基于模糊綜合評價的主要大氣污染物來源淺析

卜興兵 吳虹霽* 俸 強 廖 翀 馮元超 王會鎮

(1.四川省生態環境監測總站，成都 610041；2.西華大學理學院，成都 610039)

空氣質量評價和污染源分析對大氣污染治理和有效管理具有重要的意義。“十二五”期間，國民經濟迅猛發展和城市化進程的快速推進，工業耗煤量、機動車擁有量及農作物秸稈燃燒量不斷增加，城市霾天氣急劇增多，對人體健康、城市大氣環境、交通運輸等造成嚴重的影響[1-2]，空氣質量問題已成為全球關注的焦點，四川盆地尤為突出，大氣污染已是中國日益突出的重要環境問題之一[3-6]。當前，各級政府采取一系列大氣污染防治措施，取得優異成績。大氣污染物與排放、地理特征和氣候特點關系密切，空氣質量改善一方面取決于本地排放源的強度，另一方面也取決于當地大氣的輸送和擴散條件[6]。目前，國內主要采用環境空氣質量綜合指數和主成分分析法對空氣質量進行綜合評價[7-10]，環境空氣質量綜合指數用于城市空氣質量綜合排名但不適用于評價城市和區域的長期空氣質量狀況和變化趨勢，兩者均不能有效避免大氣環境系統各因素間具有不確定性和模糊性。模糊綜合評價法最大的優點是能夠評價系統的模糊性和不確定性，因此模糊綜合評價法目前被廣泛應用于空氣質量評價，能合理科學地評價環境空氣質量的客觀現狀。近年來，不少學者利用模糊綜合評價法開展空氣環境質量評價并取得了一系列成果。韓晉仙等[11]利用模糊綜合評價法對山西省2019年環境空氣質量進行了評價與分析，并對影響當地空氣環境質量的因素進行了討論。郭力嘉等[12]利用模糊數學綜合評價方法對北京市大氣環境質量作出了評價，評價較為客觀反映了評價地區環境空氣質量。呂鈴鑰等[13]運用模糊綜合評價法對2013年京津冀地區13個城市的環境空氣質量進行評價，得出各個城市的環境空氣質量污染水平及其污染因子的大小排序，評價結果能夠較客觀地反映該地區環境空氣質量優劣狀況，從而為改善和治理大氣污染提供理論依據。但是運用模糊綜合評價法對四川省環境空氣質量開展研究較為少見。

本文以四川省21個城市為例，基于2017年PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3濃度監測數據，運用模糊綜合評價法對21個城市環境空氣質量狀況進行評價分析，并運用復合污染特征分析研究了該地區主要大氣污染物來源，為其大氣污染治理提供參考依據。

1 數據來源與分析方法

1.1 研究區概況

四川省位于中國西南腹地，地處長江上游，素有“天府之國”的美譽。全省面積48.6萬平方公里，轄21個市(州)、183個縣(市、區)，介于東經97°21′-108°33′和北緯26°03′-34°19′之間。四川地貌復雜，以山地為主要特色，境內有川西北高原和川西山地兩部分為主的山地地貌。其中有以四川盆地為典型盆地特點的地形地貌，四川盆地的面積26萬余平方公里，占四川行政面積的33%，按方位可以細分為川東、川西、川南、川北和川中五部分，其中成都平原(川西平原)為中國西南最大平原。四川氣候總的特點是：區域表現差異顯著，東部冬暖、春旱、夏熱、秋雨、多云霧、少日照、生長季長，西部則寒冷、冬長、基本無夏、日照充足、降水集中、干雨季分明；氣候垂直變化大，氣候類型多。

1.2 數據來源

四川省21個市州2017年PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3濃度監測數據及空氣質量綜合指數來源于各市州《2017年環境質量公報》，其中PM2.5、PM10、SO2、NO2均為年均值，CO為日均值第95百分位數，O3為日最大8h滑動平均值的第90百分位數。2017年全省機動車保有量及增長率來源于《2018四川省統計年鑒》。

