基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的河北省大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

劉張強(qiáng)，馬民濤，樸錦泉

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124)

1 前言

近些年來，河北省經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，隨現(xiàn)代化、工業(yè)化進(jìn)程，人民生活水平日益提高;同時(shí)伴隨的環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重，其中大氣污染最引人關(guān)注。

大氣中主要污染物有二氧化硫 (SO2)、二氧化氮 (NO2)和可吸入顆粒物 (PM10);這些污染物對(duì)人體健康的危害已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注;相關(guān)研究顯示，硫氧化物主要損傷和危害呼吸系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)導(dǎo)致呼吸衰竭，甚至過早死亡［1，2］;氮氧化物同樣對(duì)人體健康造成極大威脅。國內(nèi)許多研究者對(duì)我國城市大氣污染狀況曾進(jìn)行了多方面的研究，王紅芳等［3］運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和方法建立了西安市大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，客觀評(píng)價(jià)了西安市不同功能區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量等級(jí)。卓倩［4］等采用層次分析法對(duì)福州市2001～2008年的大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明福州市大氣環(huán)境質(zhì)量2001～2008年整體呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。樊敏［5］等運(yùn)用灰色理論模型對(duì)廈門市大氣環(huán)境質(zhì)量的變化趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)2008～2010年廈門市SO2、NO2和PM10濃度年均值均呈上升趨勢(shì)，與環(huán)保權(quán)威部門公布的數(shù)據(jù)較好的吻合。雖然上述方法在大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用，但仍存在不足之處。如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)作者計(jì)算機(jī)水平要求較高，不便推廣。層次分析法標(biāo)度工作量太大，易導(dǎo)致判斷混亂?；疑碚撃Ｐ腿菀壮霈F(xiàn)分辨率不夠的情況。大氣環(huán)境是一多因素耦合復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，并受多種因素控制。模糊綜合評(píng)價(jià)法是從系統(tǒng)角度出發(fā)，對(duì)多因素綜合效應(yīng)進(jìn)行宏觀評(píng)價(jià)的有效方法。其特點(diǎn)是只利用較少的數(shù)據(jù)，就可提取系統(tǒng)宏觀定性至半定量的內(nèi)部隱含信息;其評(píng)價(jià)對(duì)象更適合于較大區(qū)域、較長時(shí)間變化的系統(tǒng)。既可以客觀地反映污染因子共同作用下的大氣環(huán)境狀況，又能突出主要污染因子和評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬程度［6］。因此，本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)河北省大氣質(zhì)量狀況進(jìn)行總體綜合評(píng)價(jià)。保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確及客觀性。

2 研究區(qū)域概況

河北省位于東經(jīng) 113°04″～ 119°53″，北緯 36°01″～42°37″，地處華北，黃河下游以北，全省面積為18.77x104km2，人口6744 x104。河北屬溫帶季風(fēng)氣候——暖溫帶、半濕潤——半干旱大陸性季風(fēng)氣候。地勢(shì)西北高、東南低。地貌復(fù)雜多樣。全省現(xiàn)設(shè)石家莊、唐山、邯鄲、秦皇島、保定、張家口、承德、廊坊、滄州、衡水、邢臺(tái)共11個(gè)地級(jí)市。市下轄172個(gè)縣 (市、區(qū))，其中23個(gè)縣級(jí)市、115個(gè)縣、34個(gè)市轄區(qū)。

3 數(shù)據(jù)來源與分析

圖1 2003～2012年河北省大氣主要污染物變化曲線Fig.1 The curves of the main atmospheric pollutants in Hebei province in 2003～2012

圖2 2003～2012年河北省煤炭消費(fèi)總量變化曲線Fig.2 The curves of coal consumption in Hebei province in 2003～2012

由圖1分析可知，10年來河北省大氣環(huán)境質(zhì)量總體狀況好轉(zhuǎn)，全省大氣中主要污染物濃度均呈下降趨勢(shì);NO2下降趨勢(shì)較緩慢，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài);PM10除在2006年有所波動(dòng)外，整體呈較快下降趨勢(shì);SO2呈現(xiàn)出的下降速度最快、幅度也最大。說明河北省對(duì)SO2的控制力逐年加強(qiáng)，使得其在大氣環(huán)境好轉(zhuǎn)中貢獻(xiàn)最大。

