鎮(zhèn)江市PM10濃度影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

趙海榮，劉 楊

（江蘇省鎮(zhèn)江環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

PM10（可吸入顆粒物）是空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于10 μm 的顆粒物，已成為我國大中城市環(huán)境空氣中的主要污染物。PM10來源比較廣泛，與地理?xiàng)l件、氣象因素等自然因素以及經(jīng)濟(jì)水平、能源結(jié)構(gòu)、工業(yè)排放、城市建設(shè)工地?fù)P塵、管理水平等社會(huì)因素有很大關(guān)系。目前，研究人員對(duì)PM10的濃度變化、來源解析及化學(xué)組分開展了深入的研究[1-3]，也有人對(duì)影響PM10濃度的相關(guān)因素進(jìn)行研究分析，如PM10濃度與氣象條件[4-5]、城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展因素[6-8]、機(jī)動(dòng)車排放[9-10]、城市綠地[11]等因素的相關(guān)性分析，但鮮有對(duì)PM10濃度與氣象、經(jīng)濟(jì)、能源等多因素綜合性分析的研究報(bào)告?？諝庵蠵M10濃度的影響因素及其相互作用原理非常復(fù)雜，系統(tǒng)中存在部分信息確知，部分信息不確定性，屬于典型的灰色系統(tǒng)?；疑P(guān)聯(lián)法可以將灰色系統(tǒng)因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度進(jìn)行量化，即進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，進(jìn)而找出系統(tǒng)內(nèi)部規(guī)律。本研究通過建立PM10濃度影響多因素指標(biāo)體系，采用灰色關(guān)聯(lián)法分析2009～2018年鎮(zhèn)江市PM10濃度與22 個(gè)指標(biāo)因子、6 個(gè)指標(biāo)層之間的關(guān)系，分析近10 a 鎮(zhèn)江市社會(huì)發(fā)展同環(huán)境間的關(guān)聯(lián)度大小，以期為鎮(zhèn)江市大氣污染防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 PM10 影響指標(biāo)體系的建立

鎮(zhèn)江市位于江蘇省西南部，地處長(zhǎng)江三角洲頂端。鎮(zhèn)江市能源和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)總體偏重，煤炭消費(fèi)總量居高不下，化工、電力、建材、造紙等高能耗、高排放企業(yè)占全市工業(yè)企業(yè)能源消耗總量的70%，城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)矛盾較突出。尤其是近年來鎮(zhèn)江市城市改造、房地產(chǎn)建設(shè)工地作業(yè)帶來的揚(yáng)塵污染及汽車尾氣排放對(duì)城市空氣PM10濃度貢獻(xiàn)較多。

利用鎮(zhèn)江市2009～2018年空氣PM10監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選擇可能與PM10濃度相關(guān)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、污染物排放情況、能源消耗、城市交通、城市建設(shè)和氣象條件6 個(gè)因素共22 個(gè)指標(biāo)，采用灰色關(guān)聯(lián)法，分析PM10與各因素各指標(biāo)之間的關(guān)系，為環(huán)境空氣治理提供決策基礎(chǔ)。其中，各指標(biāo)數(shù)據(jù)來自《鎮(zhèn)江市統(tǒng)計(jì)年鑒》（2010～2019年），PM10數(shù)據(jù)來自鎮(zhèn)江市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)（2009～2018年）。鎮(zhèn)江市PM10濃度影響因素指標(biāo)體系見表1，指標(biāo)體系具體數(shù)值見表2。

表1 鎮(zhèn)江市PM10 濃度影響因素指標(biāo)體系

表2 鎮(zhèn)江市PM10 濃度及影響因素指標(biāo)數(shù)據(jù)

1.2 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法的基本思想是根據(jù)各比較數(shù)列集構(gòu)成的曲線族與參考數(shù)列構(gòu)成的曲線之間的幾何相似程度來確定比較數(shù)列集與參考數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度，比較數(shù)列構(gòu)成的曲線與參考數(shù)列構(gòu)成的曲線的幾何形狀越相似，其關(guān)聯(lián)度越大。利用灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

（1）根據(jù)評(píng)價(jià)目的確定評(píng)價(jià)數(shù)列及參考數(shù)列

設(shè)x1,x2……xm為m 個(gè)評(píng)價(jià)因素，各因素組成的評(píng)價(jià)數(shù)列分別為｝,設(shè)定參考數(shù)列。