1.3 模糊綜合評價法

模糊綜合評價的具體步驟如下：

(1)確定評價對象的因素，n個評價指標，u={u1，u2，……，un}評價；

(2)確定評價等級，V={v1，v2，……，vn}；

(3)建立模糊關系矩陣R=(rij)，本文采用降半階梯形隸屬度函數建立各評價因子對每級標準的隸屬函數rij；

(4)確定污染因子權重集，A = (w1，w2，…，w6)，本文采用主因素突出賦權法中常用的超標倍數法計算權重系數，并將其歸一化；

(5)得出模糊綜合評價結果。由上述步驟得到的因子權重集A和隸屬度模糊矩陣R，得到評價矩陣B空氣質量綜合判別模型進行評價。

2 結果與討論

2.1 大氣污染物特征分析

2017年四川省21個城市6種大氣污染物年均濃度監測數據如圖1所示，其中PM2.5在8～61 μg/m3波動，PM10在17～81 μg/m3波動，SO2在4～32 μg/m3波動，NO2在9～48 μg/m3波動，CO在0.7～2.4 mg/m3波動，O3在102～157 μg/m3波動。全省6種大氣污染物PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3平均值分別為38 μg/m3，60 μg/m3，13 μg/m3，29 μg/m3，1.3 mg/m3，129 μg/m3。PM2.5的年均值均超過了《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)中的二級標準限值(35 μg/m3)限值，說明研究區2017年細顆粒物污染較嚴重。

2.2 主要污染物來源淺析

為了進一步分析相關的污染特征并識別污染物來源，利用復合污染特征分析了PM2.5和PM10質量濃度的比值、SO2和NO2質量濃度的比值，即ρ(PM2.5)/ρ(PM10)和ρ(NO2)/ρ(SO2)，結果如圖2。2017年四川省21個城市ρ(PM2.5)/ρ(PM10)在0.40～0.75波動，PM2.5作為PM10的組成部分，其占PM10的比值可以判斷大氣中細顆粒物污染對顆粒物污染的貢獻程度，除廣元市、巴中市、資陽市ρ(PM2.5)/ρ(PM10)小于0.5以外，其余18個城市ρ(PM2.5)/ρ(PM10)均大于0.5，因此可初步推斷全省顆粒物污染主要以細顆粒物污染為主。2017年全省PM2.5和PM10年均濃度分別為38 μg/m3和60 μg/m3，PM2.5和PM10年均二級濃度限值分別為35 μg/m3和70 μg/m3，PM2.5略高于年均二級濃度限值，因此控制PM2.5污染是四川省大氣污染整治的主要目標。全省21個城市ρ(NO2)/ρ(SO2)在1.03～6.0波動且比值大于1，NO2主要來源于汽車尾氣排放等移動源，而SO2主要來源于煤炭燃燒和工業生產等固定源。ρ(NO2)/ρ(SO2)比值越高，表明污染物主要來自移動源，因此可初步推斷四川省的移動污染源占主導地位。據《2018四川省統計年鑒》數據，截至2017年年底，四川省全省機動車保有量達到1572萬輛，與2015相比增加185萬輛，增長13.3%，汽車尾氣污染對NO2的貢獻在逐漸增加。產業結構方面，四川省目前以重工業為主，建材、鋼鐵、化工等傳統高耗能高排放產業占比較大，排放總量占到了全省總量的30%～47%。依據史芳天[14]和石慧斌[15]等研究的源解析結果，四川省盆地效應易形成污染二次轉化，NO2、SO2是硝酸鹽和硫酸鹽的氣態前體物，區域內硝酸鹽占比達到25%～35%，硫酸鹽占比達到10%～15%，而PM2.5中含有的主要水溶性離子為硝酸鹽和硫酸鹽，因此NO2、SO2對PM2.5污染貢獻較大。控制機動車尾氣污染也是改善本地空氣質量的重要環節。因此，四川省空氣污染的主要來源是顆粒物污染、工業廢氣和機動車尾氣。改善區域環境空氣質量，應加強各污染源科學減排，摸清底數及排放量，應加大各污染物協同管控，尤其污染物PM2.5和O3協同管控應是未來四川省空氣質量改善升級的重點突破口。

圖2 2017年四川省21個城市SO2/NO2和PM2.5/PM10比值分析圖

2.3 模糊綜合評價

2.3.1 建立評價因素集合U

本文在對四川省21個城市的環境空氣質量進行評價時，根據《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)和《環境空氣質量評價技術規范(試行)》(HJ 663-2013)的規定，研究評價因素集合U={SO2年均值，NO2年均值，PM10年均值，PM2.5年均值，CO日均值第95百分位數，O3日最大8h滑動平均值的第90百分位數}。

2.3.2 建立評價集V

為了詳細地描述研究區域污染狀況，有效區分污染程度，本文在對四川省21個城市的環境空氣質量進行評價時，結合《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)和本地大氣實際污染狀況將原標準擴展為四級，建立評價集V={優、良、輕度污染、中度污染}，見表1。

