京津冀地區(qū)空氣污染物分布演變規(guī)律的定量分析

賀小龍，孫慧宇

(1.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

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京津冀地區(qū)空氣污染物分布演變規(guī)律的定量分析

賀小龍，孫慧宇

(1.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

目的 針對(duì)京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)和污染源，建立新的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義空氣等級(jí)，建立模型對(duì)污染源擴(kuò)散進(jìn)行研究，并給出減少京津冀地區(qū)污染的建議。方法 以河北省為研究對(duì)象，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查找河北省的污染數(shù)據(jù)，分析國(guó)標(biāo)和美標(biāo)的區(qū)別，從而對(duì)國(guó)家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(AQI)進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)用半集均方差方法重新建立空氣優(yōu)劣程度模型，并在高斯定理的基礎(chǔ)上建立多種研究污染物擴(kuò)散的單污染源擴(kuò)散、OSPM、CALINE-4、GM等模型，利用MATLAB、Excel等軟件，給出不同時(shí)間段以及北京不同路段的污染濃度梯度和空氣質(zhì)量等級(jí)。結(jié)果 北京早上8時(shí)AQI為255.16，空氣質(zhì)量五級(jí)，重度污染；中午12時(shí)AQI為140.78，空氣質(zhì)量三級(jí)，輕度污染；晚上21時(shí)AQI為77.79，空氣質(zhì)量二級(jí)，良。相同時(shí)間段內(nèi)二環(huán)CO濃度高于四環(huán)，四環(huán)高于六環(huán)，相同路段在不同時(shí)間段內(nèi)CO濃度呈折線變化，其中在7∶00～9∶00和19∶00～21∶00這2個(gè)時(shí)間段內(nèi)CO濃度最高，11∶00～13∶00相對(duì)較低。結(jié)論 京津冀地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)和煤炭燃燒是空氣污染的重要來(lái)源，其中PM2.5和PM10是主要成分，另外大量的汽車尾氣也是空氣污染的主要來(lái)源。因此，通過(guò)控制煤炭燃燒和機(jī)動(dòng)車尾氣的排放及開(kāi)發(fā)清潔能源等措施可以有效地改善京津冀地區(qū)的空氣質(zhì)量。

絕對(duì)距離；歐式距離；高斯煙羽擴(kuò)散；主要污染物

近十年來(lái)，中國(guó)GDP持續(xù)快速增長(zhǎng)，但經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式相對(duì)傳統(tǒng)落后，對(duì)生態(tài)平衡和自然環(huán)境造成一定的破壞，空氣污染的弊病日益突出，特別是日益加重的霧霾天氣已經(jīng)干擾到社會(huì)的出行秩序和生活質(zhì)量。對(duì)人體有極大危害的頻發(fā)霧霾已成為被政府部門、人民群眾廣泛關(guān)注的問(wèn)題。據(jù)2013年發(fā)改委報(bào)告[1]顯示，受霧霾天氣影響面積約占國(guó)土面積的1/4，受影響人口約6億人。一般認(rèn)為影響空氣質(zhì)量的主要因素有PM2.5、PM10、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、硫化氫、碳?xì)浠衔锖蜔焿m等，新檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[2]的發(fā)布和實(shí)施，將會(huì)對(duì)空氣質(zhì)量的檢測(cè)，改善生存環(huán)境起到重要的作用。因此，對(duì)空氣污染物影響因素及分布演變規(guī)律問(wèn)題的研究，對(duì)于分析如何減少城市污染問(wèn)題和保護(hù)環(huán)境具有重要意義，同時(shí)，此研究也對(duì)其他類型污染物以及熱源擴(kuò)散、衰退的研究有一定指導(dǎo)意義。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與假設(shè)

通過(guò)查閱青悅空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)[3]、2008-2013年的《天津統(tǒng)計(jì)年鑒》、2002-2007年的《天津環(huán)境狀況公報(bào)》和2002-2013年《北京環(huán)境狀況公報(bào)》以及《河北省環(huán)境狀況公報(bào)》得到京津冀近十年來(lái)的空氣污染物的數(shù)據(jù)。為了方便解決問(wèn)題，提出以下假設(shè)：(1)河北地區(qū)污染物濃度表中用石家莊市的數(shù)據(jù)代表河北省的數(shù)據(jù)；(2)不考慮突發(fā)事件造成的空氣質(zhì)量突變；(3)影響大氣環(huán)境的各項(xiàng)因素不會(huì)出現(xiàn)非預(yù)期的異常變化；(4)單污染源排放物在y、z軸上的分布是正態(tài)分布的；(5)擴(kuò)散過(guò)程中，假設(shè)風(fēng)速恒定，即固定風(fēng)對(duì)擴(kuò)散過(guò)程的影響；(6)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，不考慮軟件工具在數(shù)據(jù)處理及圖形繪制中的誤差；(7)主要污染物在擴(kuò)散中質(zhì)量守恒。

