聚類主成分分析在城市廢氣中污染物排放量分析中的應用

□趙雙蕊

（河北農業大學理學院河北保定071000）

聚類主成分分析在城市廢氣中污染物排放量分析中的應用

□趙雙蕊

（河北農業大學理學院河北保定071000）

本文對《中國統計年鑒—2014》中31個省、市、自治區6種主要污染物排放量工業二氧化硫、工業氮氧化物、工業煙（粉）塵、生活二氧化硫、生活氮氧化物、生活煙塵共186個數據進行統計分析。根據污染物的排放量，利用軟件進行聚類分析，主成分分析將31個地區的主要污染物的排放量進行分類，具體結果見表二和表三，找出影響城市空氣質量的最主要的污染物。以此期望對改善我國主要城市的空氣質量給出合理的建議。

污染物排放量；聚類分析；主成分分析

我國經濟的發展取得了較大成就，但是空氣污染問題也日趨嚴重，嚴重影響了人們的生活質量和身體健康，阻礙人們的出行。因此，治理空氣污染刻不容緩。本文對31個省、市、自治區6種主要污染物排放量的數據利用聚類分析和主成分分析法[1]進行統計分析。目的是將受同類污染物污染的城市進行歸類，集中治理，找到影響城市空氣質量的主要污染物并加以針對性強制性高效性的整治，以提升空氣質量，希望對解決空氣質量問題提供技術支持和建議。

1　數據來源

本文數據來源于《中國統計年鑒—2014》中“8-16主要城市廢氣中主要污染物排放情況”，詳情參照中國統計年鑒—2014網站數據。

2　聚類分析

聚類分析又稱群分析，它是研究分類問題的一種多元統計方法，所謂類，就是指相似元素的集合[2]。利用軟件進行聚類分析的結果如下：

圖1　群集數

通過分析比較以上數據，綜合各方面的因素，將以上城市分為4類：

表1　群集成員

3　主成分分析：

表2　聚類分析分類結果

主成分分析是將多指標化為少數幾個綜合指標的一種統計分析的方法。主成分分析是為了達到減少變量的個數同時使得保留的原始變量的信息最多的雙重目的而進行的一種分析，此分析方法能夠幫助使用者抓住主要矛盾，使復雜的問題簡單化，以便更好的分析、解決問題。主成分分析的結果如下:

表3　解釋的總方差

表3中，初始特征值中的合計欄代表特征根，代表了主成分的影響強度，特征值比1大，一般認為主成分的影響強度較大。通過觀察表中的數據發現，,前兩個主成分的特征值超過1，因此，記主成分的個數為兩個。另外，第一個主成分方差占所有主成分方差的56.733%，第二個占28.642%。這兩個累計達到了85.375%。

表4　成分矩陣

經過分析可知，提取的主成分個數為2，其特征值，貢獻率，和累計貢獻率見表五：

表5　特征值、貢獻率和累計貢獻率

記原始變量為x1~x6，兩個主成分記為F1,F2，因而，前兩個主成分分別為：

第一主成分為：F1=0.786x1+0.792x2+0.826x3+ 0.838x4+0.699x5+0.538x6，

第二主成分為：F2=-0.565x1-0.417x2-0.422x3+ 0.353x4+0.619x5+0.735x6，

第一主成分的表達式中變量前邊的系數均較高，但是第一、二、三、四的系數尤其的大，因此，第一主成分可以看成是工業二氧化硫、工業氮氧化物、工業煙（粉）塵和生活二氧化硫的綜合。

在第二個主成分中，第一、第五、第六項指標的影響大，第二主成分可以看成是工業二氧化硫、生活氮氧化物、生活煙塵排放量的綜合。

由此可見，工業二氧化硫是污染空氣質量的罪魁禍首。

4　上述四類的城市空氣污染的原因及應對措施：

4.1第一類：

主要原因：

(1)第一個分類里的城市很明顯均為經濟高度發達的城市，因此私家車的使用情況較為廣泛，燃料主要以石油為主，因此造成了大氣中氮氧化物的排放增多；

(2)冬季進入采暖期，所使用的燃煤是未處理過的高硫煤，因此煤炭的燃燒使二氧化硫的排放量尤其增多。據統計，北京每年燃燒2300萬t標準煤，對煤炭的過度依賴造成了嚴重的空氣污染；

(3)受季風的影響強烈。如太原地區西北風沙肆虐，受該因素的影響，使大氣污染越發嚴重；呼和浩特的西南風和南風對該市的污染物的擴散造成了嚴重的阻礙；

應對措施：

（1）深化燃煤鍋爐拆并工作，采取集中供暖措施。限制使用未經處理過的高硫煤，嚴格控制原煤的燃燒，同時加強熱電企業的熱管網的投入使用，集中供暖。

（2）提高機動車尾氣排標準，給汽車安裝過濾裝置。限制私家車的使用，鼓勵公民使用自行車、公交車，可借助廣播電視和新聞報刊等媒體，大力宣傳保護環境的意義，使“保護環境，人人有責”的觀念深入到每個人的心里，帶動廣大公民積極參與到保護環境的行動當中來。