2.3.4 建立模糊關系矩陣R

根據文獻[11-13]隸屬度計算公式計算各評價因子對各級評價標準的隸屬度，從而建立模糊關系矩陣R=(rij)，具體見表2。

2.3.5 建立權重集

模糊綜合評價中賦權方法很多，污染因子的權重值直接影響各因子之間對環境空氣質量影響相對程度的因素，決定到綜合評價的結果是否合理。采用主因素突出賦權法中常用的超標倍數法[11-13]，并將6種污染物采取歸一化的方法進行賦權，該方法既突出了環境質量評價中主要污染物的作用，又考慮了各污染物標準值間的差異帶來的影響，權重集數據見表3。由表3可知，全省6種主要大氣污染物首要污染物權重集占比依次為O3、NO2、PM2.5、PM10、CO、SO2。21個城市首要污染物權重占比前三位分別為PM2.5、O3、NO2。

表3 各污染因子的權重集

2.3.6 模糊綜合評價結果

將權重集A和模糊矩陣R進行模糊矩陣的復合運算，得到B=A*R=(b1，b2，b3，b4)。根據最大隸屬度原則，取b1，b2，b3，b4中的最大值，即為本次環境空氣質量評價的模糊綜合評價結果，評價結果見表4。由表4可知，2017年四川省21個城市環境空氣質量狀況均在Ⅰ級-Ⅱ級，所有參與評價城市均達到國家環境空氣質量的二級標準，其中環境空氣質量狀況為Ⅰ級優有9個城市，占所有評價城市的42.9%；環境空氣質量狀況為Ⅱ級良有12個城市，占所有評價城市的57.1%；全省環境空氣質量狀況屬于Ⅰ級優。由于大部分城市環境空氣狀況為Ⅱ級良，部分城市在Ⅲ級有隸屬度，為了準確反映全省環境空氣質量狀況，本次質量評價將Ⅱ級和Ⅲ級加和，二者之和越大表示該地區空氣質量越差。據此，21個城市環境空氣質量Ⅱ級和Ⅲ級加和值排名由高到低依次為：成都市、眉山市、自貢市、達州市、宜賓市、樂山市、瀘州市、德陽市、南充市、綿陽市、資陽市、內江市、廣安市、雅安市、攀枝花市、遂寧市、廣元市、巴中市、西昌市、康定市、馬爾康市。將模糊綜合評價和環境空氣質量綜合指數評價結果對照，結果如圖3所示，兩種評價除空氣質量較好的前6個城市馬爾康市、康定市、西昌市、巴中市、廣元市、遂寧市和空氣質量較差的成都市，其他城市排名不盡相同，但總體趨勢一致。模糊綜合評價較為客觀反映了2017年四川省21個城市環境空氣質量結果。

表4 21個城市空氣質量模糊綜合評價結果

圖3 模糊綜合評價和環境空氣質量綜合指數對比

3 結論

(1)2017年四川省全省6種大氣污染物PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3平均值分別為38 μg/m3，60 μg/m3，13 μg/m3，29 μg/m3，1.3 mg/m3，129 μg/m3。PM2.5的年均值超過了二類環境功能區濃度35 μg/m3限值。全省21個城市ρ(PM2.5)/ρ(PM10)在0.40～0.75波動，ρ(NO2)/ρ(SO2)在1.03～6.0波動且比值大于1，空氣污染的主要來源是顆粒物污染、工業廢氣和機動車尾氣。改善區域環境空氣質量，應加強各污染源科學減排，摸清底數及排放量，應加大各污染物協同管控，尤其污染物PM2.5和O3協同管控應是未來四川省空氣質量改善升級的重點突破口。

(2)對6種污染物采取歸一化的方法進行賦權，首要污染物權重集占比依次為O3、NO2、PM2.5、PM10、CO、SO2。21個城市污染物權重占比前三位分別為PM2.5，O3，NO2。

(3)2017年四川省21個城市環境空氣質量狀況均在Ⅰ級-Ⅱ級，所有評價城市均達到國家環境空氣質量的Ⅱ級標準。其中環境空氣質量狀況為Ⅰ級優有9個城市，占所有評價城市的42.9%；環境空氣質量狀況為Ⅱ級良有12個城市，占所有評價城市的57.1%；全省環境空氣質量狀況屬于Ⅰ級優。將模糊綜合評價和環境空氣質量綜合指數評價結果對比，兩種評價除空氣質量較好的前6個城市馬爾康市、康定市、西昌市、巴中市、廣元市、遂寧市和空氣質量較差的成都，其他城市排名不盡相同，但總體趨勢一致。模糊綜合評價較為客觀反映了2017年四川省21個城市環境空氣質量結果。