而SO2污染在逐年加重；

3）采用模糊數(shù)學(xué)評價法對西安市十年間的大氣環(huán)境質(zhì)量進行評價分析，將會為西安市改善和治理大氣環(huán)境質(zhì)量提供必要的理論依據(jù)；

4）優(yōu)化調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，加強宣傳教育，加強城市建設(shè)管理并大力發(fā)展城市綠化，可以減少總懸浮顆粒以及污染氣體的排放，因此可以有效地改善西安市的大氣環(huán)境質(zhì)量．

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