2 空氣優(yōu)劣程度的綜合評(píng)價(jià)模型

以京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量情況(2013年)為研究對(duì)象，已知影響空氣質(zhì)量的主要因素PM2.5、PM10、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧的檢測(cè)數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)有的國(guó)標(biāo)處理數(shù)據(jù)[2]，建立衡量空氣質(zhì)量?jī)?yōu)劣程度等級(jí)模型。為此，可以從數(shù)據(jù)出發(fā)，首先建立無(wú)量綱化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)矩陣和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)矩陣，然后建立各地區(qū)的綜合評(píng)價(jià)模型，利用歐氏距離和絕對(duì)距離對(duì)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)劣程度等級(jí)進(jìn)行衡量。

2.1 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)查閱資料[4]，得到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表、空氣質(zhì)量指數(shù)級(jí)別表?？梢缘玫礁鞯貐^(qū)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 各地區(qū)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

建立無(wú)量綱化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)矩陣和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)矩陣，得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)矩陣X=(xij)3×6和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)矩陣建立無(wú)量綱化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)矩陣，Y=(ykt)6×6。

建立無(wú)量綱化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)矩陣，A=(aij),(i=1,2,3;j=1,2,3,4,5,6),

無(wú)量綱化等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)矩陣B=(bkt),(k=1,2,3,4,5,6;t=1,2,3,4,5,6)

由于其主要因素都為成本型指標(biāo)集合,即得：

利用MATLAB計(jì)算，得到：

2.2 模型建立與結(jié)果分析

利用歐氏距離和絕對(duì)距離進(jìn)行建模，建立對(duì)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)劣程度等級(jí)進(jìn)行衡量的數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行求解。

計(jì)算A中各行向量到B中各列向量的歐氏距離dij：

計(jì)算A中各行向量到B中各列向量的絕對(duì)距離Dij:

表2 歐氏距離判別表

表3 絕對(duì)值判別表

結(jié)果分析：對(duì)于給出的任何關(guān)于空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)[5]，可以結(jié)合一維差值分析法得到的空氣質(zhì)量指數(shù)級(jí)別表，建立歐氏距離和絕對(duì)距離數(shù)學(xué)模型來(lái)衡量空氣質(zhì)量?jī)?yōu)劣等級(jí)。

從上面的計(jì)算可知，盡管歐氏距離與絕對(duì)距離意義不同，但是對(duì)空氣污染物的評(píng)價(jià)等級(jí)是一樣的，表明上面給出的方法具有穩(wěn)定性。

3 空氣污染物擴(kuò)散與衰減的演變規(guī)律

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，假設(shè)污染物濃度均在地面測(cè)得，通過(guò)相關(guān)資料及計(jì)算，得到了穩(wěn)定度級(jí)別劃分表和擴(kuò)散系數(shù)表，再以高斯擴(kuò)散原理[6]為基礎(chǔ),以河北境內(nèi)某工廠為研究對(duì)象,建立單污染源高斯煙雨擴(kuò)散模型,最后運(yùn)用MATLAB繪圖，得到了單污染源的污染擴(kuò)散曲線圖，根據(jù)曲線趨勢(shì)及其不同距離的污染濃度，判斷出空氣質(zhì)量等級(jí),從而探究污染物的成因、演變等一般性規(guī)律。

3.1 數(shù)據(jù)處理

以污染源為起點(diǎn)，主風(fēng)向?yàn)閤軸，并且指向下風(fēng)的方向，與風(fēng)向垂直的方向?yàn)閦軸，而水平截風(fēng)向?yàn)閥軸的方向，則高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯煙羽模型公式[7]為：

其中λy、λz分別為污染水平、垂直風(fēng)向擴(kuò)散參數(shù)，Q、h分別為源強(qiáng)、源高，為常數(shù)。

用MATLAB求解固定源強(qiáng)和雙源強(qiáng)高斯煙羽擴(kuò)散模型，選擇河北境內(nèi)某工廠的數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。由查閱的數(shù)據(jù)可知所求的空間是以工廠的排放煙囪為中心，高為50 m，半徑長(zhǎng)為50 km的半球。其各個(gè)時(shí)間段內(nèi)源強(qiáng)Q的值如表4。

表4 各時(shí)間段的源強(qiáng)Q

假設(shè)源強(qiáng)的計(jì)算中,人為1天24 h污染物勻速排放，需要求出全天平均源強(qiáng)：

Q=排放總量/排放時(shí)間(單位：mg·s-1)

代入數(shù)據(jù)即得Q=493.08 mg·s-1

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將上述模型化簡(jiǎn)為地面最大濃度模式，即y=0，z=0代入上式得：

