空氣質(zhì)量的變化趨勢及影響因素分析——以北京市為例

梁銀雙，孫振營，沈啟霞（1.首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)統(tǒng)計學(xué)院，北京100070；.中州大學(xué)信息工程學(xué)院，鄭州450044；.鄭州科技學(xué)院基礎(chǔ)部，鄭州450064）

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空氣質(zhì)量的變化趨勢及影響因素分析
——以北京市為例

梁銀雙1，2，孫振營2，沈啟霞3
（1.首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)統(tǒng)計學(xué)院，北京100070；2.中州大學(xué)信息工程學(xué)院，鄭州450044；3.鄭州科技學(xué)院基礎(chǔ)部，鄭州450064）

摘 要：為對空氣質(zhì)量的變化進(jìn)行合理綜合的評價，進(jìn)而分析空氣質(zhì)量的影響因素，選取大氣主要污染物二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物和一氧化碳為研究因子，利用改進(jìn)的模糊綜合評價方法，將北京市近十年的空氣質(zhì)量進(jìn)行等級評價并排序。結(jié)合空氣質(zhì)量的變化趨勢，從北京市能源消費結(jié)構(gòu)變化的角度，得出石油產(chǎn)品的消耗是加大空氣污染的主要原因，尤其是煤油、汽油的消耗。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量；模糊綜合評價；能源結(jié)構(gòu)；石油消耗

目前我國空氣質(zhì)量采用空氣污染指數(shù)進(jìn)行評價，即API（Air Pollution Index）評價，就是將空氣中的污染物如二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物等的濃度換算為指標(biāo)數(shù)值形式，取數(shù)值最大者作為該區(qū)域的空氣污染指數(shù)API，對空氣污染程度和空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行分級。張琪敏等［1］將API作為研究對象，研究分析了北京、青島、蘭州等10個城市的污染狀況和污染差異；柴微濤等［2］根據(jù)成都市城區(qū)2001—2005年的大氣污染監(jiān)測資料，采用時間序列分析方法，對空氣污染指數(shù)API建立自回歸滑動平均模型模擬實測的空氣污染指數(shù)。

大氣質(zhì)量評價方法除了API指數(shù)法，還有綜合指數(shù)法、灰色聚類分析方法［3－4］等，但將模糊綜合評價方法應(yīng)用到對空氣質(zhì)量的評價還不多見。其實，簡單的模糊變換法也存在不足，這里將簡單模糊變換的結(jié)果等級對應(yīng)的各分值進(jìn)行加權(quán)平均，得到綜合評價分值，可以增強同等級別的可比性。作為應(yīng)用，以北京市為例，對空氣質(zhì)量的變化和影響因素進(jìn)行分析。對北京市空氣質(zhì)量的研究目前已有不少文獻(xiàn)［5－6］，這里首先將北京市近十年的空氣質(zhì)量進(jìn)行排序，將空氣質(zhì)量變化趨勢和能源消費結(jié)構(gòu)變化相結(jié)合，分析當(dāng)前空氣污染的主要原因。從能源角度分析空氣質(zhì)量也已有一些文獻(xiàn)，如李林等［7］從能源利用的角度分析和預(yù)測北京市2008年空氣質(zhì)量。本文利用北京市2004—2013年空氣主要污染物濃度值（見表1），對北京市空氣質(zhì)量做模糊綜合評價。

表1　北京市區(qū)空氣主要污染物年均濃度值　　單位：mg／m3

一、北京市空氣質(zhì)量的變化趨勢

模糊綜合評價法基于模糊數(shù)學(xué)理論，對事物進(jìn)行定量評價，可以對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的綜合評價。該方法非常適合解決各種不確定性問題，是一種解決多因素影響問題的有效的決策方法。模糊綜合評價的具體步驟如下：

1.建立評價指標(biāo)集

影響北京市空氣質(zhì)量的主要污染物為二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物和一氧化碳。選取這4種污染物為研究因子，分別記作u1，u2，u3，u4，則評價因子集為u＝｛u1，u2，u3，u4｝。

2.建立評價集

由于北京市細(xì)顆粒物（PM2.5）的監(jiān)測數(shù)據(jù)于2012年10月1日才率先在全國發(fā)表，沒有往年的數(shù)據(jù)，這里仍采用環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3095－1996和其修改單進(jìn)行樣品分析和評價（見表2），將空氣質(zhì)量分為三級標(biāo)準(zhǔn)，建立評價集v＝｛v1，v2，v3｝。

表2　各項污染物的濃度標(biāo)準(zhǔn)限值表　單位：mg／m3

3.建立模糊關(guān)系矩陣R

對被評價事物從每個因素ui（i＝1，2，3，4）上進(jìn)行量化，即確定其隸屬度（R｜ui），進(jìn)而得到模糊關(guān)系矩陣：

根據(jù)各指標(biāo)的三級標(biāo)準(zhǔn)，建立各因子的隸屬度函數(shù)。對于第i個因子ui（i＝1，2，3，4）的隸屬度函數(shù)（R｜ui）＝（ri1ri2ri3）具體表達(dá)式如下：

