基于模糊綜合法的巴彥浩特大氣環境質量評價

沈夢蘭　李靜　韓龍　金鏡　陳成賀日

摘要：模糊綜合評價法是以模糊數學為基礎，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，從多個因素對被評價事物隸屬等級狀況進行綜合性評價的一種方法。本文基于模糊綜合評價法，以SO2、NO2、PM10為評價指標，參照《環境空氣質量標準》（GB3095-1996）確定評價標準集，采用超標倍數賦權法確定污染物權重，對巴彥浩特鎮2015-2017年大氣環境質量進行評價。結果表明：2015-2017年巴彥浩特首要污染物都為PM10；2015年大氣環境質量為Ⅱ級（良好），2016年和2017年為Ⅰ級（清潔），大氣環境質量逐漸好轉。

關鍵詞：大氣環境質量；模糊綜合評價；巴彥浩特

中圖分類號：X823 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）06-0014-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.06.007

Abstract： The fuzzy comprehensive evaluation method based on fuzzy mathematics is a method that quantifies some factors which are unclear and difficult to quantify and comprehensively evaluates the status of the subordinate status of the evaluated object from multiple factors. In this paper， based on the fuzzy comprehensive evaluation method， using SO2， NO2， and PM10 as evaluation indexes， referencing Ambient Air Quality Standard （GB3095-1996） to determine the evaluation standard set， and using the excessive multiple weighting method to determine the weight of pollutants， evaluates atmospheric environmental quality of Bayan Hot in 2015-2017. The results showed that the primary pollutants were PM10 in 2015-2017； the atmospheric environmental quality in 2015 was Grade II （good）， Grade I （cleaning） in 2016 and 2017， and the quality of atmospheric environment gradually improved.

Key words： Atmospheric environment quality； Fuzzy comprehensive evaluation； Bayan Hot

自《大氣污染防治行動計劃》（簡稱“氣十條”）頒布以來，大氣環境質量日益受到人們的關注和重視?？茖W準確評價大氣污染水平和環境質量，不僅可以讓我們正確認識現有大氣環境質量水平，同時可以預測未來發展趨勢，為環境管理提供數據參考。目前，大氣環境質量評價方法[1]很多，其中AQI指數法以其形式簡單、計算方便等特點得到廣泛使用，絕大多數環境管理部門都在用此方法評價大氣環境質量，但該方法只是單一的從各個污染物是否超標的角度去評價大氣環境，沒有考慮各個污染物對環境的貢獻，忽略了大氣環境是一個多因素相互作用的復雜動態系統，是多種污染物指標綜合作用的結果。模糊綜合評價法[2]-[8]是一種基于模糊數學的綜合評價方法，從多個指標對被評價事物隸屬等級狀況進行綜合性評判，同時可以做到定性和定量因素相結合，使評價結論更加可信，具有結果清晰，系統性強的特點，能更加科學真實全面反映大氣環境質量整體狀況。

1 模糊綜合評價法及步驟

模糊綜合評價法是借助模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即對受到多種因素制約的事物或對象作出一個整體的評價。

1.1 基本原理

首先確定被評價對象的因素集（指標）集合評價（等級）集；再分別確定各個因素的權重及它們的隸屬度矢量，獲得模糊評判矩陣；最后把模糊評判矩陣與因素的權重矢量進行模糊運算并進行歸一化，得到模糊綜合評價結果。

1.2 模糊綜合評價法的步驟

1.2.1 確定評價對象的因素集

設U={u1，u2，…，um}為刻畫被評價對象的m種評價因素（評價指標），其中m為評價因素的個數，由具體的指標體系決定。

1.2.2 確定評價對象的評語集

設V={v1，v2，…，vn}，是評價者對被評價對象可能做出的各種總的評價結果組成的評語等級的集合，n為總的評價結果數，一般劃分為3-5個等級。

1.2.3 單因素評價，建立模糊矩陣R

單獨從一個因素出發進行評價，以確定評價對象對評價集合V的隸屬程度，稱為單因素模糊評價。構造了等級模糊子集后，逐個對被評價對象從每個因素ui上進行量化，即確定從單因素來看被評價對象對各等級模糊子集的隸屬度，得到模糊關系矩陣：

