西安市空气质量检测模型.doc

一. 问题提出1.1背景介绍西安市是中国重要的能源与化工城市，其工业化与城市化的快速发展对城市环境产生了重要影响。由于热电、煤化工等行业的发展，以及汽车数量的不断膨胀。至使城市的空气不可避免的受到污染，近年来，市委市政府立足资源型城市可持续发展战略，努力创建国家园林城市，国家卫生城市，国家森林城市，都对改善市区空气质量提出了更高的要求。二基本假设 (1)表格中已有的数据具有权威性,值得相信,具有使用价值. (2)空气质量相同等级的污染程度相同. (3)假设该市各种影响空气质量的软因素(如工农工业发展,人口数量)保 持平稳变化。 (4)假设各种因素对环境的影响最终主要表现在可吸收颗粒,二氧化硫,二 氧化氮等等上。三问题的分析（1）根据西安市最近几年影响空气质量的因素的进行统计分析，利用API 与AQI两种方法分别对西安市的空气质量做出评价。 (2) 分析影响西安市空气质量的原因； （3）可以建立综合分析模型，利用最小二乘法对西安市2013年4月30-5 月6日的空气质量进行预测。 (4) 就环境空气质量的监测与控制对西安市环保部门提出建议，这可以从 生态建设理念与调整产业结构等方面考虑。 四模型的建立与求解（一）基于API 方法的西安城市大气环境质量评价 1 空气污染指数（API） 空气污染指数, 是一种评价空气质量好坏的量化指标, 它是在美国污染物标准指数( PSI) 评价法的基础上加以简化, 将常规监测的几种空气污染物浓度简化成污染指数, 并分级表征空气质量状况与空气污染的程度, 其结果简明直观, 使用方便, 适用于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势 1-2API 法首先用内插法计算各污染物的分指数, 根据污染分指数确定区域空气污染指数, 并确定该污染物为首要污染物。空气污染指数确定后, 再判定空气环境质量级别并做出空气质量描述。 2 计算各污染物的污染分指数 使用西安市环境监测站提供的西安市大气污染物浓度监测数据, 共设13个点，分别在高压开关厂、兴庆小区、纺织城、小寨、市体育场、高新西区、经开区、长安区、阎良区、临潼区、曲江文化集团、广运潭、草滩。 表一 西安市2012 年大气污染物月均值统计 污染指数与各项污染物质量浓度的关系是分段线性函数, 用内插法计算各污染物的分指数I i ,具体计算方法如下: 对于第i 种污染物的第j 个转折点的污染分指数和相应的质量浓度限值见表2。当第i 种污染物质量浓度时, 其分指数为: 式中: 第i 种污染物的污染分指数; 第i 种污染物的质量浓度监测值; 第i 种污染物j 转折点的污染分指数值; 第i 种污染物j + 1转折点的污染分指数值; 第j 转折点上i 种污染物( 对应于) 质量浓度限值; 第j+ 1 转折点上i 种污染物( 对应于 ) 质量浓度限值。 其中计算时 、 、等4 个参数值可通过查表2 得到。 表2 空气污染分指数及对应的污染物项目浓度限值 质量级别级级1级2级1级2级级状况优良轻微污染轻度污染中度污染中度重污染重度污染AP I指数05051100101150151200201250251300301500 污染分指数的计算结果只保留整数, 小数点后的数值全部进位。计算出2012年1月2013年4月各污染物的污染分指数,见表（3） 表3 2012年1月2013年4月各污染物的污染分指数 年份/年月份/月2012年1月62.9768.7577.75 2月51.46547.12567.375 3月43.446.366.7 4月30.5533.5763.75 5月23.4528.5962.45 6月28.8724.957.3 7月2220.555.5 8月2322.2558 9月2322.2560 10月2431.173 11月302971.5 12月54.3535.297.5 年均值34.7534.1267.56 2013年1月66.5106.9124.52.1456.45 2月5793.75112.52.1747.26 3月50103.451261.41211.5 4月3196.25861.4617.9 根据表3 有API所分析的: 2012年1月-2013年四月西安市大气污染物分指数月分布3判定空气环境质量级别并作出空气质量描述 当各种污染物的污染分指数计算出后, 按下式确定空气污染指数A : A = max ( I 1, I 2, I 3, I i, I n) ( 2)式中: I i 第i 种污染物的污染分指数; n污染物的个数。