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    石家莊市空氣質(zhì)量變化因素分析

    2018-02-21 10:02:48呂苗張佳琪董艷瑩吳宇航
    新型工業(yè)化 2018年11期
    關(guān)鍵詞:石家莊市方差空氣質(zhì)量

    呂苗 ,張佳琪 ,董艷瑩 ,吳宇航

    (1.華北理工大學數(shù)學建模創(chuàng)新實驗室,河北 唐山 063009;2.華北理工大學建筑工程學院,河北 唐山 063009;3.華北理工大學電氣工程學院,河北 唐山 063009;4.河北省數(shù)據(jù)科學與應用重點實驗室,河北 唐山 063009;5.唐山市數(shù)據(jù)科學重點實驗室,河北 唐山 063009)

    1 2017年石家莊市空氣質(zhì)量變化趨勢

    城市的空氣質(zhì)量影響著當?shù)厝丝诘慕】狄约吧罘绞剑S著經(jīng)濟的發(fā)展和人口增長,空氣質(zhì)量受到人類活動的較大影響[1-4]。為了解現(xiàn)今的空氣質(zhì)量及其趨勢,既要選取經(jīng)濟水平較高的城市,也要選取氣候環(huán)境穩(wěn)定的地區(qū),因為京津冀地區(qū)屬于我國的五大城市群之一,經(jīng)濟實力雄厚,在我國社會經(jīng)濟發(fā)展中有重要作用,且處于華北平原地帶,氣候穩(wěn)定,無較大突發(fā)變化,所以選取石家莊市進行空氣質(zhì)量變化分析。大氣污染物不僅影響著空氣環(huán)境的質(zhì)量,也正相關(guān)于人類呼吸系統(tǒng)和心肺系統(tǒng)的發(fā)病率與死亡率,對人體健康有很大的威脅。城市空氣中的大氣污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、臭氧、二氧化碳、一氧化碳、總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物、碳氫化合物、鉛、苯并芘、氟化物等。選取其中部分被列為空氣質(zhì)量標準中需控制濃度限值的物質(zhì),分別為 PM2.5,PM10,SO2,CO,NO2以及 O3作為影響空氣質(zhì)量的研究變量。本文選取AQI作為主要的空氣質(zhì)量變化趨勢指標,對2017年石家莊市每月的優(yōu)良天數(shù)分析如圖1所示。

    圖1 2017年月份優(yōu)良天數(shù)分析圖Fig.1 2017 analysis of days of fine days

    對圖像進行分析可以得到,石家莊市的空氣質(zhì)量是呈季節(jié)性變化的,從整體水平來看,優(yōu)良天數(shù)平均分步并不多,即空氣質(zhì)量不太良好,再對石家莊市2017年每月AQI的最高值和平均值進行數(shù)據(jù)趨勢的分析如圖2所示。

    圖2 AQI最高值與平均值的趨勢走向圖Fig. 2 Trend chart of maximum and average values of AQI

    從AQI最高值與平均值的趨勢走向圖可以得到:從2017年1月開始,石家莊市整體的空氣質(zhì)量呈下降趨勢,到三月后趨于平穩(wěn),但AQI的值數(shù)平均在100左右,仍難以達到優(yōu)良天氣的標準,故需要對影響空氣質(zhì)量,即AQI趨勢變化的因素進行分析。

    2 影響石家莊市空氣質(zhì)量的主要因素分析

    主要考慮計入空氣污染的幾個指標,利用主成分分析法分析影響石家莊市2017年空氣質(zhì)量的主要污染物。從表1主要污染物的月平均濃度中,用主成分法分析各個變量的權(quán)重,得出主要影響因子。

    2.1 利用主成分分析法確定權(quán)重

    權(quán)重是指某一因素或指標相對于某一事物的重要程度,利用歸一化后計算出的權(quán)重系數(shù)的大小來反應各種污染物對空氣污染的影響程度,權(quán)重越大則該指標的重要性越高,對整體的影響就越高。將指標數(shù)據(jù)錄入SPSS,輸出結(jié)果如表2所示。