（3）對城市周邊實施綠化建設，建立濕地保護區，鼓勵植樹造林，加強空氣凈化能力。

4.2第二類：

主要原因：

這些城市的重工業異常發達，中國重工業的聚集地，如天津鋼管集團股份有限公司、天津天鋼集團有限公司，上海上海寶山區的寶山鋼鐵總廠，石家莊佛萊曼重工有限公司等等，發達的工業在引導經濟快速增長的同時，硫化物和氮氧化物的排放量也隨之增多，因此發達重工業的廢氣排放成為了污染空氣的罪魁禍首。

應對措施：

（1）優化用能結構，推動產業優化升級，充分發揮能源的利用率。在加強重工業發展的同時，要注重挖掘可再生能源，如將風能、太陽能等新型能源代替煤炭的燃燒。

(2)提高節能新技術。制定各個行業的排放措施和目標，同時鼓勵技術創新，創造節能的新方法；

(3)考慮將重工業企業搬遷至人員稀少的城市邊緣地帶，有利于減少對人員身體健康的損傷，并且城市周邊的空氣流通較市中心更為流暢，為污染物的擴散提供便利條件。

4.3第三類：

主要原因：

（1）在該類城市中，地形封閉性較強，空氣污染的程度較輕，天氣條件是影響空氣質量的首要原因。春季由于氣溫較低，氣壓高，污染物得不到擴散，冬季因受近地面靜穩天氣控制，空氣在水平和垂直方向流動性均非常小，加上污染物排放量大，大氣擴散條件非常差，污染物持續積累，空氣污染隨之而來。

（2）受逆溫天氣影響強烈，逆溫和小風使污染物持續積累，擴散不利，造成空氣污染的積累和持續。

（3）城市的揚塵污染嚴重，拿南昌市為代表，南昌市工業園區企業和地鐵道路施工等大規模現場開挖、粗放施工過程的建筑塵等過程產生了大量揚塵。機動車排氣污染嚴重，據南昌市環保局統計，南昌市顆粒物的產生原因包括：各類揚塵的“貢獻率”為27.3%，機動車為20.9%，燃煤為13.1%，工業及溶劑使用為9.8%。其中，機動車尾氣位列第二，僅機動車每年排放的氮氧化物超過4000t。

（4）日常生活中煙花爆竹的燃放，城市周邊農村地區秸稈的焚燒，露天燒烤產生的大量濃煙也嚴重污染城市的空氣質量。

應對措施：

（1）該類城市中受氣象因素的條件較強，因此要因地制宜，要嚴格控制污染氣體的排放，相關部門要及時出臺相應的政策，對污染物排放嚴格把關，加強對重工業企業的治理；

（2）相關環境監管部門對周邊的無合格證明的餐飲企業加大力度進行清理整治；

（3）交通管理部門加強對不合格車輛的淘汰工作。政府相關部門在鼓勵公民綠色出行的同時，建設自行車的免費租賃點，加強對自行社綠色車道的擴建工作，從根本上改善人民出行的方式。

4.4第四類：

主要原因：

重慶的地理位置特殊，城市主要部分在河谷中，三面環山，風力不大，加上市區的總體城市建筑容積率太高造成空氣流通不暢，重工業企業排放的污染氣體得不到及時有效的擴散。并由于重慶的經濟欠發達，污染企業不敢淘汰，通過觀察數據表格會發現重慶2013年工業二氧化硫的排放量高達494415t，在數據中尤其突出。廢氣的逐漸積累，使空氣污染的程度越來月嚴重。機動車尾氣的排放及揚塵污染也大大加劇了的污染程度。

應對措施：

建議郊區杜絕建設工業污染企業，優化產業的結構調整，可以考慮重工業企業的遷移工作，隨重工業企業的選址進行合理布局，并有步驟的淘汰重工業污染企業、控制私家車的使用、防治揚塵污染、完善污染監測技術，及時淘汰污染嚴重企業。

根據理論分析結果，分析了各類城市空氣污染的主要原因和應對措施，但是我們是一個和諧的大家庭，治理好空氣污染是我們的共同愿望，各個城市之間不能相互孤立起來，而要相互借鑒治理空氣污染的成功經驗，改善空氣質量，并不是一朝一夕能夠完成的任務，我們要相互扶持，堅定目標，為營造我們美好的生活環境共同努力！

[1]中國統計局.中國統計年鑒[M].北京:中國統計出版社,2014.

[2]任雪松,于秀林.多元統計分析[M].中國統計出版社, 1999:59.

[3]高惠璇.應用多元統計分析[M].北京大學出版社, 2004:265.

[4]崔占如.聚類-主成分回歸法在企業價值評估中的應用[J].河北經貿大學碩士學位論文,2015.

1004-7026（2016）01-0057-01中國圖書分類號：X513

A

本文10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2016.01.39

趙雙蕊（1994-）女，河北秦皇島昌黎人，河北農業大學理學院數學與應用專業學生。