（2）采用向量歸一化法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理

文章采用均值化方法進(jìn)行數(shù)據(jù)無量綱處理，處理后的數(shù)據(jù)序列為｝,設(shè)定參考數(shù)列為。

（3）計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)數(shù)列與參考數(shù)列對(duì)應(yīng)元素關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中：ζij為第個(gè)評(píng)價(jià)數(shù)列與參考數(shù)列在j 時(shí)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，關(guān)聯(lián)系數(shù)ζij是不超過1 的正數(shù)；η為分辨系數(shù)，其值在[0，1]之間，η 通常取0.5。

（4）計(jì)算關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)度為各評(píng)價(jià)數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)的均值，記為P。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎮(zhèn)江市PM10 濃度與各指標(biāo)因子關(guān)聯(lián)度分析

通過對(duì)表（2）PM10濃度和各指標(biāo)因子原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)算，再把標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值代入公式（1）進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)計(jì)算，求得關(guān)聯(lián)系數(shù)，見表3。

表3 鎮(zhèn)江市PM10 濃度和各指標(biāo)因子灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)公式（2）對(duì)表3 中的各指標(biāo)因子灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)求平均值，即得到各指標(biāo)因子與PM10濃度之間的關(guān)聯(lián)度，見表4。

表4 鎮(zhèn)江市PM10 濃度和各指標(biāo)因子間的關(guān)聯(lián)度

由表4 可見，所選擇的22 個(gè)指標(biāo)因子與PM10濃度的關(guān)聯(lián)度均大于0.3，說明均處于中、高度關(guān)聯(lián)，說明所選擇指標(biāo)體系具有一定的科學(xué)性[12-13]。日照時(shí)數(shù)、城市化水平、第二產(chǎn)業(yè)占地區(qū)總產(chǎn)值比重、年降水日、第三產(chǎn)業(yè)占地區(qū)總產(chǎn)值比重、電力、工業(yè)廢氣排放量、能源合計(jì)、原煤、民用運(yùn)輸駁船和民用車輛總數(shù)11 個(gè)指標(biāo)因子與PM10濃度呈高度關(guān)聯(lián)（關(guān)聯(lián)度＞0.6），其他指標(biāo)因子與PM10濃度呈中度關(guān)聯(lián)（0.3＜關(guān)聯(lián)度≤0.6）。影響鎮(zhèn)江市PM10濃度的前五位指標(biāo)因子為：日照時(shí)數(shù)、城市化水平、第二產(chǎn)業(yè)占地區(qū)總產(chǎn)值比重、年降水日、第三產(chǎn)業(yè)占地區(qū)總產(chǎn)值比重?？梢姎庀笠蛩厥怯绊懳廴疚飩鬏?shù)年P(guān)鍵因素，日照時(shí)數(shù)與PM10濃度關(guān)聯(lián)度最高，兩者的變化趨勢(shì)一致，日照時(shí)數(shù)高再加上江南地區(qū)的高濕等其他氣象因素可能會(huì)造成空氣中PM10的累積；而降水可以降低空氣中顆粒物濃度，高降水量年份對(duì)應(yīng)的年度PM10濃度較低。經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素是影響鎮(zhèn)江市空氣PM10濃度的重要因素，近年來鎮(zhèn)江市努力調(diào)整、優(yōu)化全市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，不斷提高第三產(chǎn)業(yè)在地區(qū)生產(chǎn)總值中的構(gòu)成，相應(yīng)降低第二產(chǎn)業(yè)地區(qū)生產(chǎn)總值構(gòu)成，在鎮(zhèn)江市城市化水平逐年提升的情況下，PM10濃度總體呈下降趨勢(shì)。

2.2 鎮(zhèn)江市PM10 濃度與各指標(biāo)層綜合關(guān)聯(lián)度分析

計(jì)算各指標(biāo)層與PM10濃度的灰色關(guān)聯(lián)度，見表5。由表5 可知，2009～2018年10 a 間各指標(biāo)層的綜合關(guān)聯(lián)度，6 個(gè)指標(biāo)層與PM10濃度的綜合灰色關(guān)聯(lián)度順序?yàn)椋簹庀髼l件＞能源消耗＞經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素＞城市交通＞污染物排放情況＞城市建設(shè)。其中氣象條件和能源消耗與PM10濃度呈高度關(guān)聯(lián)，其他指標(biāo)層呈中度關(guān)聯(lián)，可見PM10濃度影響因素指標(biāo)層的選擇具有一定的科學(xué)性。2009～2018年這10 a中，鎮(zhèn)江市PM10濃度同當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件關(guān)聯(lián)最為密切，尤其是日照時(shí)數(shù)和年降水日2 個(gè)指標(biāo)因子，與PM10濃度關(guān)聯(lián)度排列在第1 和第4?；痣娛擎?zhèn)江市的支柱產(chǎn)業(yè)，全市范圍有多家大型火力發(fā)電能源企業(yè)，煤炭消費(fèi)總量居高不下，火電企業(yè)是全市工業(yè)廢氣、二氧化硫、氮氧化物、煙（粉）塵排放量的大戶，能源消耗指標(biāo)層中原煤、電力、能源合計(jì)指標(biāo)因子與PM10濃度均為高度關(guān)聯(lián)度。