區(qū)域大氣中的SO2、NO2和PM10來源很廣，但它們主要來源仍是燃料燃燒。因此，對(duì)于大氣中SO2、NO2和PM10污染的討論應(yīng)該適當(dāng)考慮煤炭消費(fèi)量因素。由圖2可知，10年來，河北省煤炭消費(fèi)總量不斷上升，而大氣中主要污染物卻呈下降趨勢(shì)，其原因有:

(1)SO2年均濃度下降速度最快、幅度最大，說明河北省在近10年間為改善大氣SO2污染做出了巨大努力;經(jīng)實(shí)施取締燃燒不充分的中小型鍋爐，對(duì)污染較重的大型工業(yè)企業(yè)加大治理燃煤型污染，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)污染排放標(biāo)準(zhǔn)等一系列積極有效措施，使得河北省大氣中SO2污染狀況得到明顯改善。

(2)NO2年平均濃度一直保持在相對(duì)平衡狀態(tài)下呈緩慢下降，說明河北省近年來在對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣排放管理方面取得一定成效。

(3)PM10濃度變化存在波動(dòng)，但是波動(dòng)幅度不大，這說明河北省對(duì)生活、生產(chǎn)中污染物排放狀況還沒有得到徹底管控;近年來區(qū)域性霧霾的加重，PM10是原兇。

4 大氣環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文據(jù)國家環(huán)保局頒發(fā)的《環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)規(guī)范 (大氣和廢氣部分)》［7］規(guī)定制定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。

表1 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)濃度限值Tab.1 The concentration limit of ambient air quality standard

4.2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型與方法

4.2.1 因素集和評(píng)價(jià)集的建立

易非這樣想著時(shí)，就不由自主起來了，反正冷，反正睡不著，不如起來活動(dòng)一下，反而會(huì)暖和些。可當(dāng)她穿好衣服時(shí)，她就毫不猶豫地向著青梅居的方向去了，一刻也不曾猶豫，仿佛她起來就是為了到那棟房子里去。

本文所采用的模糊綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型中的因素集為:U={u1，u2，…，um}

式中:ui為參與評(píng)價(jià)的污染物因子(i=1，2，…，m);本文中 U={PM10，SO2，NO2};本文所采用的模糊綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型中的評(píng)價(jià)集為:

V={v1，v2，…，vn}

式中:vj是各個(gè)污染因子相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的集合(j=1，2，…，n);本文中V={表1中的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ}

4.2.2 隸屬函數(shù)和模糊關(guān)系矩陣的建立

隸屬度是描述污染物因子與各污染等級(jí)間相關(guān)程度的參數(shù)。據(jù)各污染物實(shí)測(cè)值和各級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可算出各污染物相對(duì)應(yīng)的污染等級(jí)隸屬度。計(jì)算隸屬度時(shí)采用“降半階梯型”隸屬度函數(shù)。質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給出3種指標(biāo)形式，對(duì)應(yīng)3種不同隸屬函數(shù)的數(shù)學(xué)模型如下:

式中:i表示各個(gè)污染因子;

j表示每個(gè)評(píng)價(jià)年份;

k表示各級(jí)大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(表1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí));

將各年 SO2、NO2、PM10年均濃度值(xi)和各級(jí)濃度標(biāo)準(zhǔn)(sik)分別代入上述3個(gè)公式，得到模糊關(guān)系矩陣Rj。

式中:rik…表示第i個(gè)因素對(duì)第k評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度;其中 i=(1，2，…，m);k=(1，2，…，n)。

這樣，相應(yīng)的(ri1，ri2，…，rin)就成為第 i個(gè)因素的評(píng)判模糊子集。多因素評(píng)判模糊子集可構(gòu)成模糊評(píng)判矩陣。

4.2.3 權(quán)重矩陣B的建立

本文采用超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法，并將權(quán)值歸一化，這樣既反應(yīng)各因子重要程度，又考慮不同污染因子標(biāo)準(zhǔn)差異。計(jì)算公式如下:

