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利用层次分析法评价泉州市和南安市大气环境质量学生：理工学系 环境科学专业 122592008019 何鹭凤 课程：环境与健康 任课老师：杨文卿【摘要】本文介绍了层次分析法的原理、特点及步骤，根据GB3095-1996大气环境质量标准，采用层次分析法对泉州市和南安市2005年-2010年的大气环境质量进行了综合评价，并从地理位置、气候、经济和能源结构这四方面分析比较两个城市的评价结果，从而对地区的大气环境质量有更为理性客观的认识，对地区经济与环境的和谐发展有更为深刻的理解。结果表明：泉州市和南安市的大气环境质量均为一级，从分析结果来看南安市的大气环境质量较优于泉州市。【关键字】大气环境质量；层次分析法；南安；泉州1. 前言大气环境质量直接影响人类的日常生活和健康，通过对大气环境进行质量评价，市民可及时了解所处生存空间的环境质量，为日常起居和工作生活计划提供参考。同时，有关部门也能依据评价结果作为参考，进行相关规划工作的安排与调整。大气环境质量综合评价实际上是依据大气污染物浓度的分级标准，比较待评价的大气环境各污染物监测值与哪级标准浓度最接近，则视为符合该级大气环境质量。大气环境质量的评价方法主要有层次分析法1 （Analytic Hierarchy Process简称AHP）、模糊综合评价法2、灰色关联分析法3、综合指数法4等，它们各有特色。而层次分析法能够克服样本点多、数据量大的缺陷，并且可靠度比较高、误差小，从而使系统因素间的量化分析成为可能。同时，层次分析法适合处理各类繁杂问题，能把人们主观的直觉、经验与客观的理性、规律及数学的逻辑推理完美地结合起来， 在多层次评价指标权重确定方面具有优越性，因而是一种内涵丰富、适用广泛的评价方法。本文选用层次分析法对泉州市及南安市2005年-2010年的大气环境质量现状进行评价，从地理位置、气候和经济方面分析比较两个城市的评价结果，更准确的揭示大气环境质量。2. 层次分析法层次分析法是美国匹兹堡大学教授T.L.Saaty于20世纪70年代提出的一种系统分析方法5。该法主要用于多目标、多准则、多要素、多层次的非结构化的复杂决策问题，特别是在战略决策问题的研究中，具有十分广泛的应用。通过这种方法，可以将复杂的问题分解为若干层次和若干因素，在各因素之间进行简单的比较和计算，得到不同方案重要性程度的权重，从而为决策方案的选择提供依据6,7。层次分析法的基本原理是将评价系统的有关替代方案的各种要素分解为若干层次，并以同一层次的各种要素按照上一层次要素为准则，进行两两判断比较，计算出各要素的权重后，进而根据综合权重按最大权重原则确定最优方案。2.1 层次分析法的特点层次分析法作为一种有效的决策工具有着明显优点。第一是它的适用性。用层次分析法进行决策，输入的信息主要是决策者的选择与判断，决策过程充分反映了决策者对决策问题的认识，加之很容易掌握这种方法，这就使以往决策者与决策分析者难于互相沟通的状况得到改变。在多数情况下，决策者直接使用层次分析法进行决策，这就大大增加了决策的有效性。第二是它的简洁性。了解层次分析法的基本原理，掌握它的基本步骤，经过计算后，所得的结果简单明确，一目了然。第三是它的实用性。层次分析法不仅能进行定量分析，也可以进行定性分析。它把决策过程中定性与定量因素有机地结合起来，用一种统一方式进行处理。许多决策问题如资源分配、冲突分析、方案评比、计划等均可使用层次分析法8。对某些预测、系统分析、规划问题、层次分析法也不失为一种有效方法9-11。第四是它的系统性。它的特点是把问题看成一个系统，在研究系统各组成部分相互关系以及系统所处环境的基础上进行决策。对于复杂问题系统方式是有效的决策思维方式。2.2 层次分析法的方法和步骤2.2.1 建立层次结构模型在深入分析实际问题的基础上，将有关的各个因素按照不同属性自上而下地分解成若干层次，并将它们按照：最高层（目标层）若干中间层（准则层）最底层（方案层）的次序排列起来。本文中根据所要解决的问题将大气环境质量作为层次分析的目标层，将大气质量评价因子作为层次分析的准则层，将大气环境质量级别作为层次分析的方案层，建立大气环境质量层次结构模型1。2.2.2 构造判断矩阵判断矩阵表示针对上一层次中的某元素而言，评定该层次中各有关元素相对重要性程度的矩阵。由于层次结构模型确定了上下层元素间的隶属关系，我们就可以针对上一层的准则构造不同层次的两两判断矩阵。本文在大气环境质量这一目标(A)下，构造各准则（Bi）的相对重要性两两比较判断矩阵。判断矩阵(A-B)的构造方法是以评价因子的指数为标度。判断矩阵（Bi-C）是以评价因子的浓度值与其相对应各个大气环境质量级别的标准值之差的绝对值的倒数作为标度。判断矩阵的最大特征根及特征向量采用方根法进行计算。