合肥市2021年主要大氣污染物聚類分析*

滁州學院數學與金融學院 夏圳杰，韓雨彤

一、引言

我國經濟高速發展的同時也給環境治理帶來了巨大的難題，由于經濟產業快速發展而帶來工業領域、日常采暖系統及交通運輸等方面的提升，導致大氣污染問題日漸嚴重，影響了人們的出行及生活質量，進而帶來現實危害和潛在威脅，因此我國對于大氣污染問題高度重視，并采取措施重點治理污染問題嚴重的城市。作為環境保衛戰重點地區，安徽省合肥市于2015年1月頒布了《安徽省大氣污染防治條例》，在2018年9月出臺《安徽省打贏藍天保衛戰三年行動計劃實施方案》，同年11月通過《合肥市人民代表大會常務委員會關于修改〈合肥市大氣污染防治條例〉的決定》，2020年3月制定了《2020年安徽省住建系統大氣污染防治工作方案》。近些年通過，不斷地對防治管理工作的落實，合肥市的大氣重點污染元素含量下降，整體環境質量明顯改善。

合肥市作為安徽省的省會城市，總面積11445.1km2，常駐人口數量936.99萬人，城鎮化率達82.28%。合肥市既是國家綜合性區域中心城市，也是國家重要科研教育基地，擁有包括中科大在內的54所高校，同時也是制造業基地和交通樞紐。因其發展快、人口多、涉及廣的特征，大氣污染物的種類及濃度大幅增漲，例如懸浮顆粒物TSP、臭氧、甲醛、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氰化物等。本文通過聚類分析依據不同地區污染物種類不同的特征對其進行分類，從而減少研究對象的數量。本研究選取9個城區、9個監測點進行調查，通過污染源頭和大氣環境等方面尋找共性，從而實現對這一現象的治理。

二、研究區概況及研究方法

（一）研究區概況

合肥市位于安徽省中部，共有市轄四個區和五個經濟管理區。北起舜耕山、南至巢湖盆地，地域崗沖起伏、壟畈相間。整個地形中部高，南北低，屬亞熱帶季風濕潤氣候，季風明顯，四季分明。合肥市是我國長三角城市群的副中心城市，也是重要科研教育基地和制造業基地，還是重要交通樞紐，擁有安徽南環、江航等多個老牌企業，且近幾年發展速度較快，在一定程度上影響著合肥市環境空氣質量。

（二）研究方法

聚類分析法是一種多元統計分析方法，以“物以類聚”為理論依據、以指標之間相同之處為標準化，將指標進行劃分，并用圖形直觀地將指標之間的相似度描述出來，其中最為相似的聚成一類，次相似的再聚成一類，直到將所有的指標聚成一大類，這樣便形成了一個由點到面的分類系統。通過采用組間連接法，用兩個類別中各數據點兩兩之間距離平方的平均數表示類間距離，再運用SPSS軟件運行得到合肥市9個國控監控點2021年主要大氣污染物年均濃度的聚類譜系圖。系統聚類分析方法的前提是計算并確定各類間距離，距離的計算方式不同，所產生的結果也不同。

三、數據來源

（一）監測點選取

通過真氣網（https：//www.zq12369.com）查詢合肥市9城區共有大氣國控監測點11個。為了更好地反應合肥市9城區環境空氣質量，選取三里街、高教基地、包河區、廬陽區、濱湖新區、明珠廣場、高新區、董鋪水庫、長江中路共計9個監測點，均為國控監測點，基本能反應合肥市整體大氣質量狀況。董鋪水庫監測點相對于其它8個監測點而言大氣環境質量最佳，是合肥市清潔對照點。

（二）數據來源

通過真氣網（https：//www.zq12369.com）收集合肥市九個監測點位自2020年1月至2021年1月的主要大氣污染物年均濃度，具 體 包 括：PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3共6項指標，監測結果見表1。

四、結果

（一）監測點數據分析

合肥市9個監測點2021年主要大氣污染物年均濃度差距較大（表1），依照我國《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）規定，與大氣中6種大氣污染物的年平均濃度限制進行比較（表2），發現個別數值差距也較大。SO2、NO2、CO主要源自于汽車尾氣的排放以及工業地區的廢氣污染，其中CO源于含碳的有機物不完全燃燒的產物，SO2及NO2源自于污染廢棄的直接排放。而O3是在強光照作用下發生光化學反應的VOCs和NO2所生成的二次污染物。PM2.5細顆粒物既可以是以固態形式產生的一次粒子，也可以是由硫和氮的氧化物反應所產生的二次粒子，對人體健康危害較大。

表1 空氣污染物年均濃度監測結果表

表2 6種大氣污染物年均濃度限值

從表2可以看出，包河區監測點的PM2.5濃度最高為36μg/m3，遠遠高于國家規定的一級濃度限值20μg/m3；PM10濃度第二高，為74μg/m3，也高于國家規定的二級濃度限值。而PM2.5、PM10在董鋪水庫監測點最低，且基本與國家一級濃度限值相近。包河區監測點的SO2濃度（8μg/m3）、NO2濃度（42μg/m3）也為最高值。董鋪水庫的SO2濃度（6μg/m3）、NO2濃度（24μg/m3）均顯示較低。說明在合肥市9城區中，包河區監測點污染物濃度相對較高，僅CO濃度稍低，為0.9μg/m3，低于一級濃度限值；O3濃度在董鋪水庫監測點最高，達156μg/m3，接近二級濃度限值。