即选污染物分指数最大者为该区域空气污染指数A , 并确定该污染物为首要污染物。A 确定后, 再按表3 判定空气环境质量级别并作出空气质量描述。 由式( 2) 可得,西安2012年1月份的空气污染指数为A = max ( I 1 , I 2 , I 3) = max ( 63, 69, 78) =78,且首要污染物为可吸入颗粒物。表4可确定1月份的空气质量级别为级, 空气质量为良。同理可以得出西安2012年2月2013年4月全部的评价结果( 表4) 。 表42012年1月-2013年4月西安市空气污染指数法空气质量评价结果 2012年 2013年评价项目1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年平均1月2月3月4月A7868686463585658607372986812511312696空气质量等级111空气质量状况良良良良良良良良良良良良良轻度污染轻度污染轻度污染良 分析表明2012 年全年及各月西安市首要污染物均为可吸入颗粒物, 由表4 可以看出, 年空气污染指数为68, 空气质量等级级, 空气质量状况良好,2013年13月西安市首要污染物均为可吸入颗粒物，空气质量等级级，空气质量状况为轻微污染。2013年4月西安市首要污染物为，空气质量等级级, 空气质量状况良好。4污染物质量浓度与气象条件的关系 从污染物质量浓度资料与气象资料计算作相关分析可知, 2012年1月-2013年4月 PM10月平均质量浓度值与月降雨量呈负相关( 图2) , 相关系数为- 0. 685 8, 显著性水平小于0. 01; 将2004 年PM10日平均质量浓度与前一日平均风速求相关, 所得相关系数为- 0. 319 8, 呈负相关( 图3) , 显著性水平小于0. 001 . 图22012年1月-2013年4月西安PM10月均质量浓度值与月降雨量相关图 图3 2012年1月-2013年4月西安PM10日均质量浓度值与前一天日平均风速相关图（二） 基于AQI 方法的西安城市大气环境质量评价 使用西安市环境监测站提供的西安市大气污染物浓度监测数据, 共设13个点，分别在高压开关厂、兴庆小区、纺织城、小寨、市体育场、高新西区、经开区、长安区、阎良区、临潼区、曲江文化集团、广运潭、草滩。 表2 西安市大气污染物月均值统计污染分指数的计算结果只保留整数, 小数点后的数值全部进位。计算出2012年1月2013年4月各污染物的质量分指数,见表（3） 表3 2012年1月2013年4月各污染物的质量分指数 年份/年月份/月2012年1月62.9268.7577.75 2月51.474767.4 3月43.446.2566.7 4月30.63463.75 5月23.4528.5962.45 6月28.8724.8757.3 7月22.220.555.5 8月22.922.2558 9月22.722.559.97 10月23.873173.4 11月30.4328.7571.7 12月58.735.297.35 年均值35.125834.138367.6058 2013年1月66.49106.9124.72.1456.45 298.8 2月5767.5112.892.1747.26 294.783月50103.45126.1751.41211.5 211.83 4月3196.25861.4617.9 145.75 根据表3 有AQI所分析的: 2012年1月-2013年四月西安市大气污染物分指数月分布4.3判定空气环境质量级别并作出空气质量描述 当各种污染物的污染分指数计算出后, 按下式确定空气质量指数 AQI 确定后, 再按表3划分的空气质量指数级别来判定空气环境质量级别并作出空气质量描述。 表3 空气质量指数及相关信息 4.4 首要污染物及超标污染物的的确定方法 由式( 2) 可得,西安2012年1月份的空气污染指数为AQI = max (AQI1 ,AQI2 , AQI3) = max ( 63, 69, 78) =78,且首要污染物为可吸入颗粒物。