基于雙權(quán)重模糊綜合模型的鄭州空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)

王 珂,岳大鵬

(陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,陜西 西安 710119)

近年來,空氣質(zhì)量問題引起了公眾的廣泛關(guān)注,成為當(dāng)前的熱點(diǎn)問題[1-2]。準(zhǔn)確評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量,對(duì)客觀認(rèn)識(shí)城市的空氣污染現(xiàn)狀、變化趨勢(shì)及制定相應(yīng)的污染控制對(duì)策具有重要意義。當(dāng)前,面對(duì)日益惡化的環(huán)境空氣質(zhì)量,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多相關(guān)研究,主要集中在空氣質(zhì)量的時(shí)空分布特征[3-5]和空氣質(zhì)量的影響因素分析[6-8]兩個(gè)方面。常用的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法主要有:空氣污染指數(shù)法、灰色聚類法[9]、層次分析法[10]以及模糊綜合評(píng)價(jià)法[11]等。其中：空氣污染指數(shù)法只適用于短期內(nèi)的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià);利用灰色聚類法評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量時(shí),可以得到多層次、全面化的評(píng)價(jià)結(jié)果,但白化函數(shù)的構(gòu)造易忽略不相鄰等級(jí)之間的影響,導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)偏差;利用層次分析法時(shí),用絕對(duì)值計(jì)算標(biāo)度會(huì)加大誤差,導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際不符;模糊綜合評(píng)價(jià)法利用模糊數(shù)學(xué)定量評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量,綜合考慮了各評(píng)價(jià)因子間的相互關(guān)系,評(píng)價(jià)結(jié)果更合理、更全面[12-14]。然而,傳統(tǒng)的模糊綜合模型一般常用超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法計(jì)算權(quán)重,只考慮到污染物濃度超標(biāo)情況,未考慮各污染物本身的毒性作用[15],以致掩蓋了某些濃度較低但毒性較大的污染物對(duì)空氣質(zhì)量的污染作用[16-19]。

目前,針對(duì)鄭州市的空氣質(zhì)量研究,主要集中在單個(gè)污染因子的時(shí)空分布特征[20-21]和影響因素分析兩個(gè)方面[22],對(duì)空氣質(zhì)量整體狀況的定量化評(píng)價(jià)鮮有報(bào)道。基于此,本文以鄭州市2014～2017年的環(huán)境空氣質(zhì)量為研究對(duì)象,將各污染物的濃度值和毒性作用共同納入評(píng)價(jià)體系,建立了雙權(quán)重模糊綜合評(píng)價(jià)模型,對(duì)其主要空氣污染物和空氣質(zhì)量的年度與季節(jié)變化特征等進(jìn)行了相關(guān)分析,旨在有效地控制評(píng)價(jià)誤差,更加客觀準(zhǔn)確、全面地認(rèn)識(shí)鄭州市環(huán)境空氣質(zhì)量及其變化特征,從而為相關(guān)部門制定管理措施提供理論依據(jù)。

1 環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文采用2014～2017年中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站(http://www.cnemc.cn/)以及鄭州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心站8個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)(供水公司、銀行學(xué)校、鄭紡機(jī)、四十七中、市監(jiān)測(cè)站、河醫(yī)大、煙廠、經(jīng)開區(qū)管委)的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3等6種空氣質(zhì)量指標(biāo)的日監(jiān)測(cè)值,經(jīng)過統(tǒng)計(jì)與加權(quán)平均處理后,得到各種污染物的年平均監(jiān)測(cè)值和四季平均監(jiān)測(cè)值,其中春季為3～5月,夏季為6～8月,秋季為9～11月,冬季為12月～翌年2月。

1.2 建立評(píng)價(jià)因子集和評(píng)價(jià)集

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095─2012)[23]與環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)(HJ 633─2012)[24],空氣污染物主要包含以下6項(xiàng): PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3。其中,PM2.5、PM10、SO2和NO2均以年均濃度作為本文的評(píng)價(jià)濃度,CO以日均值第95位百分位數(shù)作為評(píng)價(jià)濃度,O3以日最大8 h滑動(dòng)平均值的第90位百分?jǐn)?shù)為評(píng)價(jià)濃度。因此,建立的鄭州市環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)因子集U為:

U={PM2.5,PM10,SO2,NO2,CO-95,O3-8h-90}

為了更詳細(xì)地區(qū)分污染程度,參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095─2012),將兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充為四級(jí)標(biāo)準(zhǔn),即Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí),它們分別代表環(huán)境空氣質(zhì)量狀況中的清潔、輕度污染、中度污染、重度污染。因此建立的鄭州市環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)集為:V={Ⅰ級(jí),Ⅱ級(jí),Ⅲ級(jí),Ⅳ級(jí)}。鄭州市環(huán)境空氣質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及各污染物的毒性指數(shù)見表1。

