河北省地區空氣質量變化及其影響因素分析

北京建筑大學 修麟泉

一、引言

（一）研究目的

大氣環境的質量是大氣污染物質和氣象因素的相互作用的結果。由于人口的高濃度，人們更加注意城市大氣環境的質量。城市大氣質量的改善包括社會生產和生命的一切方面。例如，城市經濟的發展會影響到全部燃料消費、類型結構、污染物排放和處理技術。城市綠地一方面影響城市大氣污染物質的吸附和分解能力；另一方面地形也影響到由水平和垂直的大氣交換產生的大氣污染物質的擴散條件。近年來，隨著工業化和城市化的快速發展，中國經濟急速發展。同時，環境問題也越來越明顯，嚴重影響著人們正常的生活和健康。因此，維護生態平衡以及全方位的保護環境，是人類社會發展的基本課題。

（二）研究意義

隨著社會經濟的發展，城市工業化水平不斷提高，空氣污染已成為一個日益嚴重的社會和科學問題。本文以河北省11個地級市為研究對象。通過對城市空氣質量在一定時期內的各種特征的分析，了解了城市空氣質量的狀況。本文的研究成果為今后治理工作的改進奠定了堅實的科學基礎。

二、空氣質量評價標準介紹

我國的環境空氣質量標準最早發布在1982年,后1996年、2000年根據發展的需求先后進行了修訂。2008年,中國又一次對空氣污染指數提出了修改建議,并發布《城市空氣質量日報和預報技術規定》進一步提升了指標的代表性和規范性[1]。隨著社會經濟的迅速發展、機動車保有量的不斷增加,環境污染特征也出現了新的變化,臭氧和PM2.5對環境空氣的影響日益加劇,霧霾和灰霾現象在各地頻頻發生,環境空氣質量受到較大影響。基于此,我國先后出臺并實施了《環境空氣質量標準》和《環境空氣質量指數技術規范》兩大標準。空氣污染指數被空氣質量指數所替代，也說明我國大氣環境的治理保護工作由污染物控制階段向環境質量管理和風險控制階段的重點轉變,也成為當前和今后我國環境空氣質量管理和信息發布的重要表現形式[2]。空氣質量指數air quality index，是作為人們了解每日環境空氣質量狀況的基本參數，它主要憑借對空氣中污染物濃度數值的高低來進行判斷的。空氣質量分指數 individual air quality index是指單項污染物的空氣質量指數。其中AQI取決于各項IAQI數值最大值，當AQI數值大于50的時候，IAQI數值最大的污染物項目確認為首要污染物。若首要污染物有兩種或兩種以上時則并列選為首要污染物。污染物項目P的空氣質量分指數的計算方法；

式中:IAQIp—污染物項目P的空氣質量分指數

Cp—污染物項目P的質量濃度值

BPHi—表中與CP相近的污染物濃度限值的高位值

BPLo—表中與CP相近的污染物濃度限值的低位值

IAQIHi—表中與BPHi對應的空氣質量分指數

IAQILo—表中與BPLo對應的空氣質量分指數

空氣質量指數計算方法：

AQI={IAQI1,IAQI2,IAQI3,…,IAQIn}

式中：IAQI—空氣質量分數

N—污染物項目

空氣質量指數(AQI)分為6級或6級以上：0至 50、51—100、101—150、151—200、201—300及300以上，與空氣質量相對應。空氣指數數值越大，水平越高，污染越嚴重，對人體健康的影響越明顯。

三、模型構成及數據來源

空氣污染對人類日常生活帶來諸多負面影響,危害人體健康,也給人民的生產工作帶來困擾，本文中的自變量質量指數為河北省各市的空氣質量指數（AQI）。分別采用描述性分析和時間序列分析進行分析。

（一）描述性分析的步驟

（1）根據研究問題選取自變量、因變量。（2）確定連續變量的樣本個數。（3）進行相關分析（如:均值、方差、標準差、峰度、偏度等）。（4）得出結果。（5）根據結果進行進一步深入分析,產生結論。

