基于AHP模型评价武汉市大气环境质量

李成，李海波，高丹丹，杨小露

(湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062)



基于AHP模型评价武汉市大气环境质量

李成，李海波，高丹丹，杨小露

(湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062)

通过层次分析法对武汉市2009—2015年大气环境质量进行评价，结果表明：武汉市2009—2015年，大气环境质量一直处于二级标准，其中2014年的大气环境质量最好，2009年的大气环境质量最差．武汉市大气环境质量受PM10和NO2的影响较大，受SO2的影响较小．PM10和NO2对武汉市大气环境质量影响的权重值逐渐变大，而SO2的权重值影响逐渐变弱．从总的变化趋势来看，武汉市的大气环境质量级别正从二级向一级转变，大气环境质量呈现出改善的趋势．

层次分析法；大气环境质量评价；武汉

0 引言

随着我国城市化进程不断加快，加之机动车的保有量在近些年迅速激增，给城市大气环境质量带来了巨大的考验，雾霾天气带来的健康问题已经成为人们关注的焦点．由于城市规模不断扩大以及能源消耗快速增加，粉尘、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物和臭氧的排放量不断变大，使城市大气污染问题日益突出，对人们的身体健康带来了巨大的影响．因此，改善大气环境质量状况成为人们共同呼吁的心声．在此之前，对大气环境质量进行综合评价就显得尤为重要．

由于环境质量受诸多因素的影响，以及人为分级标准模糊和数据的检测随机性大，因此给环境质量评价带来很大的困难．科学合理地描述大气环境质量状况，成为大气环境质量评价的关键所在．目前在大气环境质量评价方面有许多方法，用得较为广泛的方法有层次分析法、模糊综合评价法、神经网络、综合指数法、灰色关联分析法以及改进密切值法等方法[1]，这些方法各有其优缺点，相比之下，层次分析法系统性较强，所需的定量数据较少，方法较为简便，实用性很强．因此，本文中采用层次分析模型对武汉市2009—2015年大气环境质量进行综合评价，以期为武汉市大气污染防治和优化城市布局提供较为科学的决策依据．

1 材料与研究方法

1.1 研究区域概况 武汉市位于江汉平原东部，长江中游与长江、汉水的交汇处．面积8 467 km2，属于亚热带湿润季风气候，雨量充沛、日照充足，四季分明，市区主导风向为北偏东．在冬季大气活动减弱，大气扩散条件不好的情况下，容易造成本地污染物积累，再加上冬季偏北风的影响，容易导致北方的污染物南下进入武汉．

表1 环境空气质量标准(GB 3095-2012) μg/m3

1.2 基础数据来源 以武汉市2009—2015年大气环境监测数据为依据，结合武汉市的实际情况，确定本次大气环境质量评价的因子为二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物．参照GB 3095-2012《环境空气质量标准》(见表1)，对大气污染因子二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物的变化趋势进行统计分析和综合评价．数据来自于武汉市9个国控环境监测点的实测值，见表2．

表2 武汉市2009—2015年大气环境状况表 μg/m3

1.3 研究方法 层次分析法(Analytic Hierarchy Process简称AHP)是将与决策有关的元素分解成目标、准则和措施等层次，是一种将定性与定量相结合的分析方法[2]．该方法由美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于20世纪70年代初提出，最后广泛应用于地区经济发展方案比较、资源规划及人员素质评测等方面．层次分析法分为建立层次结构模型、构造各层次判断矩阵、层次单排序和层次总排序、一致性检验这4个部分．

1) 建立层次结构模型[3]．层次结构模型由目标层、准则层和措施层组成．首先需要明确每一层次的因素及所在位置，然后将它们的关系连接起来，就构成了递阶层次结构．

3) 层次单排序与层次总排序．层次单排序[5]是同一层次相应要素对于上一层次某一要素的相对重要性权值的计算过程及特征向量W的计算过程．层次总排序是计算同一层次所有元素对于目标层的相对重要权重．其计算都可以通过统计软件实现．

表3 平均一致性指标RI

4) 一致性检验[6]．检验判断矩阵一致性指标为CI=λmax-n/(n-1)，平均随机一致性指标RI，见表3．则一致性比率CR=CI/RI[7]，如果一致性比率CR< 0.1，则认为符合随机一致性检验，否则需要对矩阵进行修改．

2 结果与分析

2.1 建立武汉市大气环境质量评价模型 根据评价目的和选取的大气污染因子，将大气环境质量作为层次分析结构的目标层，大气污染因子为层次分析的准则层，大气环境质量级别作为层次分析的措施层，建立武汉市大气环境质量评价的层次分析模型[8]，见图1．

2.2 构造判断矩阵并求特征向量 在大气环境质量层次结构模型中，以评价因子的指数为标度，以国家大气环境质量二级标准为基准，构建各准则层(Bi)的相对重要两两比较判断矩阵(A-B)：B(SO2)/B(SO2)标准；B(NO2)/B(NO2)标准；B(PM10)/B(PM10)标准；由此构建的判断矩阵(A-B)如表4．

图1 武汉市大气环境质量分层指标体系

大气环境质量(A)SO2(B1)NO2(B2)PM10(B3)WiSO2(B1)10.54300.48870.2046NO2(B2)1.841610.90000.3768PM10(B3)2.04621.111110.4186