第一級空氣質(zhì)量，隸屬函數(shù)為

其中xi代表第i個污染因子的實測值，sij代表第i個污染因子第j（j＝1，2，3）級標(biāo)準(zhǔn)值。

第二級空氣質(zhì)量，隸屬函數(shù)為

第三級空氣質(zhì)量，隸屬函數(shù)為

以2012年二氧化硫u1的污染濃度為例，計算二氧化硫的三級隸屬度。x1＝0.028 mg／m3，s11＝0.02 mg／m3，s12＝0.06 mg／m3，s13＝0.10 mg／m3，代入公式（2）～（4）計算得：

其他污染因子的隸屬度計算方法同上，可得2012年的模糊關(guān)系矩陣為

4.確定因子權(quán)重

根據(jù)污染物對空氣的污染大則權(quán)重大的原則，確定各因子的權(quán)重，計算公式為：

其中，xi代表第i個污染因子的實測值，si代表第i個污染因子的三種標(biāo)準(zhǔn)的平均值。根據(jù)表1數(shù)據(jù)對單因素權(quán)重進(jìn)行歸一化處理，構(gòu)成權(quán)重集A。這里仍以2012年為例，因子權(quán)重集A′＝，歸一化為A＝（0.175 0.291 0.421 0.113）。其他年份的模糊關(guān)系矩陣和因子權(quán)重集作類似計算。

5.進(jìn)行矩陣復(fù)合運算，綜合評價空氣質(zhì)量

將上述得到的因子權(quán)重集A和空氣污染因子對各空氣質(zhì)量等級的隸屬程度的模糊關(guān)系矩陣R，按照空氣質(zhì)量綜合判別模型進(jìn)行復(fù)合運算。其中，綜合判別模型為：

根據(jù)隸屬度最大原則，對每年空氣質(zhì)量等級進(jìn)行評價，結(jié)果見表3。由表3可以看出，2006年和2007年空氣質(zhì)量為三級（較差），2008年和2009年空氣質(zhì)量為一級（較好），其余年份為二級。使用最大隸屬度原則由于損失信息很多，在一些情況下評價結(jié)果并不好。例如雖然2008年空氣質(zhì)量為一級，2012年空氣質(zhì)量為二級，但就一些主要污染物濃度來看，2012年的空氣質(zhì)量要好于2008年。因此，這里提出加權(quán)平均法。

6.對模糊綜合評價結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均處理

將各等級對應(yīng)的分值進(jìn)行加權(quán)平均，得到評價分值，可以增強同等級別的可比性，并且可以將近十年的北京市空氣質(zhì)量進(jìn)行排序。評價得分C的計算公式如下：

C＝0.5b1＋0.3b2＋0.2b3（8）

其中，bj（j＝1，2，3）為各等級的分值，這里給定的0.5，0.3，0.2為各等級對應(yīng)的權(quán)重。因為考慮到一級得分越高則空氣質(zhì)量越好，所以權(quán)重值由大到小。按評價得分由大到小的順序進(jìn)行排列，結(jié)果見表4。

表3　模糊綜合評價結(jié)果

表4　綜合評價結(jié)果

近幾年空氣質(zhì)量排名靠前，但霧霾天氣卻越來越嚴(yán)重（PM2.5的監(jiān)測在2012年才開始，排序結(jié)果沒有考慮PM2.5的影響）。2013年北京市PM2.5年均濃度為89.5mg／m3，超過國家標(biāo)準(zhǔn)156%，PM2.5已成為北京市大氣污染治理的主攻方向。

二、從能源消費結(jié)構(gòu)的角度分析空氣質(zhì)量變化的影響因素

可吸入顆粒物PM10和PM2.5的主要來源包括化石燃料（煤、汽油、煤油、柴油）和生物質(zhì)（秸稈、木柴）等燃燒、道路和建筑施工揚塵、工業(yè)粉塵、餐飲油煙等污染源直接排放的顆粒物，也包括由一次排放出的氣態(tài)污染物（二氧化硫、氮氧化物、氨氣、揮發(fā)性有機物等）轉(zhuǎn)化生成的二次顆粒物。這里討論化石燃料的一次排放對空氣質(zhì)量的影響。

表5　北京市能源消費總量及主要品種　　單位：萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤

北京市能源消費的主要品種分為三大類：煤炭、焦炭等原煤產(chǎn)品，汽油、煤油、柴油等石油產(chǎn)品和天然氣、電力等其他能源。近年來，北京市為改善空氣質(zhì)量，力推能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，能源結(jié)構(gòu)已發(fā)生重要變化（見表5）?？傮w來說，能源消費總量在逐年增加。其中，煤炭、焦炭的消費量在不斷下降；天然氣作為一種清潔能源，其增長速度最快，年均增速達(dá)22.5%；電力的消費量也比較大，保持持續(xù)快速上升的趨勢，并于2008年超過原煤，成為北京市消費量最大的能源。

