呼和浩特市大氣環境質量模糊數學綜合評價

任守紅，高運保

（內蒙古工業大學土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

隨著我國工業化和城市化進程的快速推進，城市能源消耗和機動車保有量持續增加，導致我國城市空氣環境質量日益惡化，特別是近年來大規模霧霾天氣頻發，惡劣的城市大氣污染狀況已經嚴重影響到人們的身心健康和生活品質，成為困擾部分城市的主要環境問題[1-4]。大氣環境質量評價作為正確認識大氣污染現狀、分析預測大氣污染趨勢的重要方式，是根據不同的目的和方法，選取若干大氣環境評價因子，在大氣環境質量分級標準的基礎上，用一定的評價方法對選定區域某段時間內大氣環境質量的優劣進行定性或定量評估[5]，從而為有效開展大氣污染防治工作提供科學依據。近年來，國內外學者采用多種評價方法對大氣環境質量評價進行了大量的研究，常用的評價方法包括：層次分析法，主成分分析法，BP神經網絡法，空氣質量指數法，灰色聚類法和模糊綜合評價法[6-8]。鄭健[9]針對烏魯木齊市2001-2011年期間的大氣環境質量運用層次分析法進行了分析與綜合評價。王興[10]、卜鵬[11]、商博[12]利用主成分分析法分別對天津市、南通市和山東省某市的大氣環境質量狀況進行評價研究。王琨[13]使用BP 神經網絡模型對森林地區大氣環境質量評價問題進行研究，并驗證了模型的實用性和可靠性。劉杰[14]分別利用空氣質量指數法和灰色聚類法評價了2013年北京市停暖前后的大氣環境質量狀況，結果表明：在直觀評價空氣質量時應選擇空氣質量指數法，判斷污染指標對空氣質量等級的靠近程度時應使用灰色聚類法。Zhou[15]對廣州市2000-2005年期間的大氣環境質量運用空氣質量指數評價法和污染負荷分析法進行了分析和評價研究。張云海[16]、安景文[17]利用灰色聚類關聯分析法分別評價了沈陽市和貴陽市的大氣環境質量狀況。高明美[18]、鄭健[19]、王晨[20]、呂鈴鑰[21]先后利用模糊數學綜合評價法對城市大氣環境質量進行評價。

鑒于影響大氣環境質量的因素較為復雜，且大氣環境質量本身具有明顯的模糊性和隨機性，而模糊數學綜合評價法不僅能夠很好的克服評價邊界隸屬模糊的影響，還能夠消除環境質量等級劃分過程中主觀因素，可以全面客觀的反映評價區域特定時間段內的大氣環境質量。因此，本文利用模糊數學綜合評價法，對呼和浩特市2014-2020 年期間的大氣環境質量動態變化進行綜合評價，找出當前影響大氣環境質量的主要污染因子，從而為呼和浩特市大氣污染防治和相關政策法規的制定提供科學理論依據。

1 材料與研究方法

1.1 數據來源

本文從中國空氣質量在線監測分析平臺獲取呼和浩特市區2014-2020 年期間的大氣污染物質量濃度數據并進行分析，依據《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）[22]選擇PM2.5，PM10，SO2，NO2的年平均監測濃度，O38 小時平均第90 百分位數濃度，CO 日均第95 百分位數濃度作為評價指標，2014-2020 年呼和浩特市區6個大氣污染物濃度監測值如表1所示。

表1 呼和浩特市2014-2020年主要大氣污染物年均濃度監測值（單位：mg/m3）

由表1 數據可知，呼和浩特市區2014-2020年間大氣污染物年均濃度變化趨勢如圖1所示，從圖1 和表1 中可知，PM10，SO2，CO，NO2年均濃度呈現明顯的下降趨勢，2020年相較于2014 年其濃度分別下降了31.9%、71.7%、48.7%、27.7%，PM2.5年均濃度波動幅度并不明顯，O3濃度則表現出明顯上升趨勢，2020 年相較于2014 年上升了37.3%。由此說明呼和浩特市區空氣環境質量正在逐年向好，但O3濃度上升也應引起足夠警惕。

