京津冀地區污染物排放對空氣質量的影響

□文/沈禾子 姜 昊 李 杰

（安徽財經大學統計與應用數學學院 安徽·蚌埠）

一、引言

隨著社會經濟的不斷進步，人們在要求更高層次的健康生活時，空氣質量無疑與其息息相關。環境空氣質量除了受局地氣象要素及氣候變化的影響，也受局地大氣污染物排放影響。有研究表明，在氣象要素和氣候變化相對穩定狀況下，大氣污染物排放對空氣質量狀況起主導作用。研究空氣質量與大氣污染物排放的關系，并找出關鍵參數，探討大氣污染排放變化對空氣質量的潛在影響，對我國轉變經濟增長方式和調整經濟結構政策的制定具有一定的指導意義。

京津冀地區屬于我國五大城市群之一，經濟實力超群，深刻影響著整個社會經濟的發展，所以該地區的空氣質量狀況受到人們越來越多的關注。已知空氣質量與PM2.5、PM10、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、硫化氫、碳氫化合物和煙塵等因素有著密切關系，在此我們依次研究空氣質量與各因素之間的相關性。研究發現，近年來北京和天津PM10 污染日益加重，同時PM2.5 作為近幾年新發現的污染源和PM10 一起成為長期霧霾天氣狀況出現的主因。我們分析近十年來的京津冀地區各污染物濃度數據，根據時間序列對數據進行分析計算，結合模糊綜合評價，得出京津冀三地的空氣質量優劣程度，而空氣質量水平一般用空氣質量指數來表示，則分別計算時間序列中各地區的AQI 值，從而對各地區的空氣質量優劣程度進行分級。同時，針對影響京津冀地區的主要污染源的研究，為了簡化模型，僅探究影響空氣質量因素中的PM10、二氧化氮、二氧化硫三種污染物，運用SPSS 軟件，從中發現除河北省的空氣質量指數AQI 值與SO2強正相關以外，北京和天津的AQI 值均與PM10 極強正相關，可得汽車尾氣已逐步成為最主要的大氣污染源。

二、數據來源與研究方法

（一）數據來源。空氣質量指數（AQI）是衡量空氣質量的重要指標之一。AQI 是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數，參與空氣質量評價的主要污染物為細顆粒物、可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六項，指數越大、級別越高說明污染的情況越嚴重，對人體的健康危害也就越大。在對京津冀地區各污染源進行細分的基礎上，基于環保局2004～2013年京津冀各地區污染物濃度的統計數據，探究不同地區空氣質量優劣程度，并參照國標、美標，計算時間序列數據中各地區的AQI 值，建立衡量空氣質量優劣程度等級的數學模型。

（二）研究方法。首先采用相對偏差模糊矩陣評價方法，所以不需對原始數據進行預處理。由于各污染物排放量所占總污染物排放量百分比不同，需對各地區數據進行模糊綜合評價（它是一種基于模糊數學的綜合評標方法，該綜合評價法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價），得出京津冀三地空氣質量優劣程度，進而計算時間序列中各地區AQI 值，對各地區空氣質量優劣程度進行分級。

結合上述AQI 值和各污染物濃度數據，利用相對分析通過SPSS 軟件的相對分析工具，計算出各污染物對空氣質量的影響程度，進而通過已得出的空氣優劣程度等級，確定影響京津冀各地區空氣質量的關鍵參數，探討關鍵參數對京津冀地區未來空氣質量的潛在影響。

三、結果與分析

（一）2004～2013年京津冀地區空氣質量狀況。2004～2013年京津冀地區的空氣污染物排放濃度均為有效樣本，在研究時段中NO2沒有作為首要污染物出現過，影響三個城市空氣質量的主要污染物是SO2和PM10。參照上述數據，可根據綜合評價得出各地區空氣質量優劣程度：

根據近年來京津冀地區各污染物濃度數據，可得出表1。（表1）上述三項影響因素PM10、二氧化氮、二氧化硫是相關指標，我們應用相對偏差距離最小法進行綜合評價。

A、理想方案為：u=（u10，u20，…，un0）

C、計算各評價指標的權重

再對vj進行歸一化，得到各指標的權數

歸一化可得各指標的權重，可得表2。（表2）

表1

表2

表3

若Ft＜Fs時，則第t 個地區空氣質量優劣程度排在第s 個地區前。運用MATLAB 軟件可計算得到在不考慮其他污染物因素影響下，各個地區的空氣質量優劣程度F。表3 列舉了各地區的F 值。（表3）

由于F1＜F3＜F2，故知河北省空氣質量最優，而北京市空氣質量最劣。

進而根據AQI 計算公式，計算得出時間序列中各地區的AQI 值

其中，I=空氣質量指數，即AQI，輸出值；C=污染物濃度，輸入值；CLOW=小于或等于C 的濃度限值，常量；CHIGH=大于或等于C 的濃度限值，常量；ILOW=對應于CLOW的指數限值，常量；IHIGH=對應于CHIGH 的指數限值，常量。

根據國標規定的污染物濃度限值，由此可得2004～2013年京津冀地區的AQI 值。（表4）參照國標中AQI 等級，我們可以看出，2004～2013 的十年間，河北省和北京市的污染物排放隨著政府對清潔能源、改善能源結構和環境保護的重視逐漸提高，AQI 值即空氣質量指數逐年降低；參照國標AQI 等級可得，空氣質量指數越高，污染越嚴重，即河北省和北京市空氣質量逐年得到改善。