式中:si為各主要污染物各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的平均值;

bij為2003～2012年第j年的第 i種污染物權(quán)重;計(jì)算后，組成權(quán)重矩陣 Bj=bj1，bj2，…，bjm)，如表2所示。

表2 2003～2012年河北省單項(xiàng)污染因子權(quán)重Tab.2 The single pollution index weights in Hebei province in 2003～2012

從表2分析可知，2003～2008年間，影響河北省大氣環(huán)境質(zhì)量主要污染因子是SO2，權(quán)重分別為 0.524、0.471、0.432、0.394、0.384、0.372;2009年開始PM10成為影響大氣主要污染物，權(quán)重分別為 0.380、0.373、0.377、0.380。由此表明，河北省近十年來處理和控制SO2排放技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但在水泥、鋼鐵、煤炭等工業(yè)、企業(yè)不斷發(fā)展過程中，控制和處理PM10排放是河北省在環(huán)保方面的一項(xiàng)重要任務(wù)。

4.2.4 模糊綜合評(píng)價(jià)輸出矩陣A的建立及評(píng)價(jià)

當(dāng)確定單因子評(píng)判矩陣R和權(quán)重集B后，利用R和B的復(fù)合運(yùn)算得出模糊綜合評(píng)價(jià)輸出矩陣A=B·R，算法與普通矩陣類似，只將矩陣乘法運(yùn)算中的加號(hào)“+”改為“∨”，將乘號(hào)改為“∧”，“∨”的意義是取加數(shù)中最大者為“和”，“∧”的意義為取相乘兩數(shù)較小者為“積”。然后進(jìn)行歸一化處理。模糊評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣實(shí)際上是一個(gè)一維向量;它包含n個(gè)元素，依據(jù)最大隸屬度原則，可由結(jié)果矩陣得出評(píng)價(jià)對(duì)象的污染等級(jí)，即結(jié)果矩陣n個(gè)元素與n個(gè)污染等級(jí)相對(duì)應(yīng)，結(jié)果矩陣n個(gè)元素中數(shù)值最大者，評(píng)價(jià)對(duì)象的污染等級(jí)就與之相對(duì)應(yīng)。

經(jīng)對(duì)表3給出的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析表明:近10年來河北省大氣環(huán)境質(zhì)量由中度污染向輕度污染過渡，大氣環(huán)境質(zhì)量狀況逐年好轉(zhuǎn);該結(jié)果與河北省環(huán)保部門公布的結(jié)果較好的吻合，說明運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是切實(shí)可行的，也說明近10年來河北省在改善大氣環(huán)境質(zhì)量方面已做出大量切實(shí)有效的工作。

表3 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 The results of fuzzy comprehensive evaluation

5 結(jié)論

模糊綜合評(píng)價(jià)方法較適合針對(duì)大區(qū)域多年少量數(shù)據(jù)進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。該方法對(duì)污染因子權(quán)重大小的判斷是根據(jù)實(shí)測(cè)值與污染因子標(biāo)準(zhǔn)值比較確定的，不僅考慮到了污染因子的綜合作用，還考慮了高濃度污染因子作用;最終結(jié)果同時(shí)反映了大氣的污染級(jí)別以及各種污染物的隸屬情況。但該方法也存在計(jì)算復(fù)雜，且當(dāng)指標(biāo)集較大時(shí)，相對(duì)隸屬度權(quán)系數(shù)往往偏小，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)超模糊現(xiàn)象，無法區(qū)分誰的隸屬度更高等一些缺點(diǎn)。

河北省大氣環(huán)境質(zhì)量在2003～2012年間的變化表現(xiàn)為，各主要污染物總體均呈下降趨勢(shì)，且SO2下降速度最快、幅度最大;主要污染因子權(quán)重，2008年前以SO2為主，2008年之后逐漸轉(zhuǎn)向以PM10為主，PM10權(quán)重逐漸上升，NO2權(quán)重雖然一直沒有排在第一位，但其權(quán)重10年間一直呈緩慢上升趨勢(shì)。

河北省對(duì)SO2污染雖已取得顯著成效，但PM10、NO2污染形勢(shì)嚴(yán)峻。今后除要繼續(xù)加大對(duì)工業(yè)、企業(yè)產(chǎn)生燃煤管控外，對(duì)區(qū)域性PM10、NO2管控任務(wù)更為艱巨。

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