基于灰色聚类的天津市空气质量影响因素分析

基于灰色聚类的天津市空气质量影响因素分析

越来越多的人关注城市空气。通过国内外环境空气管理的方法也被广泛使用，如污染指数、模糊综合评价、物元分析、主成分分析、等级分析等。预测污染物的主要集中在神经网络、非线性算法和灰色系统上。不同的方法被结合和补充，不断提高预测的精度。研究表明,城市空气质量是由自然过程和人类排放共同决定的,不仅气象条件对空气污染浓度影响很大,各种人类行为促使空气污染源增加也给城市空气质量带来巨大的压力。空气质量影响着人口健康和城市发展,对其进行整体分析具有重要意义。由于所获得的环境空气数据是不完全的,可以将其视为灰色系统,笔者采用灰色理论分析天津市空气质量的关键影响因子,以期为天津市空气污染总量的控制与消减提供依据。1分析1.1相关影响因素年际值采用2001—2009年天津市环境状况公报中SO2、NO2、PM10年均值以及年空气质量达标率作为主要分析对象,其相关影响因素年际值全部来源于天津市环境状况公报、《天津统计年鉴》和《天津年鉴》。1.2聚类分析聚类采用灰色聚类法进行空气质量评价,令2001—2009年为聚类对象,PM10、SO2、NO2为聚类指标,根据《环境空气质量标准》(GB3095—1996)规定,将空气质量分为3个灰类,对聚类指标进行无量纲处理后进行聚类分析。1.3关联度算子的计数分别将SO2、NO2、PM10年均值以及年空气质量达标率作为参考序列X0,各影响因素序列记为Xi,将与参考序列呈负相关关系的影响因素序列进行倒数化算子变换,记为XiD,参考序列与影响因素序列在k时刻的关联系数为ε(k),则第i列相关因素的关联度(γi)为:γi=1m∑k=1mε(k)(1)γi=1m∑k=1mε(k)(1)式中:m为时间点总数。根据关联度的排序,找出影响较大的因子。2结果分析2.1天津市空气概况根据空气污染物浓度变化(见图1),天津市空气质量整体呈现上升趋势。2001—2008年,每年全市空气质量达到或优于二级的天数呈逐年递增。全市空气中PM10年均值除在2006、2009年有小幅波动外,其余年份均逐年下降,年均值为0.088~0.167mg/m3,2001—2006年未达到GB3095—1996二级标准,2007—2009年达标。全市SO2年均值变化分2个阶段,2001—2005年,年均值表现为上升态势,2001年年均值为0.054mg/m3,2005年达到近年来的最高值(0.077mg/m3),自2005后开始逐年下降,2009年为0.055mg/m3,小于GB3095—1996二级标准中规定的0.06mg/m3。全市NO2年均值变化较为平缓,2004年之前略有上升趋势,年均值为0.046~0.052mg/m3,2004—2009年呈下降趋势,2009年时达到0.040mg/m3,天津市NO2年均值均达到GB3095—1996二级标准。采用灰色聚类法评价天津市空气质量,结果见图2。每年聚类系数最大的灰类即为当年空气质量类别。结果显示,2001、2002年天津市空气质量为三类,2003年时二类与三类聚类系数持平,2004—2009年均为二类。三类聚类系数在2001—2003年时较高,在0.4左右,之后每年都逐渐降低,2009年已降至0。二类聚类系数整体呈现上升趋势,仅在2005、2008年略有降低,这是由于天津市当年整体空气质量好转明显,一类聚类系数增大造成的。一类聚类系数2001—2004年不断下降,最低值为0.28,2005年后开始明显上升,2008年最高为0.47。由聚类系数的趋势可看出,天津市空气质量正在向好的方向发展。另外,对天津市2001—2009年空气综合污染指数进行对比分析,结果见图3。由图3可见,2003年前,空气综合污染指数一直较高,在2003年时达到近年来的一个高峰值(3.18),但2003—2004年大幅度降低,并在其后持续下降,尤其是2006—2008年降低显著,2008年空气综合污染指数为近年来最低值(2.41)。结合图2,2003—2004年是天津市空气质量好转的重要分水岭,三类聚类系数大幅度降低,二类聚类系数显著升高,这与空气综合污染指数的分析是一致的。另外,观察一类聚类系数发现,其在2006—2008年内也有明显上扬,这与空气综合污染指数在2006—2008显著下降是吻合的。因此,采用灰色聚类法进行空气质量评价可信度是较高的。2.2相关影响因素的选取空气质量的影响因素是错综复杂的,多种影响因素共同作用综合影响天津市的空气质量状况。本研究从天津市社会经济发展角度综合考虑,根据《天津统计年鉴》、《天津年鉴》,选取了5个类别的30项与空气质量状况或污染物浓度相关的指标,其中包括工业污染排放因素类:如工业废气中SO2排放量、工业废气中烟尘排放量、工业废气中工业粉尘排放量、工业废气排放总量、工业粉尘去除率等;生活及经济发展能耗因素类:如人均生活能源消费、人均生活煤炭消费、万元地区生产总值煤耗、万元工业增加值能耗等;地区产值因素类:如第一二三产业地区生产总值、轻重工业总产值等;城市绿化因素类:如建成区绿化覆盖率、人均公共绿地、城市绿地率等;其他相关因素类:如全市汽车总数、城市环境保护投入、城市集中供热面积、常住人口、房屋建筑施工面积等。