基于灰色預測法節(jié)能減排對大氣環(huán)境的改善

劉雅倩，朱家明，曾淑嫻，王昌海

(1.安徽財經(jīng)大學 金融學院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽財經(jīng)大學 統(tǒng)計與應(yīng)用數(shù)學學院，安徽 蚌埠 233030)

工業(yè)革命以來，世界各國尤其是西方國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展是以大量消耗能源資源為代價的，造成了生態(tài)環(huán)境的日益惡化。節(jié)約能源資源，保護生態(tài)環(huán)境，已成為世界人民的廣泛共識。我國從2007年8月起，中央財政開始實施節(jié)能減排工作，《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》提出了“十一五"期間(2006～2010)單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20%左右，主要污染物排放總量減少10%的約束性指標[1]。分析節(jié)能減排對大氣環(huán)境的影響成為當今環(huán)境保護的重要課題，本文試圖從定量的角度來研究節(jié)能減排對大氣環(huán)境的改善。

1　“十一五"期間我國節(jié)能減排所取得成績的定量分析

1.1　研究思路

評價“十一五”期間我國節(jié)能減排所取得的成績，不僅要對“十一五”期間指標的變化進行分析，還要與2000-2005年的數(shù)據(jù)進行比較分析。現(xiàn)將對“十一五”期間我國節(jié)能減排所取得的成績的評價分為減排與節(jié)能兩個方面。其中減排的評價是分別對二氧化硫排放量、煙塵排放量、工業(yè)粉塵建立成本型的指標[1]，并考慮國家指定的“十一五”計劃期間的指標要求完成度，比較2000-2005年與2006-2010年各指標的數(shù)據(jù)，指標值越高，說明我國在“十一五”期間的減排效果就越好。節(jié)能評價是研究國家指定的“十一五”計劃期間的指標要求完成度，完成度越高，節(jié)能效果越好。

1.2.1減排效果分析

1)數(shù)據(jù)處理

對二氧化硫排放量a1、煙塵排放量b1、工業(yè)粉塵排放量c1作如下處理，得到成本型指標[2]Q1i,Q2i,Q3i。當ai,bi,ci越小，則Q1i,Q2i,Q3i越大，減排的效果就越好。

運用模型，對從網(wǎng)上獲取三種物質(zhì)排放量的時間序列數(shù)據(jù)進行處理，可得到無量綱化的2000-2010年度我國二氧化硫、煙塵、工業(yè)粉塵等排放量歸一化處理后的成本型指標值(見表1)。

表1　2000-2010年度二氧化硫、煙塵、工業(yè)粉塵等排放量歸一化處理后的成本型指標值

2)對比分析

分別將2000-2005年與2006-2010年二氧化硫、煙塵、工業(yè)粉塵的數(shù)據(jù)分開，并作圖比較，得圖1、圖2和圖3。

圖1 2000-2005年與2006-2010年Q1i值對比圖圖2 2000-2005年與2006-2010年Q2i值對比圖圖3 2000-2005年與2006-2010年Q3i值對比

由圖可知：從2000年到2005年，即實行“十一五”計劃前，我國減排的效率普遍較低，甚至出現(xiàn)下降趨勢，說明減排勢在必行。從2006年到2010年，即實行“十一五”計劃期間，減排效率不斷上升，相較于“十一五”計劃前有明顯的好轉(zhuǎn)。“十一五”計劃前期減排效率上升較快，后期減排效率的上升速度有所減緩。并且經(jīng)計算可知“十一五”計劃期間主要污染物排放總量降低了25%，達到了國家指定的“十一五”計劃期間的指標要求。因此說明：“十一五”期間我國減排頗有成效，并且前期效果較好，后期效果有所下降。

1.2.2節(jié)能效果分析

從國家統(tǒng)計年鑒中得到我國2000-2010年的GDP數(shù)值，以2000年GDP為基期(即將2000年GDP定為100)，對2000-2010年的數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實際GDP，進行分析。

由計算可知：2000-2005年單位GDP能耗降低13%,2006-2010年單位GDP能耗降低32%，達到了國家指定的“十一五”計劃期間的指標要求，說明我國“十一五”計劃期間節(jié)能效果較好。雖然節(jié)能效果增強，但是能源消費總量仍呈上升趨勢，節(jié)能減排刻不容緩。