具体步骤如下1： 计算两两判断矩阵每一行元素的乘积Mi 计算Mi的n次方根对向量T做正规化：得特征向量 计算两两判断矩阵的最大特征值2.2.3 层次单排序层次单排序是指根据判断矩阵计算对于上一层某因素而言，本层次与之有联系的因素的重要性次序的权值。它是本层次所有因素相对上一层而言的重要性进行排序的基础。层次单排序可以归结为计算判断矩阵的特征根和特征向量问题，特征向量W即为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。为了检验矩阵的一致性，需要计算它的一致性指标CI，定义，作为检验指标。将CI与平均随机一致性指标RI进行比较，RI的值如表112。定义两两判断矩阵的一致性比率，如果CR0.1则认为判断矩阵具有满意的一致性。否则当CR0.1时，就需要修正判断矩阵，直到满意为止。表1 平均随机一致性指标Table1 mean random consistency index平均随机一致性指标与阶数的关系矩阵阶数123456RI0 0 0.58 0.90 1.12 1.24 2.2.4 层次总排序及其一致性检验利用同一层次中，层次单排序的结果，就可以计算针对上一层次而言本层次所有因素重要性的权值，这就是层次总排序。层次总排序需要从上到下逐层顺序进行，对于最高层下面的第二层，其层次单排序即为总排序。假定上一层次所有因素A1，A2，Am的总排序已完成，得到的权值分别为a1,a2,am,与ai对应的本层次因素B1，B2，Bn单排序的结果为：，。 可按表2的方法计算其下一层次中各要素对层次而言的总排序权值12。表2 层次总排序表Table 2 hierarchy general ranking层次A1A2AmB层次总排序权值a1a2amB1B2Bn为评价层次总排序的计算结果的一致性如何，需要计算与单排序类似的检验量。CI为层次总排序一致性指标；RI为层次总排序平均随机一致性指标；CR为层次总排序随机一致性比例。它们的表达式分别为：式中，(CI)i为与ai对应的层次中判断矩阵的一致性指标。式中，(RI)i为与ai对应的层次中判断矩阵的平均随机一致性指标。当CR 0.10时，我们认为层次总排序的计算结果具有满意的一致性。2.2.5 确定大气环境质量级别根据层次总排序表中序号为1、2、3可以确定大气环境质量级别。表中序号所对应的大气环境质量级别，即为评价区域的大气环境质量级别。3 实例分析对泉州市和南安市2005年-2010年的主要污染物监测数据运用层次分析法进行大气环境质量综合评价。以SO2、NO2和PM10为评价因子，2005年-2010年泉州市和南安市各年的大气污染因子监测统计值如表3，表4。下面分别对这两个市的近几年大气环境质量进行综合评价。表3 泉州市区2005-2010年大气主要污染物监测数据Table 3 The Evaluation of Air Atmospheres Quality of Quanzhou年份SO2（mg/m3）NO2（mg/m3）PM10（mg/m3）20050.0260.0180.07820060.0260.0160.06520070.0290.0200.06520080.0260.0190.06420090.0200.0160.05620100.0210.0210.067注：数据来源于泉州市环境质量状况公报。表4 南安市2005年-2010年大气主要污染物监测数据Table 4 The Evaluation of Air Atmospheres Quality of Nanan年份SO2（mg/m3）NO2（mg/m3）PM10（mg/m3）20050.0280.0220.07620060.0220.0240.06620070.0180.0190.04920080.0130.0190.04520090.0110.0190.04820100.0220.0160.058注：数据来源于南安环境监测站。以2010年泉州大气环境的监测数据进行计算。3.1 建立层次结构模型根据我国大气环境质量标准（GB3095-1996）13将大气质量分为三级，如表5。