    表2 KMO 和巴特利特檢驗結(jié)果Table 2 KMO and Bartlett test results

    表2顯示的是KMO檢驗結(jié)果,讀取KMO值后,根據(jù)給出的常用KMO度量標準,確定原有變量是否適合做因子分析。

    由表3知KMO輸出值為0.701,所以變量適合主成分分析的程度介于一般。

    表3 KMO檢驗標準參考Table 3 Reference for KMO inspection standard

    由表4可知,主成分1,2所對應的特征根大于1,取用主成分1和主成分2的累計方差貢獻率達到89.324%,超出80%,所以主成分1和主成分2基本可以代表全部信息。因此,可以用前兩個成分來代替原來的七個指標因素,這樣便降低了分析的維度。

    表5 成分矩陣aTable 5 Component matrix a

    從表5成分矩陣可知第一主成分與第二主成分對原來指標的載荷數(shù)。比如,第一主成分對AQI的載荷數(shù)為0.769。第二主成分對AQI的載荷數(shù)為0.593。

    表1 空氣質(zhì)量因素的指數(shù)分析表Table 1 Index analysis table of air quality factors

    表4 解釋總方差Table 4 Explain total variance

    因此要確定各個指標權(quán)重,需要計算以下數(shù)據(jù):指標在各主成分線性組合中的系數(shù),主成分的方差貢獻率,以及最終的指標權(quán)重的歸一化。

    2.2 計算線性組合中的系數(shù)

    根據(jù)公式:各指標線性組合系數(shù)=載荷數(shù)/對應特征值,計算出各指標在兩個主成分線性組合中的系數(shù),結(jié)果如表6所示。

    整理得到的兩個主成分線性組合表達式如下:

    2.3 主成分的方差貢獻率[5]

    根據(jù)每個因子對問題的解釋程度,將各個指標系數(shù)看成是前兩個成分方差貢獻率,對指標在這兩個主成分線性組合中的系數(shù)做加權(quán)平均。最后再計算綜合評價系數(shù)??梢杂嬎愠鏊兄笜说南禂?shù),如表7所示。

    所有指標的綜合得分公式:

    表6 兩個主成分線性組合系數(shù)Table 6 Two principal components linear combination coefficient

    2.4 指標權(quán)重歸一化

    歸一化指對不同特征維度進行伸縮變換,改變原始數(shù)據(jù)的分布使各個特征維度對目標函數(shù)的影響權(quán)重是一致的。對目標函數(shù)的影響體現(xiàn)在數(shù)值上并且把有量綱表達式變?yōu)闊o量綱表達式 。由主成分方差貢獻率計算得出的綜合得分模型中的系數(shù),計算各個指標權(quán)重,如表8所示。

    表7 所有指標的系數(shù)Table 7 Coefficients of all indicators

    表8 模型權(quán)重表Table 8 Model weight table

    歸一化后的權(quán)重指標顯示,除綜合指標AOI外,PM2.5和SO2對空氣的影響力度最大。對此,對污染處理政策的進行主要針對于PM2.5和SO2的處理。

    3 結(jié)論

    空氣污染程度可以反映某地空氣質(zhì)量的好壞,它是依據(jù)空氣中污染物濃度的高低來判斷的,針對石家莊市空氣污染物濃度,計算權(quán)重后,PM2.5和SO2的指標權(quán)重值明顯較高,因此判定石家莊市空氣主要污染物為PM2.5和SO2。

    為防止二氧化硫的有害影響,大多數(shù)國家把大氣中的二氧化硫濃度控制在0.05ppm以下,超過這個數(shù)值就認為構(gòu)成了大氣污染,必須采取防治措施,以降低其濃度,目前采取的有效途徑一般有如下幾種:一是采用低硫燃料,二是高煙囪排放,三是燃料脫硫,四是燃燒脫硫,五是煙氣脫硫。

    隨著天氣逐漸變冷,PM2.5的擴散程度直線上升,再加上他嚴重影響了我們的生活以及自己的身體,他會長時間的在空中漂浮,源自于汽車尾氣排放太多,熱能排放太多。防范PM2.5首先應該應對污染選對口罩,其次注意飲食,多種植綠植。能有效緩解空氣污染危害。

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