計(jì)算污染物濃度的關(guān)鍵在于確定擴(kuò)散系數(shù)σy、σz的值[8]，它們與大氣的穩(wěn)定性有關(guān)，帕斯奎爾在1961年推薦一種僅需要常規(guī)氣象觀測(cè)資料就能估算σy、σz的方法，吉福德(Gifford)進(jìn)一步將它制成應(yīng)用更方便的圖表。應(yīng)用觀測(cè)到的風(fēng)速、云量、云狀和日照等天氣資料[9]，一般將大氣擴(kuò)散稀釋能力即穩(wěn)定度分為A、B、C、D、E和F 6個(gè)級(jí)別(A為最不穩(wěn)定值，F(xiàn)為最穩(wěn)定值)。通過(guò)查閱資料得到穩(wěn)定度級(jí)別劃分表(表5)，最后將對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散參數(shù)σy和σz代入上面的簡(jiǎn)化模型中。

表5 穩(wěn)定度級(jí)別劃分表

在熱釋放率比較強(qiáng)的情況下的實(shí)際計(jì)算中，不穩(wěn)定條件(A、B穩(wěn)定度)，H需增加10%～20%；穩(wěn)定條件(D、E、F穩(wěn)定度)，H需減少10%～20%。

由查閱的資料可知，假設(shè)在早上8時(shí)的大氣穩(wěn)定度為C，有效高度H為50 m；中午12時(shí)的大氣穩(wěn)定度為B，有效高度H為60 m；晚上21時(shí)的大氣穩(wěn)定度為D，有效高度H為40 m。擴(kuò)散系數(shù)的P-G曲線和σy、σz，隨地面x的距離大小變化見(jiàn)表6。

3.2 結(jié)果分析

將查到的數(shù)據(jù)代入上述公式，由MATLAB軟件分別求得該工廠方圓51 km在不同時(shí)段的空氣污染分布如圖1及圖2所示。

表6 擴(kuò)散系數(shù)表(102

中午12時(shí)的空氣污染分布如圖1，空氣污染濃度從低到高再隨著距離逐漸降低，最高到達(dá)1.6×10-5mg·m-3，最遠(yuǎn)距離的濃度為0.2×10-5mg·m-3?？諝赓|(zhì)量等級(jí)隨著距離的增加從三級(jí)(輕度污染)逐漸變?yōu)槲寮?jí)(嚴(yán)重污染)再逐漸降低到三級(jí)(輕度污染)[10]。

晚上的空氣污染分布如圖2，空氣污染濃度從低到高再隨著距離逐漸降低，最高到達(dá)4×10-5mg·m-3，最遠(yuǎn)距離的濃度為0.45×10-5mg·m-3?？諝赓|(zhì)量等級(jí)隨著距離的增加從三級(jí)(輕度污染)逐漸變?yōu)槲寮?jí)(嚴(yán)重污染)再逐漸降低到四級(jí)(重度污染)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

對(duì)于空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)，可以結(jié)合一維差值分析法得到的空氣質(zhì)量指數(shù)級(jí)別表，建立歐氏距離和絕對(duì)距離數(shù)學(xué)模型來(lái)衡量空氣質(zhì)量?jī)?yōu)劣等級(jí)。盡管歐氏距離與絕對(duì)距離意義不同，但是對(duì)空氣污染物的評(píng)價(jià)等級(jí)是一樣的，表明本文給出的方法具有穩(wěn)定性。北京早上8時(shí)AQI為255.16，空氣質(zhì)量五級(jí)，重度污染；中午12時(shí)AQI為140.78，空氣質(zhì)量三級(jí)，輕度污染；晚上21時(shí)AQI為77.79，空氣質(zhì)量二級(jí)，良。相同時(shí)間段內(nèi)二環(huán)CO濃度高于四環(huán)，四環(huán)高于六環(huán)，相同路段在不同時(shí)間段內(nèi)CO濃度呈折線變化，其中在7∶00～9∶00和19∶00～21∶00這2個(gè)時(shí)間段內(nèi)CO濃度最高，11∶00～13∶00相對(duì)較低。京津冀地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)和煤炭的燃燒是空氣污染的重要來(lái)源，其中PM2.5和PM10是主要成分，另外大量的汽車尾氣也是空氣污染的主要來(lái)源[11]。

4.2 關(guān)于環(huán)境問(wèn)題的討論

通過(guò)上述數(shù)字看出，雖然暫時(shí)得到了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但是所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題不容小覷。環(huán)境與經(jīng)濟(jì)是否必須取舍？這是值得深思的問(wèn)題。相信每個(gè)人希望的結(jié)果都是環(huán)境治理與經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步進(jìn)行，那么就更加要求居民減少私家車出行、多乘坐公共交通工具、減少不必要的用水用電等，更要求企業(yè)嚴(yán)格把控污染物的排放[12]，社會(huì)各界和政府共同努力。

[1]發(fā)改委.節(jié)能減排形勢(shì)嚴(yán)峻產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮髨?bào)告[EB/OL].http://snap.windin.com/ns/findsnap.php?ad=0&id=204632670,2015-08-02.

