合肥市2021年主要大气污染物聚类分析*

滁州学院数学与金融学院 夏圳杰，韩雨彤

一、引言

我国经济高速发展的同时也给环境治理带来了巨大的难题，由于经济产业快速发展而带来工业领域、日常采暖系统及交通运输等方面的提升，导致大气污染问题日渐严重，影响了人们的出行及生活质量，进而带来现实危害和潜在威胁，因此我国对于大气污染问题高度重视，并采取措施重点治理污染问题严重的城市。作为环境保卫战重点地区，安徽省合肥市于2015年1月颁布了《安徽省大气污染防治条例》，在2018年9月出台《安徽省打赢蓝天保卫战三年行动计划实施方案》，同年11月通过《合肥市人民代表大会常务委员会关于修改〈合肥市大气污染防治条例〉的决定》，2020年3月制定了《2020年安徽省住建系统大气污染防治工作方案》。近些年通过，不断地对防治管理工作的落实，合肥市的大气重点污染元素含量下降，整体环境质量明显改善。

合肥市作为安徽省的省会城市，总面积11445.1km2，常驻人口数量936.99万人，城镇化率达82.28%。合肥市既是国家综合性区域中心城市，也是国家重要科研教育基地，拥有包括中科大在内的54所高校，同时也是制造业基地和交通枢纽。因其发展快、人口多、涉及广的特征，大气污染物的种类及浓度大幅增涨，例如悬浮颗粒物TSP、臭氧、甲醛、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氰化物等。本文通过聚类分析依据不同地区污染物种类不同的特征对其进行分类，从而减少研究对象的数量。本研究选取9个城区、9个监测点进行调查，通过污染源头和大气环境等方面寻找共性，从而实现对这一现象的治理。

二、研究区概况及研究方法

（一）研究区概况

合肥市位于安徽省中部，共有市辖四个区和五个经济管理区。北起舜耕山、南至巢湖盆地，地域岗冲起伏、垄畈相间。整个地形中部高，南北低，属亚热带季风湿润气候，季风明显，四季分明。合肥市是我国长三角城市群的副中心城市，也是重要科研教育基地和制造业基地，还是重要交通枢纽，拥有安徽南环、江航等多个老牌企业，且近几年发展速度较快，在一定程度上影响着合肥市环境空气质量。

（二）研究方法

聚类分析法是一种多元统计分析方法，以“物以类聚”为理论依据、以指标之间相同之处为标准化，将指标进行划分，并用图形直观地将指标之间的相似度描述出来，其中最为相似的聚成一类，次相似的再聚成一类，直到将所有的指标聚成一大类，这样便形成了一个由点到面的分类系统。通过采用组间连接法，用两个类别中各数据点两两之间距离平方的平均数表示类间距离，再运用SPSS软件运行得到合肥市9个国控监控点2021年主要大气污染物年均浓度的聚类谱系图。系统聚类分析方法的前提是计算并确定各类间距离，距离的计算方式不同，所产生的结果也不同。

三、数据来源

（一）监测点选取

通过真气网（https：//www.zq12369.com）查询合肥市9城区共有大气国控监测点11个。为了更好地反应合肥市9城区环境空气质量，选取三里街、高教基地、包河区、庐阳区、滨湖新区、明珠广场、高新区、董铺水库、长江中路共计9个监测点，均为国控监测点，基本能反应合肥市整体大气质量状况。董铺水库监测点相对于其它8个监测点而言大气环境质量最佳，是合肥市清洁对照点。

（二）数据来源

通过真气网（https：//www.zq12369.com）收集合肥市九个监测点位自2020年1月至2021年1月的主要大气污染物年均浓度，具 体 包 括：PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3共6项指标，监测结果见表1。

四、结果

（一）监测点数据分析

合肥市9个监测点2021年主要大气污染物年均浓度差距较大（表1），依照我国《环境空气质量标准》（GB3095-2012）规定，与大气中6种大气污染物的年平均浓度限制进行比较（表2），发现个别数值差距也较大。SO2、NO2、CO主要源自于汽车尾气的排放以及工业地区的废气污染，其中CO源于含碳的有机物不完全燃烧的产物，SO2及NO2源自于污染废弃的直接排放。而O3是在强光照作用下发生光化学反应的VOCs和NO2所生成的二次污染物。PM2.5细颗粒物既可以是以固态形式产生的一次粒子，也可以是由硫和氮的氧化物反应所产生的二次粒子，对人体健康危害较大。