表5 鎮(zhèn)江市PM10 濃度和各指標(biāo)層間的關(guān)聯(lián)度

由表5 可知，各指標(biāo)層對(duì)PM10濃度的關(guān)聯(lián)度大小隨年度有所變化：2009～2010年、2016～2018年氣象條件指標(biāo)層與PM10濃度關(guān)聯(lián)度最大，表現(xiàn)在降雨量和日照時(shí)數(shù)與PM10濃度的高關(guān)聯(lián)度，2010年和2018年降雨量與PM10濃度的關(guān)聯(lián)度分別達(dá)到0.973 0，0.987 5，2016年和2017年的日照時(shí)數(shù)與PM10濃度的關(guān)聯(lián)度達(dá)到0.90 以上。2011，2012，2014年能源消耗指標(biāo)層與PM10濃度關(guān)聯(lián)度最大，說明這3 a 能源消耗是影響PM10濃度的主要因素，鎮(zhèn)江市的火電產(chǎn)業(yè)決定了原煤、電力、能源合計(jì)這3 項(xiàng)指標(biāo)因子對(duì)PM10濃度的影響具有一致趨同性。2013年污染源排放情況指標(biāo)層與PM10濃度關(guān)聯(lián)度最大，廢氣排放量與PM10濃度關(guān)聯(lián)度達(dá)到0.896 1，說明2013年工業(yè)企業(yè)污染物排放對(duì)PM10濃度貢獻(xiàn)較大。2015年經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素指標(biāo)層與PM10濃度關(guān)聯(lián)度最大，說明鎮(zhèn)江市第二、第三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，對(duì)環(huán)境質(zhì)量的改善起到了相當(dāng)?shù)淖饔茫?015年P(guān)M10濃度較上年較低了13.8%。2009～2018年間，影響鎮(zhèn)江市PM10濃度的主要因素各年度有所不同，在一定程度上反映了當(dāng)年社會(huì)發(fā)展同環(huán)境保護(hù)之間突出的問題。

3 結(jié)論

通過建立鎮(zhèn)江市PM10濃度影響指標(biāo)體系，采用灰色關(guān)聯(lián)法，分析了2009～2018年鎮(zhèn)江市PM10濃度與各指標(biāo)因子、指標(biāo)層之間的關(guān)系。

（1）6 個(gè)指標(biāo)層和22 個(gè)指標(biāo)因子與PM10濃度均呈中、高度關(guān)聯(lián)，說明PM10濃度影響因素指標(biāo)體系的選擇具有一定的科學(xué)性和代表性。

（2）與PM10濃度呈高度關(guān)聯(lián)的指標(biāo)因子按關(guān)聯(lián)度由高到低排列為：日照時(shí)數(shù)、城市化水平、第二產(chǎn)業(yè)占地區(qū)總產(chǎn)值比重、年降水日、第三產(chǎn)業(yè)占地區(qū)總產(chǎn)值比重、電力、工業(yè)廢氣排放量、能源合計(jì)、原煤、民用運(yùn)輸駁船和民用車輛總數(shù)，其他指標(biāo)因子與PM10濃度呈中度關(guān)聯(lián)。

（3）6 個(gè)指標(biāo)層與PM10濃度的綜合灰色關(guān)聯(lián)度順序?yàn)椋簹庀髼l件＞能源消耗＞經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素＞城市交通＞污染物排放情況＞城市建設(shè)，其中氣象條件和能源消耗指標(biāo)層與PM10濃度呈高度關(guān)聯(lián)，其他指標(biāo)層呈中度關(guān)聯(lián)。影響鎮(zhèn)江市PM10濃度的主要指標(biāo)層各年度有所不同：2009～2010年、2016～2018年氣象條件的指標(biāo)層與PM10濃度關(guān)聯(lián)度最大；2011，2012，2014年能源消耗指標(biāo)層與PM10濃度關(guān)聯(lián)度最大；2013年污染源排放情況指標(biāo)層與PM10濃度關(guān)聯(lián)度最大；2015年經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素指標(biāo)層與PM10濃度關(guān)聯(lián)度最大。