[2]中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部.環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL].http://kis.mep.gov.cn/hjbhbz/,2015-08-02.

[3]青悅空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)[EB/OL].http://air.epmap.org/,2015-8-2.

[4]環(huán)境保護(hù)部.環(huán)境空氣氣態(tài)污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行與質(zhì)控技術(shù)規(guī)范[EB/OL].http://kjs.mep.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/jcgfffbz/201308/t20130802_256853.htm,2015-08-02.

[5]陳歡歡,李星,丁文秀.Surfer8.0等值線繪制中的12種插值方法[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2007，4(01):52-57.

[6]石東偉,陳東娜.高斯擴(kuò)散模型在確定污染源位置中的應(yīng)用[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，40(02):55-58.

[7]張斌才,趙軍.大氣污染擴(kuò)散的高斯煙羽模型及其GIS集成研究[J].環(huán)境檢測(cè)管理與技術(shù)，2008，20(05):17-19，55.

[8]周兆媛，張時(shí)煌，高慶先.京津冀地區(qū)氣象要素對(duì)空氣質(zhì)量的影響及未來(lái)變化趨勢(shì)分析[J].中國(guó)環(huán)境研究所2014，36(01)：191-199.

[9]劉燚.京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量狀況及其與氣象條件的關(guān)系[D].長(zhǎng)沙：湖南師范大學(xué)，2010.

[10]沈子禾，姜昊，李杰.京津冀地區(qū)污染物排放對(duì)空氣質(zhì)量的影響[J].合作經(jīng)濟(jì)與科技，2015，9(18)：12-14.

[11]劉敏坤，陳文潔.京津冀空氣質(zhì)量現(xiàn)狀及聯(lián)防聯(lián)控對(duì)策探索[J].產(chǎn)業(yè)與技術(shù)論壇，2015，10(19)：110-111.

[12]李健，安俊嶺，陳勇，等.脫硝技術(shù)與天然氣應(yīng)用情景下京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量模擬評(píng)估[J].氣候與環(huán)境研究，2013.7(07)：472-482.

[責(zé)任編輯：關(guān)金玉 英文編輯：劉彥哲]

Quantitative Analysis of Distribution of Air Pollutants in Beijing-Tianjin-Hebei Region

HE Xiao-long1,SUN Hui-yu2

(1.School of Finance,Anhui University of Finance and Economics,Bengbu,Anhui 23303,China；2.School of Statistics and Applied Mathematics,Anhui University of Finance and Economics,Bengbu,Anhui 23303,China)

Objective Against air quality index and pollution in Beijing-Tianjin-Hebei region,a new air quality standard was established to define the class of air.And the model was established to study the spread of the pollution sources and reduce the pollution in the Beijing-Tianjin-Hebei region.Methods By taking Hebei province as the research object and through the pollution data of Hebei province in Internet,the difference between China’s standard and U.S.standard was analyzed to improve the national air quality standard(AQI).Mean square error method using half set was used to reestablish air quality model,and based on the Gauss theorem,single pollutant diffusion,the pollutant diffusion OSPM,CALINE-4,and GM model were established.In combination with MATLAB and Excel software,different times and different sections of Beijing pollution concentration gradient and air quality levels were given.Results In Beijing at 8 a.m,AQI was 255.16,at Level 5,severe pollution;at 12,AQI 140.78,level 3,light pollution;at 9 p.m.,AQI 77.79,level 2 and good.CO concentration was higher than that in same period on 4th Ring,and 4th Ring higher than sixth Ring.At the same section and in different periods CO concentrations were represented by zipped lines,in which at about 7:00-9:00,and at 19:00-21:00 CO concentrations were highest,and at 11-13:00 relatively low.Conclusion In Beijing-Tianjin-Hebei region,industrial production and coal combustion are important sources of air pollution with PM2.5 and PM10 as the main composition.The large amount of automobile exhaust is also the main source of air pollution.Therefore,controlling the coal combustion and motor vehicle exhaust emissions,and developing clean energy can effectively improve the air quality in the Beijing-Tianjin-Hebei region.A blue sky in Beijing-Tianjin-Hebei region will return.

absolute distance;euclidean distance;Gauss plume diffusion; main pollutant

教育部人文社科青年科研項(xiàng)目(10YJC630143)

賀小龍(1994-)，男，安徽宿松人，安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院在讀學(xué)生，研究方向：大數(shù)據(jù)。

X 513

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.07.008