表5 环境空气质量标准Table 5 Ambient air quality standard评价因子B级别与标准值（mg/m3）（C1）(C2)(C3)SO2（B1）0.020.060.10NO2（B2）0.040.080.08PM10（B3）0.040.100.15建立大气质量层次结构模型如图1目标层大气环境质量SO2NO2PM10级级级准则层方案层图1 大气环境质量分层指标体系Fig.1 Index system of Air Atmospheres Quality3.2 构造判断矩阵并求最大特征根、特征向量判断矩阵（A-B）以大气环境质量二级标准为基准，用各评价因子的分指数作为标度1：由此构建的各个因子的相对重要两两比较判断矩阵（A-B）如下表6：表6（A-B）判断矩阵Table 6 judgment matrix of A-BAB1B2B3按行求积n次方根正规化AWiB111.3270.5200.6900.8840.2720.8159B20.75410.3920.2950.6660.2050.6148B31.9232.55214.9091.7000.5231.5693各级标准的相对重要两两比较判断矩阵（Bi-C）是以评价因子的浓度值与其相对应各个大气环境质量级别的标准值之差的绝对值的倒数作为标度1：由此构建的各个因子的相对重要两两比较判断矩阵（B-C）如下表7-表9：表7（B1-C）判断矩阵Table 7 judgment matrix of B1-CB1C1C2C3按行求积n次方根正规化AWiC1143.44487.8893818.28415.6300.9672.9002C20.02312.0230.0470.3600.0220.0668C30.0110.49410.0060.1780.0110.0330表8（B2-C）判断矩阵Table 8 judgment matrix of B2-CB2C1C2C3按行求积n次方根正规化AWiC113.1053.1059.6432.1280.6081.8247C20.322110.3220.6850.1960.5876C30.322110.3220.6850.1960.5876表9（B3-C）判断矩阵Table 9 judgment matrix of B3-CB3C1C2C3按行求积n次方根正规化AWiC111.2223.0743.7571.5550.4671.3996C20.81812.5152.0581.2720.3821.1451C30.3250.39810.1290.5060.1520.4553由以上几个表可得（A-B）矩阵的特征向量W=（0.272，0.205，0.523）T最大特征根 =3.000同理可知（B1-C），（B2-C），（B3-C）三个矩阵的特征向量和max。(B1-C)矩阵 W=（0.967，0.022，0.011）T max=3.012 (B2-C)矩阵 W=（0.608，0.196，0.196）T max=2.999 (B3-C)矩阵 W=（0.467，0.382，0.152）T max=2.997 3.3 判断矩阵的一致性检验（A-B）矩阵的一致性检验：=0，00.1（B1-C）矩阵的一致性检验：=0.006，0.010.1（B2-C）矩阵的一致性检验：=0.0005，0.000860.1（B3-C）矩阵的一致性检验：=0.0015，0.00260.1由此可见, 判断矩阵具有满意的一致性。3.4 层次总排序及其一致性检验（1）层次总排序（见表10）表10 泉州市区2010年层次总排序Table 10 Hierarchy general ranking of Quanzhou in 2010层次B1B2B3层次总排序0.2720.2050.523权值序号C10.9670.6080.4670.632 1C20.0220.1960.3820.246 2C30.0110.1960.1520.123 3（2）总排序的一致性检验0.2720.006+0.2050.0005+0.5230.0015=0.0025（0.272+0.205+0.523）0.58=0.58于是：0.00430.1所以层次总排序具有满意的一致性。用同样的方法，我们可以得到泉州市区2005-2009年及南安市2005-2010年层次总排序表分别见表11-表21。并且检验它们各自的判断矩阵和层次总排序，均具有满意的一致性。表11 泉州市区2009年层次总排序Table 11 Hierarchy general ranking of Quanzhou in 2009层次B1B2B3层次总排序0.3040.1830.513权值序号C10.9960.5710.6520.7421C20.0020.2140.2370.1612C30.0010.2140.1110.0963表12 泉州市区2008年层次总排序Table 12 Hierarchy general ranking of Quanzhou in 2008层次B1B2B3层次总排序0.2290.2090.563权值序号C10.7690.4530.8080.7261C20.1490.2740.1310.1652C30.0820.2740.0610.1103表13 泉州市区2007年层次总排序Table 13 Hierarchy general ranking of Quanzhou in 2007层次B1B2B3层次总排序0.2440.2100.546权值序号C10.7880.4550.7950.7221C20.1370.2730.1400.1672C30.0750.2730.0640.1113表14 