表4可确定1月份的空气质量级别为级, 空气质量为良。同理可以得出西安2012年2月2013年4月全部的评价结果( 表4) 。 表42012年1月-2013年4月西安市空气污染指数法空气质量评价结果 2012年 2013年评价项目1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年平均1月2月3月4月A78676764625755586073729767299295212146空气质量等级 V V V空气质量状况良良良良良良良良良良良良良重度污染重度污染重度污染轻度污染 分析表明2012 年全年及各月西安市首要污染物均为可吸入颗粒物, 由表4 可以看出, 年空气污染指数为67, 空气质量等级级, 空气质量状况良好,2013年13月西安市超标污染物均为细颗粒物，空气质量等级V级，空气质量状况为重度污染。2013年4月西安市超标污染物为细颗粒物，空气质量等级级, 空气质量为轻度污染。5污染物质量浓度与气象条件的关系 从污染物质量浓度资料与气象资料计算作相关分析可知, 2012年1月-2013年4月 PM10月平均质量浓度值与月降雨量呈负相关( 图2) , 相关系数为- 0. 685 8, 显著性水平小于0. 01; 将2004 年PM10日平均质量浓度与前一日平均风速求相关, 所得相关系数为- 0. 319 8, 呈负相关( 图3) , 显著性水平小于0. 001 . 图22012年1月-2013年4月西安PM10月均质量浓度值与月降雨量相关图 图3 2012年1月-2013年4月西安PM10日均质量浓度值与前一天日平均风速相关图（三). API-AQI的分析对比 从两种方法的比较中可以看出, 两种方法的评价结果(即I指数 )在2013年以前基本一致.从表四的对比中可看出,2012年1-12月西安市环境空气质量皆为二级,但是在2013年的评价结果出现较大差异.基于API所得的2013年1-4月 空气质量级别皆为二级,而基于AQI所得的2013年1-4月空气质量污染皆为重度污染,而NO2,SO2,PM10 这三项指标 变化不大.从此图的对比中可以看见,基于API所得空气质量指数变化幅度不大,但相反,AQI所得I值在2013年会出现较大波动.API指数法从各份指数中选取其中的最大值进行评价,而忽视其他所有污染物的作用, 环境污染物的影响程度至于他们的超标倍数有关, 只要污染物的超标倍数相等,则认为他们对环境的作用效果是一样的.API指数法虽然简单直观,计算原理与过程简单易行,但从防范本身和 当今的国际环境监测发展趋势来说,API未必是最佳方案.而AQI分析法则考虑了与评价事物相关事物的各个因素,采用实时监测空气污染物 对其所作的 综合评价,AQI的着眼点是考虑到各个相关的因素,可以细致准确的评价环境质量等级.从西安市2012年-2013年4月的AQI评价结果中可以看出,它不仅能反映不同空间.时间环境空气质量状况和各污染因子的”贡献率”,评价过程不受污染因子种类的限制,而且充分考虑了各因子之间的相互联系和互相作用关系,更能客观的反映一定区域的环境空气质量,评价结果更符合实际情况. （四). 分析影响西安市空气质量的原因 2013年，随着新的环境空气质量标准颁布实施，全国重点区域城市空气质量超标率由15%上升到82%。造成西安市空气质量较差的因素主要有三个方面。受经济结构、所处发展阶段等因素制约，人为生产生活污染排放已经成为影响西安空气质量的主要原因。2013年，随着新的环境空气质量标准颁布实施，全国重点区域城市空气质量超标率由15%上升到82%。西安环境空气质量形式相当严峻，属于全国空气质量严重污染城市之一。特别是去冬今春以来，连续遭受强雾霾天气，空气质量持续下降。 按照新标准，今年一季度，西安全市优良天数共5天，优良率仅为5.6%，重度和重度以上污染天数为46天，达到51%。一季度，空气质量四项主要评价指标平均浓度均超标，其中，细颗粒物(PM2.5)超标4.1倍，可吸入颗粒物(PM10)超标3.3倍，二氧化氮超标0.8倍，二氧化硫超标0.4倍。