（二）數據標準化

由于不同監測點6種主要大氣污染物年均濃度變化幅度較大，因此需要進行標準化處理，消除數據在數量級和量綱上的不同，從而使各指標值處于同一數量級別，以便于系統聚類分析。運用SPSS軟件進行標準化處理，處理結果如表3所示。

表3 空氣污染物年均濃度的標準化

（三）聚類結果

通過應用系統聚類分析方法，對合肥市9個監測點空氣質量進一步分類。選用組間連接法、歐式距離進行聚類，將監測點空氣質量各作一類進行編號，以空氣污染物年均濃度作為指標來聚類，運用SPSS統計軟件輸出聚類譜系圖。

合肥市9個國控監測點空氣污染物數值的分類結果，基本分為兩大類（董鋪水庫除外）。首先高新區、長江中路、濱湖新區、明珠廣場、高教基地、廬陽區聚為第一大類，其次三里街、包河區聚為第二大類。其中第一大類又包括三小類，分別是：高新區、長江中路、濱湖新區、明珠廣場一類；高教基地、廬陽區自成一類，見表4。

表4 各監測點分類結果

（四）結果分析

聚類譜系圖顯示，董鋪水庫自成一類，空氣質量最佳，而一個地區的大氣環境質量狀況最主要取決于兩大因素——污染源和大氣擴散條件的相互作用。董鋪水庫位于合肥市的上風口，水域較大、水質較好，大氣擴散條件較優越，且遠離其它監測點、受周圍工業污染較小，由此反應出董鋪水庫是清潔對照監測點。

另外8個監測點明顯聚為兩類，第一大類包括高新區、長江中路、濱湖新區、明珠廣場、高教基地、廬陽區。這一類監測點的PM10濃度相對較高，說明煙囪與車輛的污染源排放較多。高新區、長江中路、濱湖新區、明珠廣場人流量較多，交通出行車輛流量較大，附近有許多工業產業，可能是導致該監測點PM10濃度較高的原因；各監測點SO2濃度均較低且可以達到一級濃度限制，說明脫硫技術較為先進；NO2較高且位于二級濃度限值前后,說明燃料燃燒較高、汽車尾氣排放較為嚴重；CO較低，說明含碳的化石燃料燃燒較為完全；而O3位于一級限值與二級限值之間，趨近于二級濃度限值160，說明各監測點O3來源較多，且高新區人流密集，明珠廣場客流量、汽車出行數量較多,長江中路四周車輛較為擁擠，這些可能是導致O3含量較大的原因。此外，第一大類又分為三小類，其中高新區、長江中路、濱湖新區、明珠廣場分為一類，高教基地與廬陽區各自自成一類，其中高教基地與廬陽區的PM10相對較高，O3指數相對較低，說明高新區、長江中路、濱湖新區、明珠廣場的工業產業更多，人流量更為密集。

第二大類包括三里街與包河區，這一類監測點大氣擴散條件相對較好，但由于地理位置相近，可能具有相似的污染源。三里街臨近汽配城，包河區臨近人力資源開發有限公司，且兩個監測點都處于合肥市中心附近，人口密集，能源消耗量大，因此可能導致顆粒污染物排放增加，汽車尾氣排放嚴重，污染物濃度升高，進而導致NO2濃度較高；其次O3濃度最低，說明三里街和包河區的O3可能向城郊轉移。

五、結論

通過以合肥市為研究區，收集合肥市9個環境監測點在2020年到2021年期間內PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3共 6種主要污染物年均濃度，運用SPSS軟件進行系統聚類分析，得出如下結論：

（1） 分 析 2020年 1月 至2021年1月共365天的合肥市9個監測點的監測數據可知：合肥市2021年空氣質量整體良好，綜合指數3.97，首要污染物為PM2.5，年均濃度為 32.5μg/m3，首次達到國家空氣質量二級標準，6項監測指標首次全面達標。2021年空氣質量優良天數達到313天，優良率高達85.8%，創下自監測以來的新高。大氣污染物實現協同控制，大氣污染治理取得里程碑式突破。

（2）根據聚類分析結果可將9個監測點劃分為兩大類型，主要是由于合肥市自西北向東南傾斜，地形差異崗沖起伏，大氣擴散條件良好，導致西北部的監測點空氣質量普遍好于東南部的監測點。合肥市主要污染物為PM2.5和PM10，9個國控監測點年均濃度分別高于一級濃度限值和二級濃度限值。通過系統聚類分析發現，兩大類型和每一小類都有相似污染物且與地理位置有較高相關性，說明聚類分析法可作為城市空氣質量評價的方法。