1.2.4 確定評價因素的權重向量

權重是被評價事物總體中各因素相對重要程度的量值。設A={a1，a2， …，am}為權重（權數）分配模糊矢量，其中ai表示第i個因素的權重，ai>>0，∑ai=1，A即為權重集。確定權重的方法[9]很多，有專家調研法（Delphi法）、層次分析法（AHP法）、加權平均法、熵值法、均方差法等。

1.2.5 多因素綜合評價

在建立了A 和R 之后，利用合適的合成算子將A與模糊關系矩陣R合成得到被評價對象的模糊綜合評價結果向量B，即B = A·R。

B=A·R=（a1，a2， …，am）=（b1，b2， …，bn）

bj表示被評價對象從整體上看對評價等級模糊子集元素vj的隸屬程度。根據最大隸屬度原則，若在矩陣B = （ b1，b2，…bn）中存在bj = max （ b1，b2，…bn），則該評價對象級別應該為第j 級。

2 巴彥浩特鎮空氣質量分析

巴彥浩特鎮共有三個環境空氣自動監測站點，分別位于西花園、蒙二幼、環保局新樓，監測點位布設規范，可全面反映環境空氣質量狀況。

依據《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）中大氣污染物污染程度及分類標準，以巴彥浩特鎮2017年空氣自動站監測數據為準，對全鎮二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、顆粒物（PM10）和顆粒物（PM2.5）月均變化情況進行評價與分析，見圖1。

由圖1可知，PM10和PM2.5變化趨勢整體相同，上半年污染物濃度明顯高于下半年，5月PM10和PM2.5呈跨越式增大，分別達到159μg/m3、57μg/m3，尤其是PM10，幾乎為全年平均值的2倍，主要是因為5月是我盟沙塵暴頻發期，導致顆粒物污染較為嚴重。6月以后，PM10和PM2.5濃度呈下降趨勢，空氣質量明顯轉好。SO2和 NO2變化趨勢大體相同，除一季度和四季度濃度稍高外，其他季節基本沒有變化，主要原因在于一、四季度為供暖季，煤煙型污染導致SO2和 NO2濃度偏高，但全年仍屬于環境空氣質量一級。

3 巴彥浩特空氣質量模糊綜合評價

3.1 確定評價對象的因素集

選取巴彥浩特鎮2015-2017年主要污染物SO2、NO2、PM10作為評價指標，即因素集U={SO2，NO2，PM10}。

3.2 確定評價對象的評語集

我國于2012年對《環境空氣質量標準》（GB3095-1996）進行修改，將污染物濃度排放限值由三個等級修改為兩個等級。由巴彥浩特污染物實際監測數據可以看出，其中污染物 PM 10 的濃度比新標準中的Ⅱ級標準（70μg/m3 ）還要高很多，故不能詳細描述污染狀況，有效區分污染程度。因此，本文仍參照原有三級標準（見表1）。確定評價標準集V={Ⅰ級（清潔），Ⅱ級（良好），Ⅲ級（輕度污染）}。

3.3 確定隸屬度函數，建立單因素模糊矩陣R

參照有關文獻[9]，本研究中各評價因子均屬逆向因子， 采用降半梯形分布確定隸屬函數。

由2015-2017年模糊關系矩陣可知：三年中SO2和NO2的隸屬度全部為Ⅰ級（清潔），說明政府采取的一系列諸如產業結構調整、淘汰落后產能、對重點行業企業實施提標改造等措施已見明顯效果。2015年，PM 10Ⅱ級（良好）隸屬度值為Ⅰ級（清潔）隸屬度值的4倍，2016年-2017年兩者隸屬度的差距在明顯縮小，這說明《大氣污染防治行動計劃》實施以來，巴彥浩特鎮大氣環境質量逐漸好轉。

