基于GM（1，1）模型的寧夏回族自治區(qū)空氣污染物濃度的預(yù)測及分析

高麗霞

（寧夏大學(xué)新華學(xué)院，寧夏 銀川 750000）

城市環(huán)境污染是指人們在生產(chǎn)和居住活動中，對自然界排放的各種大氣污染物超過了其自身的凈化能力，并給人們的身體健康及生產(chǎn)和生活造成的嚴(yán)重影響。目前，中國城市的空氣污染以煙灰型居多，首要物質(zhì)為二氧化硫、二氧化碳、PM2.5以及煙霧。如何有效控制城市污染，改善空氣質(zhì)量，已越來越受到各國的重視。在我國的城市環(huán)境質(zhì)量預(yù)測中，建立一個科學(xué)、精確的預(yù)測模型非常必要。當(dāng)前，GM（1，1）預(yù)測模型在城市環(huán)境預(yù)測中得到了廣泛運用。

1 灰色理論模型GM（1，1）概述

灰色系統(tǒng)論是控制理論的一個新興領(lǐng)域[1]，是將監(jiān)控論的思想與方法運用到整個現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)體系的結(jié)果，這也是監(jiān)控理論和交通技術(shù)的融合，其主體是灰階、白化、淡化、定量；模型化和優(yōu)化是其重點，其目標(biāo)是預(yù)測和調(diào)節(jié)各類灰色系統(tǒng)的發(fā)展方向。它能夠從以往延伸到未來，并以此為基礎(chǔ)，對未來某一特定時間內(nèi)的特定數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報。其主要工作有：灰色系統(tǒng)的模型研究、灰色因素的相關(guān)分析研究、灰色分析方法與控制技術(shù)、灰色分析與控制方法、灰色控制系統(tǒng)的優(yōu)化研究等。1981年，鄧聚龍教授率先提出了“灰色體系”的基礎(chǔ)理論，后來又相繼出版了不少有關(guān)灰色系統(tǒng)的學(xué)術(shù)論文與專著，逐漸形成了現(xiàn)代灰色系統(tǒng)理論，從1982年開始，灰色理論在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、氣象等領(lǐng)域得到了應(yīng)用[2]。該理論能解釋具有高度不確定性影響的特定區(qū)域現(xiàn)象，已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象等領(lǐng)域。

2 GM（1，1）模型的建立方法

（1）本研究將寧夏回族自治區(qū)環(huán)境空氣主要污染物隨時間變化的年平均濃度作為原始的序列x(0)：

用x(1)建立白化方程：，稱之為GM（1，1）模型的原始形式。

（4）建立預(yù)測公式為：

（5）檢驗建模的兩種方法：

①求出x(0)(k)與x(0)(k)之殘差Δk，相對誤差e(k)：

②求出原始數(shù)據(jù)平均值，殘差平均值：

以上兩種方法都以殘差值作為評判模型準(zhǔn)確率的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)性越高則平均偏差B值愈低愈好，通常使用的精度表見表1。

表1 精度檢測等級參數(shù)表

但是，如果建立的模型有很大的殘留偏差，并且不能達(dá)到預(yù)期的準(zhǔn)確率，則可以對其余的GM（1，1）進(jìn)行解析和修正，提高其準(zhǔn)確率。

3 模型及模擬結(jié)果

本文采用寧夏回族自治區(qū)2015～2021年度大氣污染監(jiān)測資料和GM（1，1）模式的建模原則，采用DPS軟件對矢量a、矢量c進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了表2和表3中的數(shù)值，并由此得到了相應(yīng)的污染預(yù)報模式。

表2 2015～2021年寧夏回族自治區(qū)空氣主要污染物 單位：μg/m3

表3 發(fā)展灰數(shù)a和c控制灰數(shù)計算結(jié)果

得出SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5的預(yù)測模型如下：

根據(jù)上述污染物的預(yù)測模型，可得到寧夏回族自治區(qū)空氣的主要污染物預(yù)測結(jié)果，如表4所示。

表4 預(yù)測結(jié)果 單位：μg/m3

4 模型的檢驗與分析

根據(jù)上述建模過程，統(tǒng)計各項分析數(shù)據(jù)的值，如表5所示。

由表5可以看出，SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5相對誤差很小，其相應(yīng)關(guān)聯(lián)度為99.9%、99.63%、99.90%、99.59%、99.84%、99.72%，當(dāng)C＜0.35時，則表示預(yù)測精度等級合格，灰色模型合格。SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5檢測的C數(shù)值都在0.35以下，表明平均方差比例為1；P值都在0.95以上，而較低的錯誤率為1。該模型可應(yīng)用于寧夏回族自治區(qū)大氣主要污染物的預(yù)報，預(yù)報的結(jié)果如表5所示。

表5 預(yù)測模型的各種檢驗結(jié)果

5 結(jié)論

（1）采用灰色系統(tǒng)GM（1，1）模型理論所構(gòu)建的寧夏回族自治區(qū)環(huán)境中主要污染物的模型，通過對模型偏誤的殘差和相互影響的檢驗，并加以綜合考慮之后，結(jié)果顯示所構(gòu)建的模型都是正確的，所有預(yù)測的結(jié)果，即SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5含量的擬合數(shù)值都與實際數(shù)據(jù)的總體趨勢一致。其中，SO2等的相對基本誤差都小于4%；PM2.5最大誤差為0.46%；其他濃度指標(biāo)的相對誤差均在合理的控制范圍內(nèi)，GM（1，1）模型具有較高的擬合能力，預(yù)測結(jié)果具有較高的可信性，能反映寧夏回族自治區(qū)主要污染物的變化情況。

（2）通過對該模式的預(yù)報，除PM10、O3、PM2.5濃度指標(biāo)外，其他指標(biāo)都呈現(xiàn)出明顯的下降態(tài)勢，本文給出了詳細(xì)的預(yù)報數(shù)據(jù)。

（3）在新燃料技術(shù)、污染物控制方法以及管制措施不變的情況下，預(yù)計到2024年，PM10仍將是寧夏回族自治區(qū)環(huán)境空氣的首要污染物，為滿足對室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求，政府有關(guān)單位必須采取相應(yīng)的方法來逐步減少PM10的排放量，從而減少室內(nèi)空氣中PM10的含量。

（4）為了更好地預(yù)防大氣污染[3]，有關(guān)單位應(yīng)合理安排都市產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局并合理劃分城區(qū)空間功能，做好地區(qū)綠化，加強(qiáng)對住宅中環(huán)境污染源的控制；食堂、公用衛(wèi)生間的安全管道、生活垃圾儲放室、垃圾桶等，都會排放有害廢氣導(dǎo)致城市大氣污染，因此需要通過衛(wèi)生部門和相關(guān)單位的配合，強(qiáng)化控制；為合理控制城市中的煤源環(huán)境污染，應(yīng)采取原煤脫硫工藝，優(yōu)先采用低硫的能源，包括隕磺較小的低硫煤和天然氣等；應(yīng)設(shè)置較大型的電熱企業(yè)和供暖站，以實現(xiàn)地區(qū)集中供暖供熱，特別是要將熱電廠和供暖站放在大中城市郊外，尤其是在冬季供暖困難、矮煙密集的北方；對交通運輸工具尾氣的處理非常關(guān)鍵，為減少發(fā)動機(jī)尾氣污染，我們應(yīng)該鼓勵車主加裝催化反應(yīng)裝置，讓汽油完全燃燒，減少有害物質(zhì)造成的污染，提升空氣質(zhì)量。