对所选取的指标运用灰色关联法进行相关性分析,计算每项指标2001—2009年与SO2、PM10、NO2以及年空气质量达标率的关联度,并从中分别提取出与各类污染物及年空气质量达标率关联度最大的5项指标(见表1)。由灰色关联分析可知,影响天津市城市空气质量的主要因素集中在工业污染排放和能源消耗方面,城市绿化以及其他因素也有不同程度的影响。(1)相关污染因素的联度及排放影响度天津是大型工业基地,工业污染源一直是城市重要污染之一,工业废气中含大量SO2、CO2、硫化物、氟化物、NOX、氯化物、烟尘以及生产性粉尘,其排放量直接影响天津市空气质量。根据灰色关联分析,与SO2相关性最强的指标为工业废气中SO2排放量,其关联度达到0.929;全市烟尘排放量与PM10的关联度达到0.983,为全部指标中的最高,且在表1未列出的其他污染因素中,工业废气中烟尘排放量与粉尘排放量与PM10关联度也在0.9以上;与NO2相关性最大的是工业粉尘去除率,且NO2的前5项指标中工业污染排放因素类占了3项;而对年空气质量达标率来说,位列第1位的是全市烟尘排放量。因此,在所选取的5个类别指标中,对污染物浓度及年空气质量达标率贡献最大的均为工业污染排放因素。实际上,天津市自2006年起全面落实SO2排放总量削减目标责任制,并加大扬尘污染控制行动,减少了工业废气中烟尘排放量,一系列对工业污染排放实行严格控制措施的执行,使天津市SO2年均值由2005年的高峰0.077mg/m3明显减至2006年的0.065mg/m3,并在2007—2009年持续降低,而NO2年均值也由2006年的0.048mg/m3降至2009年的0.040mg/m3(见图1)。可见,工业废气排放控制措施对城市污染物浓度的削减有很大的贡献,这与本研究的灰色关联分析是一致的。(2)能源消耗与no2关联度分析经济增长和生活水平提高不可避免拉动能源消耗,在天津市产业结构中,第二产业在经济发展中一直处于领先地位,综合能源消耗较大,而煤炭占其中绝大部分,是环境污染的重要来源。根据灰色关联分析,与SO2相关性最强的5项指标中,人口及其生活能源消耗占了其中3项,关联度最高的是人均生活能源消费,达到0.924;与PM10相关性较强的为工业能耗因素,万元工业增加值能耗与PM10关联度为0.973,万元地区生产总值煤耗与PM10关联度为0.963,此外人均生活煤耗与PM10相关性也较强,为0.942;生活煤炭消费、能源消耗及常住人口对NO2有很大的贡献率,与NO2关联度排序前10位的因素中,能源消耗类占了5个,最大的为年总生活煤炭消费,关联度达到0.961。年空气质量达标率受多方面因素的影响,其中万元工业增加值能耗占有重要地位。总之,由于生活和经济发展带来的能源消耗在很大程度上影响着天津市空气质量,与工业废气排放一样是最主要的影响因素。(3)园林绿化覆盖率及年约数的比较植物对城市空气中的SO2、粉尘等均有吸附净化作用,理论上讲,城市绿化率越高,空气质量越好。而灰色关联分析也表明,城市绿地率与PM10的关联度高达0.979,建成区绿化覆盖率、人均公共绿地的关联度也达到了0.963及0.962,在30项指标中分列第6、7位。年空气质量达标率关联度最大的5项指标里,城市绿化因素占了2项(城市绿地率和人均公共绿地)。此外,建成区绿化覆盖率对NO2及年空气质量达标率的关联度均排在30项指标中的前10位。从实际行动来看,天津市自2001年起全面实施蓝天工程,其中包括对城市绿化带建设方面的措施,园林绿化工作全面展开,进行了道路、城市景观等多方面的改善。大大提高了城市空气清新度,有效降低了工业区的PM10。可见,城市绿化环境建设对空气质量的影响是很大的。(4)供热面积和达标的关联度在选取的30项指标中,还有很多其他因素与污染浓度及年空气质量达标率有较大的关联度。城市汽车总量是影响SO2、NO2的重要因素;城市环境保护总投入与年空气质量达标率的关联度位列全部指标的第6位、与PM10的关联度在第9位;城市集中供热面积的增加对消除烟尘作用极大,与PM10的关联度高达0.971,且它对提高整体空气质量也有很大贡献,与年空气质量达标率的关联度排在前3名。因此,天津市从2006年起实施《天津市在用机动车排放污染物年度(定期)检测单位委托管理办法》,并在近年来不断完善集中供热设施,在各行业建设中要求更高的环保投入和行动支持,这些措施的执行保障了天津市空气质量的不断改善,具有极强的现实意义。3天津市空气环境监测建议根据分析结果,灰色聚类法显示2001年和2002年天津市空气质量为三类,2003年二类及三类聚类系数基本持平,2004年后均为二类,且正在逐渐向一类靠拢,天津市整体空气质量呈现上升趋势。天津市空气质量受多种因素共同作用的影响,工业废气中各类污染物的排放、能源消耗