表2　2000-2010年節(jié)能評價表(單位：萬噸標準煤)

經(jīng)過上述分析，我國“十一五”計劃期間節(jié)能減排所取得的成績較好，但能源消耗量仍不斷增加，應(yīng)繼續(xù)堅持節(jié)能減排這一舉措，開發(fā)新能源。

2　未來十年能源消費量和環(huán)境空氣質(zhì)量的預測

2.1　研究思路

根據(jù)所得數(shù)據(jù)，采用灰色預測法建立模型，得到2000-2009年指標的預測值，通過預測值與真實值的對比，檢驗?zāi)Ｐ偷臄M合程度，經(jīng)實際計算可知模型擬合較好。再分別將2000-2009年能源消費總量、二氧化硫排放量、煙塵排放量、工業(yè)粉塵排放量的數(shù)據(jù)代入模型，得到未來十年(即2010-2019年)能源消費量和環(huán)境空氣質(zhì)量的預測值。

2.2　數(shù)據(jù)處理

基于2000-2009年能源消費總量、二氧化硫排放量、煙塵排放量、工業(yè)粉塵數(shù)據(jù)，建立灰色模型[3](P3)，首先定義原始數(shù)列為：x(0)=(x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(8))。

級比數(shù)如果不滿足上述要求，需要對其做適當處理，即取適當?shù)某?shù)c,做平移變換，y(0)(i)=x(0)(i)+c，使數(shù)列的級比數(shù)滿足要求。

記x(1)=(x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(8))；取x(1)的加權(quán)均值，則z(1)(i)=ax(1)(i)+(1-a)x(1)(i-1)(i=2,3,…，8)，α=0.5為確定參數(shù)，z(1)=(z(1)(2),z(1)(3),…,z(1)(8))。

③建立灰微分方程

由于x(1)(i)-x(1)(i-1)=x(0)(i)，取x(0)(i)為灰導數(shù)，z(1)(i)為背景值，則建立灰微分方程為

x(0)(i)+az(1)(i)=b(i=2,3,…，8)，其中待定參數(shù)a為發(fā)展灰度，b為內(nèi)生控制變量，其矩陣形式為y(0)=B(a,b)T。

2.3　研究方法

為了保證研究的延續(xù)性，根據(jù)研究一所獲取的2000-2009年能源消費總量、二氧化硫排放量、煙塵排放量、工業(yè)粉塵數(shù)據(jù)代入模型，對比分析預測值與實際值以檢驗?zāi)Ｐ偷臏蚀_性。

根據(jù)以上模型，代入2000-2009年能源消費總量的數(shù)據(jù)，得到結(jié)果見表3。

表3　2000-2009年能源消費總量預測表單位：萬噸標準煤

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)做出實際值與預測值的對比圖，見圖4。

圖4　2000-2009年能源消費總量預測表

由表3、圖4可知該預測模型準確性較高，可以用來預測未來十年的能源消耗量及環(huán)境空氣質(zhì)量。接下來用該模型分別對未來十年(2010年-2019年)的能源消耗總量、二氧化硫排放總量、煙塵排放總量以及工業(yè)粉塵排放總量進行預測。預測結(jié)果如下見表4。

表4　未來十年各指標預測值單位：萬噸標準煤

由表中預測結(jié)果可知，未來十年能源消耗總量持續(xù)上升，但上升速度變化不大。未來十年二氧化硫排放量明顯下降，節(jié)能減排效果明顯，應(yīng)不斷堅持。未來十年煙塵排放量明顯下降，節(jié)能減排效果明顯，應(yīng)不斷堅持。未來十年工業(yè)粉塵排放量明顯下降，節(jié)能減排效果明顯，應(yīng)不斷堅持。

3　全國各省會城市大氣污染狀況的分析比較

3.1　研究思路

首先以空氣中的可吸入顆粒、二氧化硫、二氧化氮三種主要污染物為評價指標，根據(jù)所有省會城市以及直轄市的統(tǒng)計數(shù)據(jù)構(gòu)造觀測矩陣，并使用變異系數(shù)法計算三項指標的權(quán)重，最終得到每個城市的權(quán)數(shù)，通過權(quán)數(shù)大小對各個城市的空氣質(zhì)量進行綜合評價；接著通過研究二的灰色預測模型由從中國統(tǒng)計年鑒上中國主要城市的空氣污染情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，預測出2012年各個城市空氣中三種污染物的濃度，再由前面建立的綜合評價模型[4]分析比較各個城市的空氣狀況。