圖1 呼和浩特市2014-2020年主要大氣污染物年均濃度變化趨勢圖

為了更好的開展大氣環境質量客觀評價，結合實際情況對《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）中的評價等級標準進行修改和補充，將原有的兩個評價等級標準補充至五個，具體見表2[21]，建立大氣環境質量評價等級集合V={優，良好，輕度污染，中度污染，重度污染}。

表2 大氣環境質量評價等級劃分標準

1.2 研究方法

模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評價方法，能夠應用隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，解決大氣環境系統中各污染因子間的不確定性和模糊性，在客觀評價大氣污染狀況，預測大氣污染發展趨勢方面具有重要意義，其基本步驟如下[23]：

由于各大氣污染因子對大氣環境質量的貢獻度存在差別，因此需要根據各污染因子的貢獻度分別對各污染因子賦予不同的權重。在進行大氣環境質量綜合評價時常用的賦權方法包括：專家打分法，超標倍數賦權法和層次分析法[24-25]。本文采用超標倍數賦權法，其作為一種主因素突出型的賦權方法，能夠突出主要污染因子對大氣環境質量的影響，又充分考慮不同污染物標準值的數值差異，計算較為簡單，其公式為：

式中：ωi為第i個評價因子的權重值；xi為第i評價因子的實際監測值；Si為第i個評價因子各評價等級標準的平均值。

（4）構建評價因子與評價等級間的模糊關系評判矩陣R=(rij)。

本文利用降半階梯形隸屬度函數計算評價因子相對每級評價等級的隸屬度rij，從而構建模糊關系評判矩陣R=(rij)，隸屬度計算公式如下：

當j=1時，

當j=2,3···，m-1=時,

當j=m時，

式中：rij為第i個評價因子對于第j級的隸屬度；xi為第i個評價因子的實際監測值；Sij為第i個評價因子的第j級評價等級標準值。

（5）模糊關系評判矩陣和權重的合成，計算模糊綜合評價矩陣C，并得出評價結論。

經過以上計算得到評價因子的權重W和模糊關系評判矩陣R，利用加權平均法對其進行復合運算，得到模糊綜合評價矩陣C,其計算公式為：

2 結果與分析

2.1 確定評價因子權重

按照上述方法，根據超標倍數賦權法公式（1）計算呼和浩特市2014-2020 年間各評價因子的權重，計算結果見表3。

表3 呼和浩特市2014-2020年主要評價因子的權重結果

根據表3 可知，2014-2020 年間呼和浩特市大氣環境污染物主要是NO2、PM10和PM2.5，除了2015 年PM10權重高于NO2權重成為當年首要污染物之外，其它年份NO2權重值均居于首位成為首要污染物，PM10權重值次之。PM2.5權重除了2018 年低于O3權重外，其它年份均排在第三位。三種主要大氣污染物對大氣環境質量的污染貢獻率達到65%～68.7%，總體來說呼和浩特市大氣環境污染呈現煤煙型和機動車尾氣復合型特征，由此可見控制NO2和可吸入顆粒物的排放是改善呼和浩特市大氣環境質量的關鍵所在。NO2權重高主要是大氣環境質量受機動車尾氣影響較大造成的，這與近年來呼和浩特市經濟快速發展，汽車保有量急劇增加導致機動車尾氣排放量持續增加有直接關系。PM2.5和PM10來源較復雜，主要來源于供熱季燃煤，工業排放、機動車尾氣、道路和施工揚塵。2014-2020年間大氣污染物權重變化趨勢如圖2 所示，由圖2 知，這7 年間NO2權重呈現先增大后減小趨勢，PM10、SO2和CO 權重在逐漸下降，其中PM10權重下降緩慢，SO2和CO 權重則快速下降，說明“十三五”期間呼和浩特市大氣環境質量持續好轉，散煤治理、燃煤鍋爐超標排放治理和煤改氣等政策措施已經持續發力并顯現成效。但是PM2.5和O3權重逐漸增大，尤其是O3權重值2020 年相較于2014 年權重增大了1.9 倍，2018 年O3權重值更是排在第三位，由此可見O3正在快速成為呼和浩特市新的重要污染物，應該引起足夠的重視。O3權重的快速增加主要是由于近年來機動車尾氣和工業排放的氮氧化物和揮發性有機物濃度不斷上升，并在紫外線的照射下發生光化學反應產生O3造成的。