1.3 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

本文采用降半階梯形隸屬度計(jì)算公式[25]建立第i個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度rij,從而確定各評(píng)價(jià)因子與各級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的模糊關(guān)系矩陣R,計(jì)算公式如下:

當(dāng)j=1時(shí):

(1)

當(dāng)j=2或3時(shí):

(2)

當(dāng)j=4時(shí):

(3)

上式中:i表示第i個(gè)評(píng)價(jià)因子；j表示第j級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),j=1,2,3,…,m;rij表示第i個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度;Xi表示第i個(gè)評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)值的年平均值;Sij表示第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)降半階梯形公式,計(jì)算各評(píng)價(jià)因子對(duì)各級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度,構(gòu)建2014～2017年及2017年四季鄭州市空氣質(zhì)量模糊關(guān)系矩陣R,結(jié)果如表2和表3所示。

表1 鄭州市環(huán)境空氣質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及各污染物的毒性指數(shù)

1.4 建立權(quán)重集

在評(píng)價(jià)工作中,不同評(píng)價(jià)因子對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的“貢獻(xiàn)率”不同,因此要確定每一個(gè)評(píng)價(jià)因子相應(yīng)的權(quán)重,建立權(quán)重集A={a1,a2,…,an}。本文采用超標(biāo)倍數(shù)法計(jì)算第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重,并進(jìn)行歸一化處理,計(jì)算公式如下:

(4)

(5)

上式中:Ci表示采用單因子法計(jì)算得到的第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；ai表示采用雙因子法計(jì)算得到的第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重;fi表示第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的毒性指數(shù)。

根據(jù)單、雙因子超標(biāo)倍數(shù)法計(jì)算公式,分別計(jì)算得到各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值,構(gòu)建了鄭州市2014～2017年及2017年四季各污染因子的權(quán)重集A,如表4和表5所示。

表2 鄭州市2014～2017年空氣質(zhì)量模糊關(guān)系矩陣

表3 鄭州市2017年四季空氣質(zhì)量模糊關(guān)系矩陣

表4 鄭州市2014～2017年各污染因子的權(quán)重值

表5 鄭州市2017年四季各污染因子的權(quán)重值

1.5 構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)矩陣

根據(jù)已經(jīng)計(jì)算出的模糊矩陣R和權(quán)重集A,運(yùn)用合適的算子將其進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算,得到綜合評(píng)價(jià)矩陣B:B=A?R。

得到綜合評(píng)價(jià)矩陣后,需要對(duì)其進(jìn)行分析與處理,從而得到更為直觀的評(píng)價(jià)結(jié)果。首先,根據(jù)最大隸屬度原則[26],確定評(píng)價(jià)等級(jí);其次,為了兼顧各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重大小,以及充分利用模糊矩陣的信息,本文采用加權(quán)平均算子,計(jì)算得到各年度空氣質(zhì)量的最終評(píng)價(jià)值,從而確定評(píng)價(jià)對(duì)象在時(shí)間序列中的相對(duì)位置,使得評(píng)價(jià)結(jié)果更為直觀。加權(quán)平均法[27]的計(jì)算公式如下:

(6)

式(6)中:C為各等級(jí)最終評(píng)價(jià)值;k為加權(quán)系數(shù),本文k=1;bj為綜合評(píng)價(jià)矩陣B中的矢量,j=1,2,3,…,n。

根據(jù)鄭州市2014～2017年6項(xiàng)空氣質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)的數(shù)據(jù),采用上述步驟,利用MATLAB編程計(jì)算得到了鄭州市2014～2017年及2017年四季模糊綜合評(píng)判結(jié)果,如表6和表7所示。

表6 鄭州市2014～2017年空氣質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

表7 鄭州市2017年四季空氣質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 鄭州市空氣質(zhì)量的年際變化特征

根據(jù)上文所述方法,計(jì)算得到了鄭州市2014～2017年空氣質(zhì)量各污染物的權(quán)重值(表4),并對(duì)采用單因子、雙因子兩種方法計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行了比較。由圖1可以看出,不同污染物對(duì)空氣質(zhì)量的權(quán)重有著顯著差異，無論是采用單因子法還是雙因子法, PM2.5的權(quán)重均最大,其次為PM10和NO2,說明鄭州市的主要空氣污染物為PM2.5、PM10、NO2。因此,有關(guān)部門需加強(qiáng)管理，控制顆粒物的排放。另外,2014～2017年,鄭州市O3和NO2的權(quán)重逐年上升且上升幅度較大,說明這幾年臭氧和氮氧化物的污染愈加嚴(yán)重。近年來,空氣污染因子的結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定變化,但影響鄭州市空氣質(zhì)量的最主要因素始終是PM2.5和PM10。兩種方法所得的結(jié)論具有一致性,說明兩種方法均適用于鄭州市環(huán)境空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)。