（二）時間序列分析的步驟

（1）收集歷史數據，整理這些數據，編譯時間序列，按照時間序列繪制統計地圖。（2）時間序列的每個周期的數值是許多不同因素同時發揮作用的整體結果。（3）計算時間序列的長期傾向（t）、季節變動（s）、不規則變動（i）的值，選擇類似的數學模型。對于其數學模型中未知的參數，使用相對的技術方法來計算數值。（4）預測與相關值對應的長期趨勢、季節變化、不規則變化，預測將來的長期趨勢值t和季節變化值s，盡量預測不規則的變化值。利用這個預測將來的長期趨勢值T和季節變動值s，如果可能的話可以預測不規則變動值。本文收集了河北省11個地級市（石家莊、邯鄲、承德、滄州、秦皇島、唐山、保定、衡水、邢臺、張家口）在2017年1-9月份共9個月的空氣質量指數（AQI）以及省會石家莊在2014-2018年共五年的空氣質量指數（AQI）作為數據資源進行各項分析。

四、模型實現

（一）SPSS工具介紹

SPSS是世界上使用圖形菜單驅動程序接口的最早的統計軟件。SPSS使用與Excel相似的形式輸入數據管理。數據接口更常見，并且可以簡單地從其他數據庫讀取數據。其統計流程包括成熟的統計流程，一般可以完全滿足非統計專業工作的需要。SPSS經常用于統計分析操作、大數據挖掘、預測分析、決策支持任務的軟件產品及相關服務。

（二）SPSS實現

（1）描述性分析的SPSS實現。首先，在SPSS中輸入相關數據，然后，在SPSS軟件上進行數據分析，采用描述性統計，進行數據描述，進入操作對話框，把11個城市均選入變量列表中。輸出結果如下如表1所示。從表1中的統計分析結果可以看出，所選城市的空氣質量在2級范圍內。河北省省會石家莊的空氣污染比較嚴重。承德的空氣質量最好。此外，秦皇島的天氣最穩定。由于唐山地區出現異常數據但也可能是現實存在的污染現象所以特意注釋出來。（2）非參數檢驗的SPSS實現。首先，在SPSS中輸入相關數據，然后，在SPSS軟件上進行數據分析，選擇非參數檢驗，再選擇K個獨立樣本，進入“多個獨立樣本檢驗”的對話框，設置空氣污染指數未檢驗變量，根據分組變量選項選擇城市。軟件輸出結果如表2、表3、表4所示。在上表中，我們選取樣本大小、最大值和最小值以及標準偏差，以描述的方式分析數據。從表中，我們對河北省城市的空氣污染和空氣質量有了全面的了解。表中選取與Kruskal-wallis測試相關的測試統計數據。從表中可以看出P值小于0.05，具有統計學意義。因此，河北省各城市空氣污染存在顯著差異是合理的。（3）實踐序列分析的指數平滑分析的SPSS實現。首先，進行數據的錄入。使用SPSS軟件分析，然后選擇數據，再進行定義日期，點擊定義日期，進行時間變量的定義。其次進行分析，點擊分析，再選擇預測，進入創建模型，顯示時間序列模擬器，把“污染指數”選擇為因變量，然后選擇指數平滑模型。輸出結果如圖1所示。通過對石家莊五年空氣質量的時間序列分析，了解到石家莊五年的污染指數序列波動較大，呈現出W型變化趨勢，夏季指數數值均偏低，冬季指數數值普遍偏高。分析以上各種相關因素，首先人類活動與工業產能是主要造成空氣污染的罪魁禍首。通過不同城市的空氣質量可看出，有大量工業產能的城市空氣質量指數普遍偏高。所以想保證空氣質量，必須減少污染物的排放，多使用清潔能源，利用公共交通出行，增加對污染對策的投資力度。其次，自然風雨量的影響雖然不大，但也在一定程度上會起到影響空氣質量的作用。降雨量大，風力充足的地方空氣質量相較其他地方好，主要是因為污染物會隨雨落到地面，氣流可以吹散污染物。

