聚类主成分分析在城市废气中污染物排放量分析中的应用

□赵双蕊

（河北农业大学理学院河北保定071000）

聚类主成分分析在城市废气中污染物排放量分析中的应用

□赵双蕊

（河北农业大学理学院河北保定071000）

本文对《中国统计年鉴—2014》中31个省、市、自治区6种主要污染物排放量工业二氧化硫、工业氮氧化物、工业烟（粉）尘、生活二氧化硫、生活氮氧化物、生活烟尘共186个数据进行统计分析。根据污染物的排放量，利用软件进行聚类分析，主成分分析将31个地区的主要污染物的排放量进行分类，具体结果见表二和表三，找出影响城市空气质量的最主要的污染物。以此期望对改善我国主要城市的空气质量给出合理的建议。

污染物排放量；聚类分析；主成分分析

我国经济的发展取得了较大成就，但是空气污染问题也日趋严重，严重影响了人们的生活质量和身体健康，阻碍人们的出行。因此，治理空气污染刻不容缓。本文对31个省、市、自治区6种主要污染物排放量的数据利用聚类分析和主成分分析法[1]进行统计分析。目的是将受同类污染物污染的城市进行归类，集中治理，找到影响城市空气质量的主要污染物并加以针对性强制性高效性的整治，以提升空气质量，希望对解决空气质量问题提供技术支持和建议。

1　数据来源

本文数据来源于《中国统计年鉴—2014》中“8-16主要城市废气中主要污染物排放情况”，详情参照中国统计年鉴—2014网站数据。

2　聚类分析

聚类分析又称群分析，它是研究分类问题的一种多元统计方法，所谓类，就是指相似元素的集合[2]。利用软件进行聚类分析的结果如下：

图1　群集数

通过分析比较以上数据，综合各方面的因素，将以上城市分为4类：

表1　群集成员

3　主成分分析：

表2　聚类分析分类结果

主成分分析是将多指标化为少数几个综合指标的一种统计分析的方法。主成分分析是为了达到减少变量的个数同时使得保留的原始变量的信息最多的双重目的而进行的一种分析，此分析方法能够帮助使用者抓住主要矛盾，使复杂的问题简单化，以便更好的分析、解决问题。主成分分析的结果如下:

表3　解释的总方差

表3中，初始特征值中的合计栏代表特征根，代表了主成分的影响强度，特征值比1大，一般认为主成分的影响强度较大。通过观察表中的数据发现，,前两个主成分的特征值超过1，因此，记主成分的个数为两个。另外，第一个主成分方差占所有主成分方差的56.733%，第二个占28.642%。这两个累计达到了85.375%。

表4　成分矩阵

经过分析可知，提取的主成分个数为2，其特征值，贡献率，和累计贡献率见表五：

表5　特征值、贡献率和累计贡献率

记原始变量为x1~x6，两个主成分记为F1,F2，因而，前两个主成分分别为：

第一主成分为：F1=0.786x1+0.792x2+0.826x3+ 0.838x4+0.699x5+0.538x6，

第二主成分为：F2=-0.565x1-0.417x2-0.422x3+ 0.353x4+0.619x5+0.735x6，

第一主成分的表达式中变量前边的系数均较高，但是第一、二、三、四的系数尤其的大，因此，第一主成分可以看成是工业二氧化硫、工业氮氧化物、工业烟（粉）尘和生活二氧化硫的综合。

在第二个主成分中，第一、第五、第六项指标的影响大，第二主成分可以看成是工业二氧化硫、生活氮氧化物、生活烟尘排放量的综合。

由此可见，工业二氧化硫是污染空气质量的罪魁祸首。

4　上述四类的城市空气污染的原因及应对措施：

4.1第一类：

主要原因：

(1)第一个分类里的城市很明显均为经济高度发达的城市，因此私家车的使用情况较为广泛，燃料主要以石油为主，因此造成了大气中氮氧化物的排放增多；

(2)冬季进入采暖期，所使用的燃煤是未处理过的高硫煤，因此煤炭的燃烧使二氧化硫的排放量尤其增多。据统计，北京每年燃烧2300万t标准煤，对煤炭的过度依赖造成了严重的空气污染；

(3)受季风的影响强烈。如太原地区西北风沙肆虐，受该因素的影响，使大气污染越发严重；呼和浩特的西南风和南风对该市的污染物的扩散造成了严重的阻碍；

应对措施：

（1）深化燃煤锅炉拆并工作，采取集中供暖措施。限制使用未经处理过的高硫煤，严格控制原煤的燃烧，同时加强热电企业的热管网的投入使用，集中供暖。

（2）提高机动车尾气排标准，给汽车安装过滤装置。限制私家车的使用，鼓励公民使用自行车、公交车，可借助广播电视和新闻报刊等媒体，大力宣传保护环境的意义，使“保护环境，人人有责”的观念深入到每个人的心里，带动广大公民积极参与到保护环境的行动当中来。

