基于双权重模糊综合模型的郑州空气质量评价

王 珂,岳大鹏

(陕西师范大学 地理科学与旅游学院,陕西 西安 710119)

近年来,空气质量问题引起了公众的广泛关注,成为当前的热点问题[1-2]。准确评价空气质量,对客观认识城市的空气污染现状、变化趋势及制定相应的污染控制对策具有重要意义。当前,面对日益恶化的环境空气质量,国内外学者进行了很多相关研究,主要集中在空气质量的时空分布特征[3-5]和空气质量的影响因素分析[6-8]两个方面。常用的空气质量评价的方法主要有:空气污染指数法、灰色聚类法[9]、层次分析法[10]以及模糊综合评价法[11]等。其中：空气污染指数法只适用于短期内的空气质量评价;利用灰色聚类法评价空气质量时,可以得到多层次、全面化的评价结果,但白化函数的构造易忽略不相邻等级之间的影响,导致评价结果出现偏差;利用层次分析法时,用绝对值计算标度会加大误差,导致结果与实际不符;模糊综合评价法利用模糊数学定量评价空气质量,综合考虑了各评价因子间的相互关系,评价结果更合理、更全面[12-14]。然而,传统的模糊综合模型一般常用超标倍数赋权法计算权重,只考虑到污染物浓度超标情况,未考虑各污染物本身的毒性作用[15],以致掩盖了某些浓度较低但毒性较大的污染物对空气质量的污染作用[16-19]。

目前,针对郑州市的空气质量研究,主要集中在单个污染因子的时空分布特征[20-21]和影响因素分析两个方面[22],对空气质量整体状况的定量化评价鲜有报道。基于此,本文以郑州市2014～2017年的环境空气质量为研究对象,将各污染物的浓度值和毒性作用共同纳入评价体系,建立了双权重模糊综合评价模型,对其主要空气污染物和空气质量的年度与季节变化特征等进行了相关分析,旨在有效地控制评价误差,更加客观准确、全面地认识郑州市环境空气质量及其变化特征,从而为相关部门制定管理措施提供理论依据。

1 环境空气质量评价

1.1 数据来源及处理

本文采用2014～2017年中国环境监测总站(http://www.cnemc.cn/)以及郑州市环境保护监测中心站8个自动监测站点(供水公司、银行学校、郑纺机、四十七中、市监测站、河医大、烟厂、经开区管委)的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3等6种空气质量指标的日监测值,经过统计与加权平均处理后,得到各种污染物的年平均监测值和四季平均监测值,其中春季为3～5月,夏季为6～8月,秋季为9～11月,冬季为12月～翌年2月。

1.2 建立评价因子集和评价集

根据《环境空气质量标准》(GB 3095─2012)[23]与环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ 633─2012)[24],空气污染物主要包含以下6项: PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3。其中,PM2.5、PM10、SO2和NO2均以年均浓度作为本文的评价浓度,CO以日均值第95位百分位数作为评价浓度,O3以日最大8 h滑动平均值的第90位百分数为评价浓度。因此,建立的郑州市环境空气质量评价因子集U为:

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

为了更详细地区分污染程度,参照《环境空气质量标准》(GB 3095─2012),将两级标准补充为四级标准,即Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级,它们分别代表环境空气质量状况中的清洁、轻度污染、中度污染、重度污染。因此建立的郑州市环境空气质量评价集为:V={Ⅰ级,Ⅱ级,Ⅲ级,Ⅳ级}。郑州市环境空气质量等级标准及各污染物的毒性指数见表1。

1.3 构建模糊关系矩阵

本文采用降半阶梯形隶属度计算公式[25]建立第i个评价因子对第j级标准的隶属度rij,从而确定各评价因子与各级评价标准之间的模糊关系矩阵R,计算公式如下:

当j=1时:

(1)

当j=2或3时:

(2)

当j=4时:

(3)

上式中:i表示第i个评价因子；j表示第j级评价标准,j=1,2,3,…,m;rij表示第i个评价因子对第j级标准的隶属度;Xi表示第i个评价因子实测值的年平均值;Sij表示第i个评价因子的第j级标准。

根据降半阶梯形公式,计算各评价因子对各级评价标准的隶属度,构建2014～2017年及2017年四季郑州市空气质量模糊关系矩阵R,结果如表2和表3所示。

表1 郑州市环境空气质量等级标准及各污染物的毒性指数

1.4 建立权重集

在评价工作中,不同评价因子对评价结果的“贡献率”不同,因此要确定每一个评价因子相应的权重,建立权重集A={a1,a2,…,an}。本文采用超标倍数法计算第i项指标的权重,并进行归一化处理,计算公式如下:

(4)

(5)

上式中:Ci表示采用单因子法计算得到的第i个评价因子的权重；ai表示采用双因子法计算得到的第i个评价因子的权重;fi表示第i个评价因子的毒性指数。

根据单、双因子超标倍数法计算公式,分别计算得到各评价因子的权重值,构建了郑州市2014～2017年及2017年四季各污染因子的权重集A,如表4和表5所示。

表2 郑州市2014～2017年空气质量模糊关系矩阵

表3 郑州市2017年四季空气质量模糊关系矩阵

表4 郑州市2014～2017年各污染因子的权重值

表5 郑州市2017年四季各污染因子的权重值

1.5 构建综合评价矩阵

根据已经计算出的模糊矩阵R和权重集A,运用合适的算子将其进行复合运算,得到综合评价矩阵B:B=A⨁R。

得到综合评价矩阵后,需要对其进行分析与处理,从而得到更为直观的评价结果。首先,根据最大隶属度原则[26],确定评价等级;其次,为了兼顾各评价因子的权重大小,以及充分利用模糊矩阵的信息,本文采用加权平均算子,计算得到各年度空气质量的最终评价值,从而确定评价对象在时间序列中的相对位置,使得评价结果更为直观。加权平均法[27]的计算公式如下:

(6)

式(6)中:C为各等级最终评价值;k为加权系数,本文k=1;bj为综合评价矩阵B中的矢量,j=1,2,3,…,n。

根据郑州市2014～2017年6项空气质量相关指标的数据,采用上述步骤,利用MATLAB编程计算得到了郑州市2014～2017年及2017年四季模糊综合评判结果,如表6和表7所示。

表6 郑州市2014～2017年空气质量模糊综合评价结果

表7 郑州市2017年四季空气质量模糊综合评价结果

2 结果与分析

2.1 郑州市空气质量的年际变化特征

根据上文所述方法,计算得到了郑州市2014～2017年空气质量各污染物的权重值(表4),并对采用单因子、双因子两种方法计算得到的结果进行了比较。由图1可以看出,不同污染物对空气质量的权重有着显著差异，无论是采用单因子法还是双因子法, PM2.5的权重均最大,其次为PM10和NO2,说明郑州市的主要空气污染物为PM2.5、PM10、NO2。因此,有关部门需加强管理，控制颗粒物的排放。另外,2014～2017年,郑州市O3和NO2的权重逐年上升且上升幅度较大,说明这几年臭氧和氮氧化物的污染愈加严重。近年来,空气污染因子的结构发生了一定变化,但影响郑州市空气质量的最主要因素始终是PM2.5和PM10。两种方法所得的结论具有一致性,说明两种方法均适用于郑州市环境空气质量的评价。

a:采用单因子法; b:采用双因子法。

如图2所示,通过双因子法计算得到的2014～2017年郑州市PM2.5的权重远高于单因子法,而NO2对空气质量的权重却有所降低。这主要是因为利用双因子法时,将毒性指数引入了评价体系,且在6种污染物中,PM2.5的毒性最强。说明双因子法综合考虑了各污染物对生态环境的危害程度,避免了单因子法仅靠浓度值所引起的误差,是一种更全面更客观的空气质量评价方法。

图2 采用单、双因子法计算的郑州市2014～2017年PM2.5与NO2的权重值

郑州市2014～2017年空气质量综合评价结果如表6所示,空气质量评价结果为Ⅲ级,属于中度污染水平;而且利用单、双因子法所得的评价结果一致,说明两种方法在空气质量评价研究中均是适用的。图3为2014～2017年郑州市空气质量的最终评价值,从中可以看出，无论是采用单因子法还是双因子法,2014～2017年的最终评价值均呈现波动减小的趋势,这说明郑州市的空气污染治理效果显著,郑州市的环境空气质量正在逐步好转。

图3 2014～2017年郑州市空气质量的最终评价值

2.2 郑州市空气质量的季节变化特征

郑州市2017年四季的空气质量最终评价值如图4所示,空气质量的季节性变化显著。两种方法的评价结果均为：夏季的空气质量最好；其次为春季和秋季;冬季的空气质量最差。

由表5可知, PM2.5和O3的权重值季节性差异最明显。其中,随着季节变化,空气质量状况与PM2.5的权重值呈现正相关;而与O3呈现负相关,即O3的权重值在夏季达到一年当中的峰值,这说明郑州市夏季O3污染严重。郑州市相关部门在治理空气污染时,需考虑空气质量与各种污染物的季节性差异,以改善整体空气质量。

图4 郑州市2017年四季空气质量的最终评价值

如图5所示,在2017年冬季,郑州市PM2.5的权重值所占比重最大,其次是PM10和NO2,尤其是通过双因子法计算得到的PM2.5的权重值高达61.6%,表明郑州市冬季的主要空气污染物为PM2.5。同时,进一步说明,双权重模型将污染物的毒性程度纳入评价体系,是一种更客观、更全面的空气质量评价方法。

a.采用单因子法；b.采用双因子法。

3 结论与讨论

通过单因子法与双因子法计算得到的2014～2017年郑州市主要空气污染物均为PM2.5、PM10和NO2,空气质量评价结果具有一致性,说明两种方法均适用于环境空气质量评价。PM2.5所占的权重最大,说明相关部门需重点控制颗粒物的排放。

根据最大隶属度原则,2014～2017年郑州市空气质量均为Ⅲ级,且呈现逐年好转的趋势,说明政府治理空气污染颇有成效。2014～2017年,郑州市空气质量季节性变化特征明显,即夏季空气质量最好,冬季最差,冬季评价结果均为Ⅳ级,属于重度污染水平。不同污染物的季节性变化特征同样显著,与其他几种污染物不同,O3在夏季达到峰值。

通过双因子法计算得到的2017年郑州市PM2.5和NO2的权重分别约是单因子法的1.9倍和0.5倍,这主要是由PM2.5的毒性最强造成的。双因子评价法跟传统的超标赋权单因子法相比,综合考虑了各个污染物对生态环境的危害程度,是一种更全面更客观的空气质量评价方法。