表1 空气污染物年均浓度监测结果表

表2 6种大气污染物年均浓度限值

从表2可以看出，包河区监测点的PM2.5浓度最高为36µg/m3，远远高于国家规定的一级浓度限值20µg/m3；PM10浓度第二高，为74µg/m3，也高于国家规定的二级浓度限值。而PM2.5、PM10在董铺水库监测点最低，且基本与国家一级浓度限值相近。包河区监测点的SO2浓度（8µg/m3）、NO2浓度（42µg/m3）也为最高值。董铺水库的SO2浓度（6µg/m3）、NO2浓度（24µg/m3）均显示较低。说明在合肥市9城区中，包河区监测点污染物浓度相对较高，仅CO浓度稍低，为0.9µg/m3，低于一级浓度限值；O3浓度在董铺水库监测点最高，达156µg/m3，接近二级浓度限值。

（二）数据标准化

由于不同监测点6种主要大气污染物年均浓度变化幅度较大，因此需要进行标准化处理，消除数据在数量级和量纲上的不同，从而使各指标值处于同一数量级别，以便于系统聚类分析。运用SPSS软件进行标准化处理，处理结果如表3所示。

表3 空气污染物年均浓度的标准化

（三）聚类结果

通过应用系统聚类分析方法，对合肥市9个监测点空气质量进一步分类。选用组间连接法、欧式距离进行聚类，将监测点空气质量各作一类进行编号，以空气污染物年均浓度作为指标来聚类，运用SPSS统计软件输出聚类谱系图。

合肥市9个国控监测点空气污染物数值的分类结果，基本分为两大类（董铺水库除外）。首先高新区、长江中路、滨湖新区、明珠广场、高教基地、庐阳区聚为第一大类，其次三里街、包河区聚为第二大类。其中第一大类又包括三小类，分别是：高新区、长江中路、滨湖新区、明珠广场一类；高教基地、庐阳区自成一类，见表4。

表4 各监测点分类结果

（四）结果分析

聚类谱系图显示，董铺水库自成一类，空气质量最佳，而一个地区的大气环境质量状况最主要取决于两大因素——污染源和大气扩散条件的相互作用。董铺水库位于合肥市的上风口，水域较大、水质较好，大气扩散条件较优越，且远离其它监测点、受周围工业污染较小，由此反应出董铺水库是清洁对照监测点。

另外8个监测点明显聚为两类，第一大类包括高新区、长江中路、滨湖新区、明珠广场、高教基地、庐阳区。这一类监测点的PM10浓度相对较高，说明烟囱与车辆的污染源排放较多。高新区、长江中路、滨湖新区、明珠广场人流量较多，交通出行车辆流量较大，附近有许多工业产业，可能是导致该监测点PM10浓度较高的原因；各监测点SO2浓度均较低且可以达到一级浓度限制，说明脱硫技术较为先进；NO2较高且位于二级浓度限值前后,说明燃料燃烧较高、汽车尾气排放较为严重；CO较低，说明含碳的化石燃料燃烧较为完全；而O3位于一级限值与二级限值之间，趋近于二级浓度限值160，说明各监测点O3来源较多，且高新区人流密集，明珠广场客流量、汽车出行数量较多,长江中路四周车辆较为拥挤，这些可能是导致O3含量较大的原因。此外，第一大类又分为三小类，其中高新区、长江中路、滨湖新区、明珠广场分为一类，高教基地与庐阳区各自自成一类，其中高教基地与庐阳区的PM10相对较高，O3指数相对较低，说明高新区、长江中路、滨湖新区、明珠广场的工业产业更多，人流量更为密集。

第二大类包括三里街与包河区，这一类监测点大气扩散条件相对较好，但由于地理位置相近，可能具有相似的污染源。三里街临近汽配城，包河区临近人力资源开发有限公司，且两个监测点都处于合肥市中心附近，人口密集，能源消耗量大，因此可能导致颗粒污染物排放增加，汽车尾气排放严重，污染物浓度升高，进而导致NO2浓度较高；其次O3浓度最低，说明三里街和包河区的O3可能向城郊转移。

五、结论

通过以合肥市为研究区，收集合肥市9个环境监测点在2020年到2021年期间内PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3共 6种主要污染物年均浓度，运用SPSS软件进行系统聚类分析，得出如下结论：

（1） 分 析 2020年 1月 至2021年1月共365天的合肥市9个监测点的监测数据可知：合肥市2021年空气质量整体良好，综合指数3.97，首要污染物为PM2.5，年均浓度为 32.5µg/m3，首次达到国家空气质量二级标准，6项监测指标首次全面达标。2021年空气质量优良天数达到313天，优良率高达85.8%，创下自监测以来的新高。大气污染物实现协同控制，大气污染治理取得里程碑式突破。

（2）根据聚类分析结果可将9个监测点划分为两大类型，主要是由于合肥市自西北向东南倾斜，地形差异岗冲起伏，大气扩散条件良好，导致西北部的监测点空气质量普遍好于东南部的监测点。合肥市主要污染物为PM2.5和PM10，9个国控监测点年均浓度分别高于一级浓度限值和二级浓度限值。通过系统聚类分析发现，两大类型和每一小类都有相似污染物且与地理位置有较高相关性，说明聚类分析法可作为城市空气质量评价的方法。