1.煤炭、焦炭消耗對空氣質(zhì)量的影響

據(jù)測算，在影響北京PM2.5的各種因素中，能源使用因素占近4成。其中，來自使用燃煤的排放約占16.7%，由燃煤帶來的二氧化硫、氮氧化物和粉塵的排放量分別占全市相應(yīng)總排放量的95%，25%，5%。煤炭和焦炭消耗主要影響二氧化硫的排放。結(jié)合表1和表5，可以看出煤炭的消耗量與二氧化硫年均濃度成正比，燃煤排放的污染正在被控制和減少。

2.汽油、煤油、柴油消耗對空氣質(zhì)量的影響

北京市汽油、煤油、柴油的消費量遠(yuǎn)低于原煤和電力，但一直保持較快的增長速度，年均增長速度在12%左右，尤其是煤油增幅最大。將2012年和2005年的數(shù)據(jù)作對比，可以看出，柴油消耗量增長53%，汽油消耗量增長77%，煤油消耗量增長134%。在煤炭、焦炭消耗量減少、品質(zhì)提高的基礎(chǔ)上，近年來霧霾天氣的罪魁禍?zhǔn)资鞘彤a(chǎn)品消費量的增加。消耗汽油、煤油、柴油產(chǎn)生的主要污染物有一氧化碳、未燃燒的碳?xì)浠衔?、氮的氧化物、含鉛化合物和煙塵等，結(jié)合表1顯示的二氧化氮、可吸入顆粒物和一氧化碳的年均濃度近5年來基本持平，也可看出石油產(chǎn)品燃燒產(chǎn)生的污染有待進(jìn)一步有效治理。

關(guān)于對機動車燃油產(chǎn)生的污染治理問題，北京市已采取一些應(yīng)對辦法：2008年10月11日開始實施工作日五日制尾號限行措施；2011年實施機動車搖號，限制機動車增長速度；2013年5月31日，與歐洲主流環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)同步的機動車燃油“京Ⅴ”標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，北京500萬輛機動車改“喝”更清潔的燃油等。但是煤油產(chǎn)生的相關(guān)污染問題并未得到重視。隨著航空事業(yè)的發(fā)展，煤油的增加量和增加幅度都已超過了汽油（見表5數(shù)據(jù)），急需出臺相應(yīng)的政策減輕煤油污染，連續(xù)出現(xiàn)重度污染天氣時，可考慮采取一些限飛措施，例如在一些航線上進(jìn)行流量控制等。

三、結(jié)語

由北京市近十年空氣質(zhì)量的模糊綜合評價結(jié)果可知，空氣中二氧化硫、二氧化氮等污染物濃度在降低，目前影響空氣質(zhì)量的主要因素為PM2.5等可吸入顆粒物。從消費結(jié)構(gòu)的角度來看，PM2.5的主要來源是石油產(chǎn)品的消耗，尤其是煤油、汽油的消耗，急需出臺相應(yīng)的措施來減輕煤油燃燒帶來的污染。但是航空煤油的燃燒產(chǎn)生的污染區(qū)域不易界定，有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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［2］柴微濤，宋述軍，宋學(xué)鴻.成都市城區(qū)空氣污染指數(shù)的時間序列分析［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，34（4）：485－488.

［3］伊元榮.基于灰色聚類法的烏魯木齊市空氣質(zhì)量狀況研究［J］.水土保持研究，2007，14（6）：139－141.

［4］張云海，馬雁軍，孫財濤.灰色聚類評價在經(jīng)濟區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33 （6）：426－428.

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（責(zé)任編輯 姚虹）

Analysis on the Changing Trend of Air Quality and Its Influencing Factors
——Taking Beijing City as an Example

LIANG Yin－shuang1－2，SUN Zhen－ying2，SHEN Qi－xia3
（1.Statistic School，Capital University of Economics and Business，Beijing 100070，China；2.College of Information Engineering，Zhongzhou University，Zhengzhou 450044，China；3.Department of Basic Course，Zhengzhou College of Science and Technology，Zhengzhou 450064，China）

Abstract：In order to reasonably and comprehensively evaluate air quailty，and then analyze the factors affecting the air quality，major pollutants of air，such as sulfur dioxide，nitrogen dioxide，particulate matter and carbon monoxide are selected as the research factors.Using the improved fuzzy comprehensive evaluation method，Beijing’s air quality in recent ten years is evaluated.Combined with the changes of air quality，and from the perspective of energy consumption structure of Beijing city，this paper concludes that the main reason for increased air pollution is petroleum products consumption，especially the consumption of kerosene and gasoline.

Key words：air quality；fuzzy comprehensive evaluation；energy structure；petroleum consumption

作者簡介：梁銀雙（1982—），女，河南周口人，碩士，中州大學(xué)信息工程學(xué)院講師，現(xiàn)為首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)統(tǒng)計學(xué)院在讀博士研究生，研究方向：數(shù)理統(tǒng)計。

基金項目：全國統(tǒng)計科學(xué)研究計劃項目“北京市空氣質(zhì)量變動模式及環(huán)境承載力測算分析研究”（2013LZ13）；首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)2014年度研究生科技創(chuàng)新重點項目

收稿日期：2015－09－30

文章編號：1008－3715（2015）05－0108－04

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：X16

DOI：10.13783／j.cnki.cn41－1275／g4.2015.05.022