（3）对城市周边实施绿化建设，建立湿地保护区，鼓励植树造林，加强空气净化能力。

4.2第二类：

主要原因：

这些城市的重工业异常发达，中国重工业的聚集地，如天津钢管集团股份有限公司、天津天钢集团有限公司，上海上海宝山区的宝山钢铁总厂，石家庄佛莱曼重工有限公司等等，发达的工业在引导经济快速增长的同时，硫化物和氮氧化物的排放量也随之增多，因此发达重工业的废气排放成为了污染空气的罪魁祸首。

应对措施：

（1）优化用能结构，推动产业优化升级，充分发挥能源的利用率。在加强重工业发展的同时，要注重挖掘可再生能源，如将风能、太阳能等新型能源代替煤炭的燃烧。

(2)提高节能新技术。制定各个行业的排放措施和目标，同时鼓励技术创新，创造节能的新方法；

(3)考虑将重工业企业搬迁至人员稀少的城市边缘地带，有利于减少对人员身体健康的损伤，并且城市周边的空气流通较市中心更为流畅，为污染物的扩散提供便利条件。

4.3第三类：

主要原因：

（1）在该类城市中，地形封闭性较强，空气污染的程度较轻，天气条件是影响空气质量的首要原因。春季由于气温较低，气压高，污染物得不到扩散，冬季因受近地面静稳天气控制，空气在水平和垂直方向流动性均非常小，加上污染物排放量大，大气扩散条件非常差，污染物持续积累，空气污染随之而来。

（2）受逆温天气影响强烈，逆温和小风使污染物持续积累，扩散不利，造成空气污染的积累和持续。

（3）城市的扬尘污染严重，拿南昌市为代表，南昌市工业园区企业和地铁道路施工等大规模现场开挖、粗放施工过程的建筑尘等过程产生了大量扬尘。机动车排气污染严重，据南昌市环保局统计，南昌市颗粒物的产生原因包括：各类扬尘的“贡献率”为27.3%，机动车为20.9%，燃煤为13.1%，工业及溶剂使用为9.8%。其中，机动车尾气位列第二，仅机动车每年排放的氮氧化物超过4000t。

（4）日常生活中烟花爆竹的燃放，城市周边农村地区秸秆的焚烧，露天烧烤产生的大量浓烟也严重污染城市的空气质量。

应对措施：

（1）该类城市中受气象因素的条件较强，因此要因地制宜，要严格控制污染气体的排放，相关部门要及时出台相应的政策，对污染物排放严格把关，加强对重工业企业的治理；

（2）相关环境监管部门对周边的无合格证明的餐饮企业加大力度进行清理整治；

（3）交通管理部门加强对不合格车辆的淘汰工作。政府相关部门在鼓励公民绿色出行的同时，建设自行车的免费租赁点，加强对自行社绿色车道的扩建工作，从根本上改善人民出行的方式。

4.4第四类：

主要原因：

重庆的地理位置特殊，城市主要部分在河谷中，三面环山，风力不大，加上市区的总体城市建筑容积率太高造成空气流通不畅，重工业企业排放的污染气体得不到及时有效的扩散。并由于重庆的经济欠发达，污染企业不敢淘汰，通过观察数据表格会发现重庆2013年工业二氧化硫的排放量高达494415t，在数据中尤其突出。废气的逐渐积累，使空气污染的程度越来月严重。机动车尾气的排放及扬尘污染也大大加剧了的污染程度。

应对措施：

建议郊区杜绝建设工业污染企业，优化产业的结构调整，可以考虑重工业企业的迁移工作，随重工业企业的选址进行合理布局，并有步骤的淘汰重工业污染企业、控制私家车的使用、防治扬尘污染、完善污染监测技术，及时淘汰污染严重企业。

根据理论分析结果，分析了各类城市空气污染的主要原因和应对措施，但是我们是一个和谐的大家庭，治理好空气污染是我们的共同愿望，各个城市之间不能相互孤立起来，而要相互借鉴治理空气污染的成功经验，改善空气质量，并不是一朝一夕能够完成的任务，我们要相互扶持，坚定目标，为营造我们美好的生活环境共同努力！

[1]中国统计局.中国统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2014.

[2]任雪松,于秀林.多元统计分析[M].中国统计出版社, 1999:59.

[3]高惠璇.应用多元统计分析[M].北京大学出版社, 2004:265.

[4]崔占如.聚类-主成分回归法在企业价值评估中的应用[J].河北经贸大学硕士学位论文,2015.

1004-7026（2016）01-0057-01中国图书分类号：X513

A

本文10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2016.01.39

赵双蕊（1994-）女，河北秦皇岛昌黎人，河北农业大学理学院数学与应用专业学生。