圖2 呼和浩特市2014-2020年主要評價因子的權重變化趨勢圖

2.2 確定模糊關系評判矩陣R

利用降半階梯形隸屬度函數公式（2-4）計算各評價因子相對每級評價等級的隸屬度，并建立模糊關系評判矩陣R=(rij)，計算結果見表4。

表4 模糊關系評判矩陣

2.3 確定模糊綜合評價矩陣

將評價因子權重集W和模糊關系評判矩陣R按照公式（5）進行復合計算，即可得到模糊綜合評價矩陣C，并依據最大隸屬度原則確定大氣環境質量等級，其結果見表5。

表5 呼和浩特市2014-2020年大氣環境質量模糊綜合評價結果

根據表5 可知，2014-2020 年期間呼和浩特市大氣環境質量均為Ⅱ級良好水平，說明這7 年來呼和浩特市大氣環境質量整體不錯，沒有發生空氣污染狀況。由大氣環境質量等級隸屬度趨勢圖（圖3）可知，Ⅰ級優和Ⅱ級良好的隸屬度在逐漸增加，2020 年相對于2014 年分別增加了58.5%和9.6%，Ⅲ級輕度污染的隸屬度在迅速減小，2020 年隸屬度僅為0.062。由此可見，近年來呼和浩特市針對大氣環境質量采取的大量治理措施效果較為顯著，大氣環境質量呈現整體好轉的趨勢。

圖3 呼和浩特市2014-2020年大氣環境質量等級隸屬度變化趨勢圖

2.4 與其它大氣環境質量評價方法的比較

為了驗證模糊數學綜合評價法在大氣環境質量評價中的可靠性，本文將研究結果與采用層次分析法所得結果進行對比。按照層次分析法的計算步驟[9]，認為最大權重對應的級別就是大氣環境質量的評價等級，其評價結果如表6所示。根據表5和表6可知，采用模糊數學綜合評價法對呼和浩特市大氣環境質量評價所得結果與采用層次分析法所得結果完全一致，因此認為采用模糊數學綜合評價法對大氣環境質量進行評價所得結果是可靠的。

表6 呼和浩特市2014-2020年大氣環境質量層次分析評價結果

3 結論

本文以呼和浩特市2014-2020 年的大氣環境質量作為研究對象，選用PM2.5、PM10、SO2和NO2的年均值，CO 和O3日均值百分位數作為污染指標，并對環境空氣質量標準進行補充建立了大氣環境質量評價標準集，采用模糊綜合評價法對呼和浩特市大氣環境質量進行評價。結果表明：呼和浩特市近7 年來整體大氣環境質量均為良好水平，沒有發生超過Ⅱ級標準狀況，PM10，SO2，CO，NO2濃度呈現明顯下降趨勢，PM2.5濃度波動幅度不明顯，O3濃度則表現出明顯上升趨勢，但并沒有超出Ⅱ級評價標準，這說明近年來呼和浩特市大氣環境質量正在逐步好轉。但同時也應注意到就單一污染因子來講，除了2018 年外，其它年份PM2.5和PM10年均濃度都超出了Ⅱ級評價標準，O3濃度急劇上升，2020 年相較于2014 年濃度上升了37.3%，權重值更是增大了1.9倍成為新的重要污染物，因此對于O3也應投入更多的關注。另外，從各污染指標的權重值來看，7年間六種大氣污染物權重值排在前三位的始終是NO2、PM10和PM2.5（2018年除外），三種主要大氣污染物對大氣環境質量的污染貢獻率達到65%～68.7%，由此可見改善呼和浩特市大氣環境質量狀況，需要加強對機動車尾氣和工業污染源排放的監督和管理，強化環境管理工作，減少道路和施工揚塵排放，加快能源結構調整步伐，積極推進煤改氣、煤改電工作。