基于多模型下的京津冀地區的空氣污染分析

武超

本文針對京津冀地區的空氣污染問題，分別構建空氣質量指數計算、綜合評價、多污染源空氣擴散模型，并對京津冀地區的空氣污染問題給予合理的建議。

據報道，進入今年10月，受不利氣象條件影響，我國京津冀及周邊地區部分城市持續出現重度及以上空氣污染，霧霾“卷土重來”，影響范圍波及26萬平方公里。預計11月至12月，冷空氣活動強度較弱，京津冀及周邊地區氣象條件不利于大氣污染物擴散，出現重污染天氣風險高，2017年1月至2月霾日數或接近近十年同期。

空氣污染帶來了霧霾天氣，擴散在霧霾中的污染物嚴重影響了我們的生命安全，并干擾到了社會的正常運行秩序，影響了國家經濟發展。解決空氣污染迫在眉睫，那么弄清楚污染物如何在空氣中擴散顯得十分重要。

一、新空氣質量指數計算模型

現有的國標評價模型在實際應用中未考慮污染物次大值對空氣質量的影響，這樣會導致測量結果不準確。

引用組中值，均方差，一階原點矩來構建新的空氣質量指數計算模型。

（1）利用冗余分析法作CCA研究：分析得AQI與PM2.5呈正相關且相關性明顯，與其余空氣成分也有較明顯正相關，影響不可忽略。

（2）計算加權平均數：由于n=w1+w2+…wn，得算術平均值

其中Xi為樣本觀測值，n為觀測值個數，w為各觀測值權重。

該數據效果為度量數據的離散程度并反映樣本總體水平，為空氣質量評價的重要指標。

（3）計算標準差：

觀測樣本值的離散程度，標準差可以較簡單的推測離散程度及樣本對空氣質量的影響程度，但由于存在遠大于一階原點矩即算數均值的數據和遠小于的數據，使得標準差并不能真實反映空氣成分對空氣質量的影響，不能滿足空氣質量評價的需要。

（4）查閱文獻提出用組中值：

來劃分整個評價指標。對于大于組中值的成分因子給予較大權重，通過計算它們對算數均值的均方差，反映大于組中值成分因子數據的離散程度：

（5）經過分析得出AQI作為反映大氣環境質量的數字特征，應在反映環境成分因子的基礎上用大于組中值數據的離散程度加以調整，從而建立新的空氣質量指數AQI數學模型：

二、京津冀空氣狀況模糊綜合評價模型

（一）模型的求解

京津冀地區主要考慮空氣污染指數的五個指標：PM2.5，

PM10，CO，NO2，SO2。在中華人民共和國環境保護部發布的環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）（HJ633-2012）上查找到空氣質量分指數及對應的污染物項目濃度限值，再綜合搜集到的北京、天津、石家莊三個京津冀代表區域的五項指標值，數據如下表1所示。

1.根據空氣質量指標評價標準，確定污染物量與各個環境等級之間的隸屬關系。采用分段隸屬函數計算。

依照上述方法分別計算出PM

2.5，SO2，NO2，CO，PM10與各個級別之間的隸屬度，得模糊矩陣。

2.運用特征向量法（利用matlab軟件），分別計算三個京津冀代表區的五項評價指標的權重，列出權重矩陣表。

3.建立模糊綜合評價矩陣，運用MATLAB軟件建立模糊綜合評價矩陣。

（二）模型的分析

根據上述模型的求解可知，PM2.5（細顆粒物）是北京、河北地區的首要空氣污染物，而天津的大氣受工業NO2排放的影響最為突出。

三、多污染源擴散模型

（一）模型的建立（以北京市汽車尾氣排放為例）

STREET-SRI經驗模式[6]認為擴散濃度正比于排放強度，反比于風速及街道寬度，我們在STREET-SRI經驗模式的基礎上稍作改進，建立了以汽車尾氣作為主要污染源的多污染源空氣擴散模型。設污染源的源強為QL，則

，，

上式中?C為由于污染源造成的污染物的增加量，?CL和?Cw分別為背風側和迎風側的污染物濃度增加量，v為計算點附近的風速，y為混合體積幅度，u為障礙物頂上風速，k是經驗系數（通常取k=7），滿足，h和d分別為周圍障礙物的平均高度和測定區域的寬度。

v=k1（u+v），y=k2（l+b），

式中l為監測點到污染源的距離，b為污染源的口徑，v為污染源的平均移動速度。在迎風側，由于混合良好，通常滿足y=d。

（二）模型的求解

以汽車尾氣排放為例，選擇汽車尾氣排放的PM2.5作為研究對象。通過查閱文獻了解到街道峽谷機動車尾氣擴散過程，如圖1。

查找相關資料，得到北京市2015年1月15日二環、四環、六環實時的PM2.5濃度值，代入數據進行計算，求出源強QL。根據查閱相關資料，取v=13m/s，u=2m/s，d=2m，L=7m代入上述公式中，計算結果見表3。

假設從16日開始北京市實行單雙號限行交通管制措施，源強減小一半，根據公式，可以求出汽車尾氣排放引起的污染物的增加量，計算結果如表4所示。

（三）模型的分析

根據上述對模型的求解可知北京市二環、四環、六環路16日早上8點、中午12點、晚上9點的空氣污染濃度梯度變化。

再結合空氣質量指數及對應的污染項目濃度值表分析可知，16日北京實行限號政策以后，空氣污染得到了有效的控制。由于15日重度污染的影響，故各個路段16日早上8時測得的PM2.5濃度值都偏高，均處于二級，中午12時測得的PM2.5濃度值較早上有所下降，但仍然均處于二級，晚上21時測得的PM2.5濃度值較早上和中午有大幅度下降，三個路段均處于一級。三個路段相比較，污染濃度：四環>二環>六環。

四、結語

隨著經濟的增長，落后的經濟增長模式也加重了空氣污染，不同的污染物被排放到大氣中，污染物的不同對空氣質量的影響大小也不同。工業，生活爐灶和采暖鍋爐，交通運輸是產生大氣污染的主要污染源。從國標和美標的空氣質量標準來看PM10、PM2.5、SO2、O3、CO等污染參數都被采用了。通過評價模型進一步分析得，PM2.5、SO2、NO2對于AQI的影響較其他污染物要大。通過上述分析和總結的影響空氣的關鍵參數為PM2.5、SO2、NO2。環保部門應該從控制這三項指標入手，治理京津冀空氣污染。

（作者單位：安徽財經大學統計與應用數學學院）