泉州市区2006年层次总排序Table 14 Hierarchy general ranking of Quanzhou in 2006层次B1B2B3层次总排序0.2340.1800.586权值序号C10.7690.4480.7950.7271C20.1490.2760.1400.1672C30.0820.2760.0640.1063表15 泉州市区2005年层次总排序Table 15 Hierarchy general ranking of Quanzhou in 2005层次B1B2B3层次总排序0.2060.1780.617权值序号C10.7690.4510.6440.6361C20.1490.2740.2510.2342C30.0820.2740.1050.1303表16 南安市2010年层次总排序Table 16 Hierarchy general ranking of Nanan in 2010层次B1B2B3层次总排序0.320.1740.506权值序号C10.9270.5710.6160.7081C20.0490.2140.2640.1872C30.0240.2140.120.1063表17 南安市2009年层次总排序Table 17 Hierarchy general ranking of Nanan in 2009层次B1B2B3层次总排序0.2040.2640.533权值序号C10.7780.5920.8120.7481C20.1430.2040.1250.1502C30.0790.2040.0640.1043表18 南安市2008年层次总排序Table 18 Hierarchy general ranking of Nanan in 2008层次B1B2B3层次总排序0.240.2630.498权值序号C10.8130.5920.8780.7881C20.1210.2040.0800.1232C30.0650.2040.0420.0903表19 南安市2007年层次总排序Table 19 Hierarchy general ranking of Nanan in 2007层次B1B2B3层次总排序0.2920.2310.477权值序号C10.9330.5920.7900.7861C20.0440.2040.1390.1262C30.0230.2040.0700.0873表20 南安市2006年层次总排序Table 20 Hierarchy general ranking of Nanan in 2006层次B1B2B3层次总排序0.2760.2260.497权值序号C10.9270.6360.4820.6391C20.0490.1820.3690.2382C30.0240.1820.1490.1223表21 南安市2005年层次总排序Table 21 Hierarchy general ranking of Nanan in 2005层次B1B2B3层次总排序0.3110.1830.506权值序号C10.7350.6170.3350.5111C20.1840.1910.5020.3462C30.0820.1910.1630.14333.5 确定大气环境质量级别根据2010年层次总排序表可知，当表中序号为1时，所对应的大气环境质量为级，其权重值为0.632，远远超过其他序号对应的权值。因此，我们可以得知，泉州市区2010年的大气环境综合质量为级。同理，我们可以从以上各表中得知，泉州市2005年-2009年的大气环境综合质量均为级，其相对应的权值分别为0.636，0.727，0.722，0.726，0.742，南安市2005年-2010年的大气环境综合质量均为级，其相对应的权值分别为0.511，0.639，0.786，0.788，0.748，0.708，如图2。图2 泉州市与南安市2005年-2010年级层次总排序值Fig.2 First level Hierarchy general ranking of Nanan and Quanzhou in 2005-20104 分析与结论从表10到表21的可以看出，泉州市区和南安市2005年-2010年的大气环境质量综合评价均属于级。从图2中，我们可以发现南安市在2007年-2010年这几年的级权重也是在0.7以上，平均权重高于泉州市，说明了南安市近几年的大气环境质量会较优于泉州市区。泉州市区近几年的大气环境质量变化趋势为由低到高，然后呈较平稳状态，但在2010年有一个明显下滑的现象。南安市的大气质量变化从2005年开始，则明显的呈现快速好转并逐步趋于平稳的态势。其中，泉州市2005年的级大气质量的权重为0.632，2006年-2009年四年的级大气质量的权重较为接近，均为0.7以上，而2010年的权重则在0.7以下，大气环境质量与前几年相比较有所下降。