表5 B1-C判断矩阵

表6 B2-C判断矩阵

表7 B3-C判断矩阵

2.3 层次单排序权重的计算及一致性检验 计算层次单排序权重以及对各判断矩阵进行一致性检验，见表8．可以得出一致性比率CR<0.1，因此判断矩阵满足一致性检验，否则要对矩阵进行修改．

表8 层次单排序和一致性检验

2.5 确定大气环境质量级别 由表9可知，权重值最大对应的大气环境质量级别为二级，权重值为0.583 2，该权重值要大于其他级别的权重值，因此武汉市2009年的大气环境质量为二级．依照上述方法，可以依次得到2009—2015年的层次总排序表(见表10)，经检验这些年份的判断矩阵和排序均满足一致性．

表9 层次总排序

表10 各年层次总排序权重值

3 讨论

根据表10分析得出，武汉市2009—2015年的大气环境质量状况均处于二级标准，比较各年的权重值可以得到武汉市这7年的大气环境质量优劣依次为：2014年>2013年>2015年>2012年>2011年>2010年>2009年．大气环境质量最好的是2014年，其次是2013年，最差的是2009年．

由图2可知，武汉市大气环境质量等级二级权重逐渐降低，从2009年的0.583 2降低到2015年的0.529 5，其中2014年最低为0.512 7，从总的趋势来看，处于下降的趋势，唯独2015年有些许回升，主要和武汉市近两年大量修建地下轨道交通和城市交通管网有关．一级权重总体上呈逐渐上升趋势，导致一级权重值和二级权重值越来越接近，标志着武汉市大气环境质量状况从2009年到2015年有明显改善．

图2 武汉市大气环境质量级别权

图3 武汉市大气环境质量评价因子权重

4 结论

基于层次分析法具有简便、实用性强等特点，对武汉市2009—2015年的大气环境质量进行综合评价，结果表明：2009—2015年间，武汉市大气环境质量一直处于二级标准，其中2014年的环境质量最好，2009年的环境质量最差．研究发现武汉市大气环境质量受NO2和PM10的影响较大，受SO2的影响相对较小．而且NO2和PM10对环境的影响程度逐渐增大，SO2对环境的影响逐渐减小，因此必须加强对NO2和PM10污染的治理，调整能源结构，控制工业污染和汽车尾气排放，减少建筑、道路施工扬尘．从上述分析来看，武汉市大气环境质量等级有从二级向一级转变的趋势，表明这几年武汉市对大气环境的治理与保护取得了一定的效果，武汉市大气环境质量有转好的趋势．

[1] 郑健．基于AHP模型的乌鲁木齐市大气环境质量评价研究[J]．干旱区资源与环境，2013，27(11)：148-153．

[2] 卓倩，杨文卿，钱庆荣，等．层次分析法在福州市大气环境质量评价中的应用[J]．福建师范大学学报(自然科学版)，2012，28(1)：60-65．

[3] 张红日，尹晓林．基于层次分析法的2004—2013年青岛市大气环境质量评价研究[J]．环境科学与管理，2015，40(7)：180-184．

[4] 郭金玉，张忠彬，孙庆云．层次分析法的研究与应用[J]．中国安全科学学报，2008，18(5)：148-153．

[5] 马建华．层次分析法在大气环境质量综合评价中的应用[J]．干旱环境监测，1998，12(3)：169-174．

[6] 吴祈宗，李有文．层次分析法中矩阵的判断一致性研究[J]．北京理工大学学报，1999，19(4)：502-504．

[7] 詹润涛．层次分析法判断矩阵可靠性探讨[J]．数学的实践与认识，2009，39(21)：122-128．

[8] 李恺．层次分析法在生态环境综合评价中的应用[J]．环境科学与技术，2009，32(2)：183-185．

[9] 董燕红，钟定胜，卢小丽．主成分与层次分析法在区域可持续发展能力评价中的应用对比[J]．安全与环境学报，2016，16(1)：359-364．

[10] 吴新国，王杰，彭书时，等．武汉市2001—2005年大气环境质量模糊综合评价[J]．环境科学与技术，2007，30(10)：58-59．

[11]张曙红，武鹏程．武汉市大气环境质量的综合评价[J]．环境科学与技术，2008，31(3)：110-113．

(责任编辑 游俊)

Atmospheric environmental quality assessment for Wuhan with analytic hierarchy process model

LI Cheng, LI Haibo, GAO Dandan, YANG Xiaolu

(Faculty of Resources and Environmental Science, Hubei University, Wuhan 430062, China)

This research assessed atmospheric environmental quality of Wuhan from 2009 to 2015 with the method of analytic hierarchy process(AHP). The assessment indicated that the atmospheric environment quality had been in the secondary standards, of which 2014 year of atmospheric environment quality was best, atmospheric environment quality of the worst in 2009. Wuhan City atmospheric environment quality was strongly influenced by PM10and NO2, the influence of SO2was smaller. PM10and NO2weight value of effects of atmospheric environmental quality in Wuhan City increased gradually, and the impact of SO2was decreasing. From the point of a general trend of change, the atmospheric environmental quality level of Wuhan City was transition from secondary to primary, presented the improvement trend of atmospheric environment quality.

analytic hierarchy process(AHP); atmospheric environmental quality assessment; Wuhan

2016-10-28

李成(1991-)，男，硕士生；李海波，通信作者，教授， E-mail: 1278289302@qq.com

1000-2375(2017)04-0372-04

X823

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.04.008