a:采用單因子法; b:采用雙因子法。

如圖2所示,通過雙因子法計(jì)算得到的2014～2017年鄭州市PM2.5的權(quán)重遠(yuǎn)高于單因子法,而NO2對(duì)空氣質(zhì)量的權(quán)重卻有所降低。這主要是因?yàn)槔秒p因子法時(shí),將毒性指數(shù)引入了評(píng)價(jià)體系,且在6種污染物中,PM2.5的毒性最強(qiáng)。說明雙因子法綜合考慮了各污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害程度,避免了單因子法僅靠濃度值所引起的誤差,是一種更全面更客觀的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。

圖2 采用單、雙因子法計(jì)算的鄭州市2014～2017年P(guān)M2.5與NO2的權(quán)重值

鄭州市2014～2017年空氣質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如表6所示,空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅲ級(jí),屬于中度污染水平;而且利用單、雙因子法所得的評(píng)價(jià)結(jié)果一致,說明兩種方法在空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)研究中均是適用的。圖3為2014～2017年鄭州市空氣質(zhì)量的最終評(píng)價(jià)值,從中可以看出，無論是采用單因子法還是雙因子法,2014～2017年的最終評(píng)價(jià)值均呈現(xiàn)波動(dòng)減小的趨勢(shì),這說明鄭州市的空氣污染治理效果顯著,鄭州市的環(huán)境空氣質(zhì)量正在逐步好轉(zhuǎn)。

圖3 2014～2017年鄭州市空氣質(zhì)量的最終評(píng)價(jià)值

2.2 鄭州市空氣質(zhì)量的季節(jié)變化特征

鄭州市2017年四季的空氣質(zhì)量最終評(píng)價(jià)值如圖4所示,空氣質(zhì)量的季節(jié)性變化顯著。兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果均為：夏季的空氣質(zhì)量最好；其次為春季和秋季;冬季的空氣質(zhì)量最差。

由表5可知, PM2.5和O3的權(quán)重值季節(jié)性差異最明顯。其中,隨著季節(jié)變化,空氣質(zhì)量狀況與PM2.5的權(quán)重值呈現(xiàn)正相關(guān);而與O3呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),即O3的權(quán)重值在夏季達(dá)到一年當(dāng)中的峰值,這說明鄭州市夏季O3污染嚴(yán)重。鄭州市相關(guān)部門在治理空氣污染時(shí),需考慮空氣質(zhì)量與各種污染物的季節(jié)性差異,以改善整體空氣質(zhì)量。

圖4 鄭州市2017年四季空氣質(zhì)量的最終評(píng)價(jià)值

如圖5所示,在2017年冬季,鄭州市PM2.5的權(quán)重值所占比重最大,其次是PM10和NO2,尤其是通過雙因子法計(jì)算得到的PM2.5的權(quán)重值高達(dá)61.6%,表明鄭州市冬季的主要空氣污染物為PM2.5。同時(shí),進(jìn)一步說明,雙權(quán)重模型將污染物的毒性程度納入評(píng)價(jià)體系,是一種更客觀、更全面的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。

a.采用單因子法；b.采用雙因子法。

3 結(jié)論與討論

通過單因子法與雙因子法計(jì)算得到的2014～2017年鄭州市主要空氣污染物均為PM2.5、PM10和NO2,空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果具有一致性,說明兩種方法均適用于環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)。PM2.5所占的權(quán)重最大,說明相關(guān)部門需重點(diǎn)控制顆粒物的排放。

根據(jù)最大隸屬度原則,2014～2017年鄭州市空氣質(zhì)量均為Ⅲ級(jí),且呈現(xiàn)逐年好轉(zhuǎn)的趨勢(shì),說明政府治理空氣污染頗有成效。2014～2017年,鄭州市空氣質(zhì)量季節(jié)性變化特征明顯,即夏季空氣質(zhì)量最好,冬季最差,冬季評(píng)價(jià)結(jié)果均為Ⅳ級(jí),屬于重度污染水平。不同污染物的季節(jié)性變化特征同樣顯著,與其他幾種污染物不同,O3在夏季達(dá)到峰值。

通過雙因子法計(jì)算得到的2017年鄭州市PM2.5和NO2的權(quán)重分別約是單因子法的1.9倍和0.5倍,這主要是由PM2.5的毒性最強(qiáng)造成的。雙因子評(píng)價(jià)法跟傳統(tǒng)的超標(biāo)賦權(quán)單因子法相比,綜合考慮了各個(gè)污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害程度,是一種更全面更客觀的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。