该结果与2010年泉州市环境质量状况公报的结果一致。经分析可能的原因主要有以下几个方面：一是受北方强沙尘暴天气的影响，2010年3月22日-23日泉州市环境空气质量出现了重度污染，主要污染物为可吸入颗粒物，其浓度之高是泉州市实现环境空气自动监测以来所罕见的；二是受市区主要交通道路“白改黑”施工的影响，第四季度出现了5天轻微污染；三是市区机动车拥有量较大增加，机动车尾气对城市空气质量产生影响。2005年的大气环境质量相对其他几年较差些，这与当时泉州市的工业企业烟尘、粉尘排放污染问题未得到彻底解决，城市扬尘、机动车尾气排放污染也未得到有效控制有很大的关系。另外，南安市的大气质量变化从2005年开始，则明显的呈现快速好转并逐步趋于平稳的态势。这主要的原因是：南安市从2005年的时候，为了招商引资，开始重视环境问题，优化投资环境。2005年南安重新启动了滨海工业基地，开工建设滨江（泉州）汽配与工程机械产业基地，加大力度推进扶茂工业区、成功工业区、水暖工业区建设，并着手规划建设阀门、建陶、鞋业、五金等产业基地，工业园区与专项产业基地的建设，改变了以往无序、杂乱、高污的产业模式，这对于大气环境质量的改善取到了至关重要的作用；另外，2005年开始，南安加快了沿海大通道沿海边路段、省道308线拓改、外二环路、柳美北路等项目建设步伐，全市通行政村公路实现全部硬化，有序整洁的交通环境对于城市扬尘的减少也起到了一定的作用。影响空气质量的因素主要有气象条件，浮尘、扬尘、沙尘暴和汽车尾气、工业排污、生活烟尘及冬季采暖等诸多因素。接下来从以下几个方面对评价的结果进行进一步的分析：一，地理位置的影响。南安地处南亚热带，山清水秀。地势西北高、东南低，由中山、低山渐次过渡到丘陵台地、平原、坡麓、海滩、明显阶状倾斜，全市面积2036平方公里。泉州市也是依山面海，境内山峦起伏14,地势西北高东南低，其山地1000多万亩，耕地217万亩，山地、丘陵占土地总面积的五分之四。南安和泉州市均为闽南沿海中小城市，冬暖夏凉，冬季无采暖期，无需考虑冬季采暖的问题15。明显的由于泉州市地区大，且泉州是福建省下辖的一个地级市，是人口积聚的中心，人口密集，交通拥挤，工业生产规模越来越大，能流物流高度集中，使得空气污染日益加剧。南安市是一个县级城市，森林覆盖率为62%，工业发展水平比泉州低，且工业以水暖电镀业为主，污染气体产生量较小，因此空气质量会较优于泉州市。但从表16-表19，我们可以看到在2007年-2010年这几年里，随着南安市的不断发展，级空气质量的权重值正逐渐变小。二，气候气象的影响。泉州市地处福建东南沿海，属亚热带海洋性气候，季风明显，雨量集中，日照充足，夏秋季常受台风侵袭14。降雨多集中在5-9月份，占全年雨量的67，山区风向受地形影响，受季风影响显著。南安市属亚热带海洋性季风气候，温润潮湿，冬半年盛行东北偏东风，夏半年盛行西南偏南风，冬无严寒，夏无酷热，四季宜人，风资源比较丰富，而水资源比较缺乏16。台风的主要影响是带来大量的强降水和大风，强降水对污染物的稀释和清除作用十分明显，而大风则有利于将污染物扩散15。南安市与泉州市相比，处于更靠沿海的泉州市受到台风的影响较多，因此台风对减轻泉州空气污染起的作用较大。三，经济的影响。由于地理位置的优越，历史悠久的原因，泉州地区的经济发展迅速。由于有丰富的矿产资源，第一大非金属矿藏花岗岩，储量约30亿立方米，南安的石材企业为南安带来了一定的经济发展，2010年南安工业经济全年工业总产值762.7亿元，增长14.8%。规模以上工业企业885家，净增38家；产值592.46亿元，增长13.5%，增幅持续居泉州市前列。南安经济的不断进步，人口也不断增多，交通逐渐拥挤，机动车尾气排放也会对空气质量造成一定的影响。四，能源结构。大气污染还有一个不容忽视的因素是燃煤，城市中的能源消耗主要是煤，燃煤排放的污染物占燃料燃烧产生污染物的96%，对此，泉州市政府部门也做出相应的措施，08年开始，泉州市政府开始强力推进中小锅炉烟气脱硫，组织实施进一步加强建陶行业污染整治方案，加强现场检查、指导，督促全市206家建陶企业完成水煤气脱硫治理（其中南安占61家），推进整治工作有序开展，现已完成脱硫168家，酚水治理165家，取缔关闭10家。这对泉州市区和南安市的空气质量改善起到了积极的作用。通过运用层次分析法对南安市和泉州市区进行大气环境质量评价，除了让我们对这两个地市的大气环境质量有了更加直观的比较认识之外，更可以让我们深刻的了解到大气环境质量与人类活动是密切相关的，人类在提升经济力量的同时也应当注重对环境的保护，这样才会使得我们生活的环境越来越美好。参考文献1 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