3.2　數(shù)據(jù)處理

(1)建立觀測矩陣

設(shè)U={u1,u2,u3,…,un}是n種方案集合，V={v1,v2,v3,…，vm}是評價因素集合，將U中的每個方案用V中的每個因素進行衡量，得到一個觀測矩陣，其中aij表示第j種方案關(guān)于第i項評價因素的指標值：

(2)建立理想方案

(3)建立相對偏差模糊矩陣

(4)采用變異系數(shù)法求出各項指標權(quán)數(shù)

并得到n個狀態(tài)向量即為x(i)=(xi1,xi2,…,xim)T(i=1,2,…,n)，建立綜合評價模型：

3.3　研究方法

運用matlab7進行求解，得到如下結(jié)果，表5中排名越高代表該省會的空氣質(zhì)量越好,顯然,?？诘目諝赓|(zhì)量情況最好,重慶最差。

表5　各省會2012大氣的污染狀況排序表

4　節(jié)能減排對大氣環(huán)境質(zhì)量改善程度的分析

4.1　研究思路

將空氣質(zhì)量指數(shù)AQI[5]作為指標來衡量大氣環(huán)境質(zhì)量，建立模型，分別計算二氧化硫、煙塵、工業(yè)粉塵所對應(yīng)的AQI值，對比分析節(jié)能減排對大氣環(huán)境質(zhì)量改善所起的作用。

4.2　數(shù)據(jù)處理

首先，由空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的定義可知，空氣質(zhì)量指數(shù)是根據(jù)各種污染物的濃度值換算出來的。要計算AQI，就需事先確定各污染物在不同空氣質(zhì)量水平下的濃度限值?，F(xiàn)選取美國環(huán)保局針對PM2.5的限值定義如表6。

表6　PM2.5時的限值定義表(單位：ug/m3)

查閱資料可知AQI的計算公式如下：

其中V為空氣的體積，這里取V=60萬噸。

4.3　研究方法

由模型能夠分別得到二氧化硫、煙塵、工業(yè)粉塵所對應(yīng)的AQI值，取其平均值作為最終空氣質(zhì)量指數(shù)，通過計算，得到結(jié)果見表7、圖5。

表7　2000-2010年AQI計算結(jié)果表(單位：ug/m3)

圖5　2000-2010年AQI計算結(jié)果圖

圖中紅線為AQIa，綠線為AQI，藍線為AQIb，黑線為AQIc。由表7、圖5可知，AQI值呈下降趨勢，說明通過節(jié)能減排能使大氣環(huán)境質(zhì)量得到改善。2000-2002年AQI值大體上比2003-2010年AQI值低，且主要是由二氧化硫排放量增加導致的，結(jié)合能源分析可知，總體上一線發(fā)達城市空氣環(huán)境有的空氣環(huán)境改善很明顯，例如上海和北京空氣幾乎改善，實際值往往稍大于預測值。

5　總結(jié)

本文首先將數(shù)據(jù)處理為成本型的指標值，量化分析出“十一五"期間我國節(jié)能減排所取得的成績。運用灰色預測法得到未來十年(即2010-2019年)能源消費量和環(huán)境空氣質(zhì)量的預測值。構(gòu)造觀測矩陣，并使用變異系數(shù)法計算各項指標的權(quán)重，從而對各個城市的空氣質(zhì)量進行綜合評價。將空氣質(zhì)量指數(shù)AQI作為指標來衡量大氣環(huán)境質(zhì)量，分別計算二氧化硫、煙塵、工業(yè)粉塵所對應(yīng)的AQI值，對比分析節(jié)能減排對大氣環(huán)境質(zhì)量改善所起的作用。本文所采用的研究方法通用性強且具有現(xiàn)實意義，對我國進一步實施節(jié)能減排有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] 節(jié)能減排措施[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/4471051.htm?fr=Aladdin.2014.08.02.

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[4] 楊桂元,黃己立．數(shù)學建模[M]．合肥:中國科技大學出版社,2008.

[5] 陳文花.城市尺度環(huán)境空氣質(zhì)量評價中AQI指數(shù)的確定[J].海峽科學,2013,(12)：20-21.