同時，由表5 可以看出，直至2013年河北省的空氣質量指數已達二級（良），而北京市的空氣質量指數雖相較于河北省顯得稍差一些，但也從2004 的中度污染級別降低至2013年的輕度污染級別，說明政府的環境保護政策得到了良好效果；但同時，由表5 可見，在2004～2013年間天津市的空氣質量指數卻有增無減，從2004年的輕度污染級別上升至中度污染級別，且仍有持續上升趨勢，則政府的環境保護政策未能有效治理空氣污染問題，有待實施更有效、更大力度的環保措施。（表5）

表4 2004～2013京津冀AQI值

同理，可參照美標，計算出美標情況下的AQI 數值，進而可分析得出京津冀地區的空氣質量優劣。綜上，以京津冀地區為例，建立衡量空氣質量優劣程度等級的模糊綜合評價模型。

（二）影響京津冀地區空氣質量的關鍵參數。針對影響京津冀地區的主要污染源的研究，我們分別依次分析了京津冀地區空氣質量與各污染物即PM10、二氧化氮和二氧化硫之間的關系。影響空氣質量的因素中，PM2.5、PM10、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、硫化氫、碳氫化合物和煙塵占據主導地位，而空氣質量水平一般用空氣質量指數來表示。為了簡化模型，僅探究影響空氣質量的因素中PM10、二氧化氮、二氧化硫三種污染物，運用SPSS 軟件的相關分析工具，從而找出主要污染源。

相關性分析：相關性分析是指對兩個或多個具備相關性的變量元素進行分析，從而衡量兩個變量因素的相關密切程度。相關性的元素之間需要存在一定的聯系或者概率才可以進行相關性分析。

控制地區不變，運用SPSS 探究影響各地區空氣質量與主要污染物之間的相關性，以下以北京為例。北京的空氣質量指數（AQI）與PM10 之間的相關系數r=0.999，0.8＜r 絕對值＜1，即AQI 與PM10 極強正相關，PM10 逐漸上升，則北京AQI 數值也逐漸增長，空氣質量越差，而PM10 作為可吸入顆粒物，主要是各種工業過程（燃煤、冶金、化工、內燃機等）直接排放的超細顆粒物。同時，我們可以接著對PM10 與AQI 的原始數據進行回歸分析，進行污染參數的區間估計，可得出PM10 的污染參數在95%的置信水平下的區間估計，即［1304.574，1403.834］，由于標準誤差較小，則估計的區間范圍較小，更精確。

則可利用上述方法繼續計算得出影響河北省和天津市空氣質量的關鍵參數：

河北省的空氣質量指數（AQI）與二氧化硫之間的相關系數r=0.693，0.6＜r 絕對值＜0.8，即AQI 與SO2間呈強正相關關系，S02逐漸上升，則河北省AQI 數值也逐漸增長，空氣質量越差，而二氧化硫的排放主要源于煤、油的燃燒。同時，我們可以接著對SO2與AQI 的原始數據進行回歸分析，進行污染參數的區間估計，計算可得二氧化硫污染物的污染參數在95%的置信水平下的區間估計，即［79.792，964.639］，由于標準誤差較大，則估計的區間范圍較大，精確度較低。

表5 北京市

天津市的空氣質量指數（AQI）與PM10 之間的相關系數r=0.987，0.8＜r 絕對值＜1，即AQI 與PM10 極強正相關，PM10 逐漸上升，則天津市AQI 數值也逐漸增長，空氣質量越差，而PM10 作為可吸入顆粒物，主要是各種工業過程（燃煤、冶金、化工、內燃機等）直接排放的超細顆粒物。同時，我們可以接著對PM10 與AQI 的原始數據進行回歸分析，進行污染參數的區間估計，計算得出PM10 的污染參數在95%的置信水平下的區間估計，即［1178.885，1537.211］，由于標準誤差較小，則估計的區間范圍較小，精確度較高。

綜上可得，除了河北省的AQI 值與SO2強正相關以外，北京市和天津市的AQI 值均與PM10 極強正相關，且由于二氧化硫的排放主要源于煤、油的燃燒，而PM10 作為可吸入顆粒物，主要是各種工業過程（燃煤、冶金、化工、內燃機等）直接排放的超細顆粒物，同時二氧化硫屬于氣體狀態污染物，PM10 則屬于氣溶膠狀態污染物。由此，主要污染源則為燃料燃燒、工業生產過程和交通運輸，前兩類污染源為固定源，后一類則為流動源。現如今，汽車排氣已構成大氣污染的主要污染源。

四、結論

本文利用模糊綜合評價法和相對性分析詳細闡述了近十年來的京津冀地區空氣質量狀況和影響空氣質量的關鍵參數，計算得出空氣質量指數AQI 指數與各污染物排放濃度之間的關系，并假設氣候變化相對穩定，結合近十年來京津冀地區各污染物濃度數據，探討未來影響京津冀地區空氣質量的關鍵參數，得到以下結論：

（一）京津冀地區空氣質量狀況有所差別，河北省空氣質量最優，而北京市空氣質量最劣，天津市處于中間位置。同時，隨著污染物濃度變化，近十年京津冀地區空氣質量指數也隨之變化，空氣質量指數越高，污染越嚴重。且根據計算出的數據可看出，河北省和北京市空氣質量逐年得到改善，而天津空氣質量指數卻有增無減。

（二）除了河北省的AQI值與SO2強正相關以外，北京市和天津市的AQI值均與PM10極強正相關，發現PM10是造成京津冀地區大氣污染的主要因素（暫未考慮PM2.5，因2012年以前缺乏PM2.5的觀測資料）。主要污染源則為燃料燃燒、工業生產過程和交通運輸，前兩類污染源為固定源，后一類則為流動源。

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