在污染的85天中，首要颗粒物为PM2.5的65天，为PM10的20天。颗粒物(PM2.5和PM10)污染是西安市当前大气污染的主要原因。 造成西安市空气质量较差的因素主要有三个方面。1 首先是人为活动的影响。随着西安国际化大都市建设进程的加快，城市发展与环境容量的矛盾日趋凸显。2012年，西安市二氧化硫排放量约为10.36万吨，氮氧化物排放约9.16万吨，烟粉尘排放量约为3万吨。受经济结构、所处发展阶段等因素制约，人为生产生活污染排放已经成为影响西安空气质量的主要原因。大气污染源解析研究表明，目前机动车尾气、燃煤烟气、烟尘处于西安人为大气排放源的前三位，也是PM2.5的主要来源，约占总量的75%以上。一是西安全市约168万辆的机动车保有量，其尾气中一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物和颗粒物，年排放共计约30万吨，约占PM2.5总量的20-30%。二是西安全市(不含驻军单位)范围共有820台燃煤锅炉，其烟气中烟尘、二氧化硫、二氧化氮，年排放量近20万吨，约占PM2.5总量的20-25%。三是西安全市1100家左右的各类建设工地，施工扬尘再加上物料堆场、道路等产生的烟尘，约占PM2.5的15-25%。2 其次是自然因素的影响。从地理上看，西安地处关中盆地，受秦岭阻挡，再加上城市高大建筑物密集度的不断加大，导致大气扩散条件差。气候上，西安冬春季节气候干燥、降水较少、对流条件较差，静风、逆温、雾天、沙尘等不利条件多发，污染物不易扩散，聚集后污染危害放大。在每年11月下旬到来年2月间容易形成雾霾天气，大气污染问题更加突出。3 是外来污染物的输入。研究分析显示，在常年东北风主导风向的影响下，西安受山西等地上风向输入型污染影响较大。输入物在秦岭山前平原地区汇聚沉降，导致污染物累积。西安市本地自然源及外来输入源约在PM2.5总量的10-15%。（五). 西安市未来空气质量预测模型（综合分析法和最小二乘法） 1 综合分析法 大气污染源就是大气污染物的来源，主要有以下三个： （1）工业：工业是大气污染的一个重要来源。工业排放到大气中的污染物种类繁多，性质复杂，有烟尘、硫的氧化物、氮的氧化物、有机化合物、卤化物、碳化合物等。其中有的是烟尘，有的是气体。 （2）生活炉灶与采暖锅炉：城市中大量民用生活炉灶和采暖锅炉需要消耗大量煤炭，煤炭在燃烧过程中要释放大量的灰尘、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等有害物质污染大气。特别是在冬季采暖时，往往使污染地区烟雾弥漫，呛得人咳嗽，这也是一种不容忽视的污染源。 （3）交通运输：汽车会是城市去的主要运输工具，它们烧汽油或柴油产生的废气也是重要的污染物。特别是城市中的汽车，量大而集中，排放的污染物，对城市的空气污染很严重，成为大城市空气的主要污染源之一。汽车排放的废气主要有一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和碳氢化合物等，前三种物质危害性很大下面将分别对各个因素进行分析：11工业发展分析（1）表1：西安市工业生产、能耗增长变化情况表（1）表1：西安市工业生产、能耗增长变化情况表年份规模以上工业其中:高耗能行业其中:低耗能行业生产指数能耗指数弹性系数生产指数能耗指数弹性系数生产指数能耗指数弹性系数2010年123.6121.6 0.98 123.8 124.5 1.01 122.8 104.1 0.85 2011年123.4117.1 0.95 118.8 117.7 0.99 141.1 113.5 0.80 2012年123.5112.4 0.91 123.5 113.0 0.92 123.6 108.6 0.88 2013年119.8107.8 0.90 118.3 111.4 0.94 125.4 85.2 0.68 （横坐标为2008-2013年，如1代表08年）说明：系列1 为规模以上工业能耗指数 系列2 为其中:高耗能行业能耗指数 系列3 为其中:低耗能行业能耗指数（2） 根据图2-1对未来一周（4月30日-5月6日）西安市工业趋势进行分析如下：从2009年以来，西安市规模以上工业企业连续3年高速增长，工业增加值增长速度保持在23%以上；2012年,由于环境 污染,发展速度开始放缓，达到19.8%；2013年在加大工业影响下,工业经济更是迅速回落，上半年发展速度跌至个位数，只有9.2%。