圖1 輸出結果

表1 描述性分析結果表

表2 描述性統計量表

表3 檢驗統計量表

表4 秩表

五、結果分析

（一）主要污染物濃度變化分析

河北全省PM2.5平均濃度為65微克/立方米，較2016年下降7.1%，再比較2013年數據，下降39.8%，超額完成2017年省人代會確定的較2016年下降6%和國家“大氣十條”確定的較2013年下降25%的目標任務。2017年全省各城市空氣質量達到或優于2級的優良天數平均為202天，占全年總天數55.3%，重度污染以上天數為29天，如圖2所示。河北省的主要城市中首要污染物主要為PM10和PM2.5，全省PM2.5平均日均值達標率為73.2%，年均值濃度為65μg/m3，除了張家口和承德意外，其余9個城市PM2.5年均值均超過國家二級標準；全省PM10平均日均值達標率為76.7%，年均值濃度為110μg/m3，除了張家口以外，河北省下轄的10個城市PM10年均值均超過國家二級標準；全省臭氧平均達標率為80.8%，年均值濃度為193μg/m3；只有承德和秦皇島的臭氧達標率高于85%，其他9個城市的臭氧日均達標率在75%—85%，年均值濃度為48μg/m3，共有9個城市二氧化氮年均值超過國家二級標準；全省一氧化碳平均日均值達標率為92.7%，年均值濃度為4.5mg/m3；全省二氧化硫平均日均值達標率為98.0%，年均值濃度為45μg/m3，全省下轄的11個主要城市二氧化硫年均值均達到國家二級標準[3]

圖2 河北各個城市合格天氣量

（二）空氣質量年變化趨勢

我們將描述城市環境空氣質量綜合狀況的無量綱指數環境稱為空氣質量綜合指數，它是綜合考慮了 SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3等六項主要污染物的污染程度，環境空氣質量綜合指數數值越大表明綜合污染程度越重[4]。如圖3所示，河北省整體空氣質量指數呈逐年下降趨勢，其中張家口市空氣環境全省最優四年平均數據均在5.0以下，邯鄲市空氣環境最為穩定四年基本空氣質量數值保持不變，衡水城市空氣質量波動較大，2016年達到全省四年歷史城市空氣質量最大值，但也是治理空氣污染數值最大的城市數據最大差值為4.49。本文在研究影響空氣質量因素的基礎上，以協調經濟和環境發展為目標，對河北省主要影響因素提出了以下控制方向和相應措施。

圖3 2015年到2018空氣質量指數

六、改進意見

（一）優化產業結構，合理配置資源

原本河北省自身的地理位置和氣象條件就很不利于空氣中污染物的擴散，再結合河北部分城市人口過于集中的原因，所以應適當擴大城區范圍并降低人口密度。其次區域產業結構的比重是否合理，對區域經濟發展的速度也起著至關重要的作用。河北省重工業的產業結構對空氣污染有深遠影響，產業結構調整升級一定會對各地區的空氣質量產生影響。因此，要合理的產業結構布局，確保經濟與環境的和諧穩定發展。

（二）有效利用能源，增加清潔能源的使用

現階段，我國主要的能源來源是煤炭以及石油。而河北省的主要能源就是煤炭。能源消耗的80%主要用于發電、供熱鍋爐、工業和冶金。在降低對清潔能源的稅率的同時，增加煤炭稅和煤炭關聯稅率。抑制煤炭過剩消費的目的是逐步提高煤炭資源稅率，大幅提高排放費用標準，通過給予清潔能源的優惠稅制和費用政策來實現[5]。因此，我們不僅要合理有效地利用能源，還要增加清潔能源的利用。

（三）控制燃料車的數量，增加新能源車的推廣

大量汽車廢氣是造成煙霧的直接原因。為緩解城市道路交通擁擠，減少城市道路空氣污染，可以采取以下措施：交通有關部門加大機動車管理力度，嚴格執行機動車檢查流程，鼓勵群眾綠色出行。

（四）嚴格環保部門執法力度，推進社會監督

環保部門可以在社會大環境都在提倡節能環保的良好氛圍下，強化與公安部門司法部門的信息交流，避免信息孤島的現象發生，建立健全的信息交流機制與行動通告，完善與司法部門嚴懲違法現象的法律流程。推進社會監督，呼吁全社會人民共同監督，加強環境宣傳教育。改善河北地區的空氣狀況。提高河北省的大氣污染控制技術和管理水平而非繼續加大資金與設備的投入[6]。

七、結論

隨著工業化時代的到來，我國經濟實力的提高在很大程度上取決于重工業的廣泛崛起。鋼鐵、煤炭和石油等能源不斷被大量消耗。人民生活不斷改善，資源和環境加快發展。在累積的環境壓力下，對現有的空氣質量評價體系和一些文獻進行分析，我們可以了解到影響空氣質素的因素，令市民對空氣污染的認識整體上可以改變，從多方面作出管理及保護措施，盡可能控制空氣質量，通過以上分析，取得了預期效果，建立了新的質量評價體系。