3.4 確定各污染物的權重

本文采用超標倍數賦權法確定污染物的權重，并將權值歸一化，這樣既可突出環境質量評價中主要污染物的作用，又考慮了不同污染物標準值的差異。其公式為：

其中，ai為第i種大氣污染物的權重值，Si為第i種污染物3個評價等級標準的平均值，Xi為第i種污染物的實際監測質量濃度平均值。

根據公式（4）計算得到2015-2017年各污染因子權重分別為：

A2015=（aSO2，aNO2，aPM10）=（0.121，0.145，0.734）

A2016=（aSO2，aNO2，aPM10）=（0.170，0.152，0.678）

A2017=（aSO2，aNO2，aPM10）=（0.162，0.145，0.693）

從各年污染因子的權重可以看出： 2015年各種污染物的主次順序為PM10> NO2>SO2，2016年各種污染物的主次順序為PM10> SO2> NO2，2017年各種污染物的主次順序為PM10> SO2> NO2。由此可知，2015-2017年巴彥浩特首要污染物都為PM10。

3.5 確定模糊綜合評價矩陣B

確定了權重向量A 和模糊矩陣R，利用合適的算子得到模糊綜合評價矩陣B。對于B = A·R的復合計算，常用的模糊合成算子有四種[3]：加權平均型、幾何平均型、單因素決定型、主因素突出型。本文采用加權平均型即先乘后并的方法，將各年數據帶入可得：

B2015=A·R=（0.121，0.145，0.734）=（0.413，0.587，0）

B2016=A·R=（0.170，0.152，0.678）=（0.649，0.351，0）

B2017=A·R=（0.162，0.145，0.693）=（0.584，0.416，0）

根據最大隸屬度原則，巴彥浩特鎮2015年綜合大氣質量為Ⅱ級（良好），2016年和2017年綜合大氣質量為Ⅰ級（清潔），這主要歸功于自2013年《大氣污染防治行動計劃》頒布以來，各部門對大氣污染防治工作高度重視，采取了大量行之有效的污染治理措施，對改善大氣環境質量起到了積極的作用。

4 比較AQI指數法與模糊綜合評價法

目前，環保部門大多仍采用AQI指數法對環境質量進行評價。2017年，巴彥浩特空氣質量有效監測天數364天，AQI指數法評價空氣質量Ⅰ級天數：52天，占監測天數的14.2%?？諝赓|量Ⅱ級天數：267天，占監測天數的73.2%，總的優良天數318天，優良率達到87.4%，PM10為首要污染物。模糊綜合法計算可得：2017年，巴彥浩特鎮環境空氣Ⅰ級（0.584）和Ⅱ級（0.416）總的隸屬度為1，根據最大隸屬度原則，評價全年綜合大氣質量為Ⅰ級（清潔），根據權重大小確定首要污染物為PM10。

以上分析可以看出，由于兩種方法的評價標準和計算方法不一樣，導致結果存在差異。AQI 評價法分為六個等級，而模糊綜合評價法分為三個等級；AQI評價法是平等地對待各污染物，而模糊綜合評價法賦予了各污染物不同的權重值；AQI 評價法選取污染指數最大的污染物的AQI為當日或年度的污染指數，突出了主要污染物的作用，而模糊綜合法通過賦予權重綜合考慮了各污染物的貢獻和相互作用。

5 結論

運用模糊綜合評價法對巴彥浩特大氣環境質量進行評價，結果表明：巴彥浩特鎮大氣環境質量整體較好，同時由于國家和政府對大氣環境質量越來越重視，并且采取了許多有效的污染治理措施，比如：關停10蒸噸以下燃煤分散小鍋爐，按年度目標任務淘汰黃標車，增加主干道的道路清掃面積，加大揚塵污染治理等，使我盟大氣環境質量向越來越好的方向發展。但不容忽視的是PM10仍然是巴彥浩特鎮主要大氣污染物，有時甚至達到重度污染的級別，下一步，仍需對揚塵污染加大治理力度，同時呼吁公眾開展全民植樹造林，從源頭上減少沙塵和揚塵污染。

參考文獻

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收稿日期：2018-05-09

作者簡介：沈夢蘭（1984-），女，工程師，研究方向為環境監測。