“十一五 以来,以我市工业整体在产业链中的分布情况进行研究入手，清理改善有关管理、激励政策制度，加大对“微笑曲线”前后端的投入，在发展过程中能源消费结构逐步优化，清洁能源使用比重有所提高。虽然工业的发展从一定程度上预示空气污染物的增加，但是由于工业的发展对空气质量的影响，已不是影响空气质量的主要因素。1.2 居民生活炉灶与采暖锅炉分析：2013年集中供热用户已由最初的5 000户增至现在的4万余户,供热面积已达465万m2 ,城市居民住户集中供热普及率达到了95%。未来一周采暖方式主要有以下几个：1.暖气片采暖30%2.地暖采暖40%3.电热膜辐射供暖10%4.个人单户采暖20% 结论：由于科技的发展，采暖方式的改善，城市区域基本全部采用低硫、低灰份及其它清洁能源,二氧化硫和烟尘排放量明显减少，但餐饮服务行业发展迅速,路边烧烤产生大量的油烟直接排放到空气中,对城市环境空气质量产生了一定影响。大量的油烟排放和茶炉、洗浴炉的废气排放以及分散型煤用户燃烧，由于居民生活产生的污染物仍不容忽视。1.3 平顶山市近几年汽车消费市场分析（1）平顶山市汽车销售增长迅速 2012年，西安市限额以上批发零售贸易业汽车累计销售3032辆，同比增长34.8%；销售总额累计实现34201万元，同比增长37.6%；累计实现零售2590辆，同比增长33.6%，零售总额30840万元，同比增长43.8%，高于社会消费品零售总额增速25.5百分点，相比2011年的5830万元增加了25010万元，两年间增长了4.3倍。年底汽车库存157辆，同比增长72.5%，其中轿车库存45辆，同比增长66.7%。综上，2013年全市汽车市场总体特征：销售量与销售额迅速增长，库存增加。（2）轿车零售仍占较大比重。 2012年全市限额以上批发零售贸易业汽车零售累计2590辆，同比增长33.6%；零售总额累计实现30840万元，增长43.8%。其中，轿车零售1509辆，增长54.9%，占汽车零售比重的58.3%。自2010年至2013年以来，轿车零售占汽车零售的比重总体处于不断上升阶段（2011年占33.7%，2012年占50.3%），说明轿车消费的主流地位不断加强。（3）民用汽车拥有量四年翻了一番多 民用汽车拥有量年均增长18.3%。2010-2012年，西安市民用汽车拥有量从57514辆增加到146899辆，同比增长分别为7.2%、12.5%、23.4%、44.2%、10.6%、15.3%，年均增长18.3%。若按近三年年均增长18.3%速度推算，到2013年平顶山市民用汽车拥有量将达到243205辆，与2010年相比将翻二番多。 2012年7月，西安市统计局针对平顶山市主要汽车销售市场进行了非生产经营用小汽车销售情况的市场走访与调查，通过对辖区内16家汽车销售公司市场调查数据与历年统计资料进行观察比较，综合分析影响汽车销售的有利因素与不利因素，认为全市汽车市场特别是轿车消费将在2013年及以后数年继续保持持续稳定的增长趋势，同时提出了发展汽车市场的几点政策性建议.2 基于最小二乘法的灰色预测模型对西安市未来一周内空气质量进行灰色预测模型GM（1，1）2013年4月20-5月6日(天)123456789101112131415空气质量指数928090981329914646639863556274722013年4月20-5月6日(天)161718192021222324252627282930空气质量指数53617275807484851049985707061592013年4月20-5月6日(天)123456789101112131415空气质量指数6684677893100100100125991071491297869 由已知数据,对2013年4月20-5月6日的空气指数记为矩阵 ,计算每年的平均值记为：其中 是发展灰度，是内生控制灰度。 （4） 则由上式可得到2010 年4月20-5月6 日空气指数的平均值,则预测4月20-5月6日的空气指数总值为X=30,根据历年数据,则可以统计处2013年4月每天的空气指数 占整月总值的比例u,即:故2013年4月20-5月 6 日的空气质量指数预测值为：列为下表：2013年4月20-5月6日(天)12345678 9101112131415空气质量指数5361727580748485104998570706159 通过上述所建模型我们对2013 年4月20日-5月6日空气质量指数进行预测,将预测值与实际值进行比较,如下表所示: 并由此数据表格做出相应曲线: 从上图可以较为直观的看出,通过所建模型计算预测出的预测值在较大程度上与实际值吻合,故所建模型是正确可行的.五. 模型的优缺点分析与改进方法(1) 本模型依赖于线性方程构建的想法,模型建立之后进行了修正,得到的结果比较符合实际.方案简洁明了,易于操作;(2) 本模型建立过程中运用了多种方式进行评估,如:最小二乘法,灰色预测模型求解等以保证结果具有高的精度;(3) 运用综合分析的方法来建立模型来预测西安市2013年4月30-5月6日的空气质量状况。但模型还存在缺点和不足，该模型只是从宏观上对未来的空气质量进行预未对具体的数据进行处理，具有一定的局限性。(4) 本模型建立过程 中，适当再加入一些参数可能会使模型更加精细，更符合实际情况。(5) 本模型建立过程中考虑各个因素与空气质量呈线性关系，但实际上线性关系并不一定是最好的模型，还可以考虑2次，多次等关系，所建立的模型会更准确。 六. 就环境空气质量的监测与控制对西安市环保部门提出 建议 1.以生态建设理念知道西安市城市规划和建设布局2. 调整产业结构，推行清洁生产，发展循环经济3. 改善能源结构，促进工业行业的可持续发展4. 实行排污权交易，调动企业污染治理的积极性 5. 引入市场机制，引导企业加大污染治理资金投入6. 加强环境执法，完善环境管理机制7. 实行交通限制，推广使用清洁燃料8. 大力加强城市绿化建设，建立多种形式的城市绿地七. 参考文献 附表1 西安市大气污染物浓度监测数据点位名称SO2NO2PM10COO31小时O38小时PM2.5首要污染物时间全市平均 359913243107116117轻度2013-4-26 全市平均 32101141439599117轻度2013-4-25 全市平均 2799141575978145轻度2013-4-24 全市平均 1978120634044145轻度2013-4-23 全市平均 1763128671111182中度2013-4-22 全市平均 2968101673148148轻度2013-4-21 全市平均 17497251253792良2013-4-20 全市平均 14438452283398良2013-4-19 全市平均 3253243543952159重度2013-4-18 全市平均 407515862107115134中度2013-4-17 全市平均 33579848647973良2013-4-16 全市平均 407810558498178轻度2013-4-15 全市平均 34709348497268良2013-4-14 全市平均 29759556527172良2013-4-13 全市平均 31829864446279良2013-4-12 全市平均 4510710959436387轻度2013-4-11 全市平均 26779854385270良2013-4-10 全市平均 20498949426555良2013-4-9 全市平均 218514960273993轻度2013-4-8 全市平均 3998115672936102轻度2013-4-7 全市平均 24729957293678良2013-4-6 全市平均 224910952223064轻度2013-4-5 全市平均 3279138662225158中度2013-4-4 全市平均 54101139744455159中度2013-4-3 全市平均 5894136701519122轻度2013-4-2 全市平均 39101184803647207重度2013-4-1 4月月均值31.1771225844.11556.346111.612013-43月月均值49.986.9202.5626.74133.766161.82013-32月月均值64.275.117