基于主成分分析法對河南省大氣主要污染物關(guān)系的研究

王明仕， 曹景麗， 桂晨露， 宋黨育

(河南理工大學 資源環(huán)境學院 河南 焦作 454003)

0 引言

近年來，環(huán)境污染問題日趨嚴重，其中以顆粒物、二氧化硫、氮氧化物為主的大氣環(huán)境問題越來越突出.大氣顆粒物主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、建筑施工、地表揚塵及汽車尾氣的排放等[1].人體的呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)疾病發(fā)病率以及人群死亡率等隨著顆粒物濃度的增加而增高[2-3]，而且隨著顆粒物粒徑的減小，其對人體的危害也越來越大[4].此外，顆粒物附著的多環(huán)芳烴等多種有機物污染具有三致效應[5-8]. 大氣中的SO2主要來自含硫能源的燃燒、金屬的熔煉以及其他含硫原料的生產(chǎn)加工[9]，短時間接觸或者完全暴露于高濃度的SO2中，對人體的呼吸道等都會造成嚴重的損傷[9-11]，長期暴露于SO2中會造成呼吸系統(tǒng)發(fā)病率的升高. NO2除來自自然源之外[12-14]，含氮物質(zhì)的高溫燃燒、汽車尾氣及工業(yè)生產(chǎn)也可產(chǎn)生大量的NO2[13-14]，NO2對呼吸道和肺部造成損傷，甚至引發(fā)呼吸困難、咳嗽、發(fā)熱哮喘等癥狀[15-17]. CO主要來自于工業(yè)燃燒排放以及機動車尾氣等[18]. O3是光化學煙霧的代表性污染物[19]，高濃度的O3具有很強的氧化性，對眼睛和呼吸道有強烈的刺激性，損害人體心肺功能[20-21]，甚至導致死亡[22].

目前，研究者基于已發(fā)布的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，對大氣主要污染物的成分分析、來源解析等方面進行了研究[7, 23-30].常見的環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)評價法，其計算量較大，并且分析比較復雜.因此本文采用主成分分析法對河南省的主要大氣污染物之間的關(guān)系進行探究，計算過程運用SPSS軟件進行簡化，計算快捷、結(jié)果精確，從而為環(huán)保部門以及相關(guān)的科研工作者提供參考.

1 方法及數(shù)據(jù)

1．1 主成分分析法

1.1.1基本原理 主成分分析法從數(shù)學的角度來說，屬于一種降維的數(shù)據(jù)處理技術(shù).在計算大氣污染物的主成分時，應把各大氣污染物作為待求因子，然后建立各個因子及其濃度之間的數(shù)學模型，確定二者之間的數(shù)學關(guān)系式，進而得出系數(shù)矩陣以及初始因子載荷矩陣，最終得出大氣主要污染物的類型及其對應的方差貢獻率[31-32].

1.1.2計算步驟 根據(jù)常用的主成分分析方法，其主要計算步驟為：1) 標準化原始數(shù)據(jù)；2) 計算各污染指標相關(guān)性矩陣；3) 依據(jù)R值，確定污染物的主成分；4) 根據(jù)方差貢獻率確定大氣污染物主成分個數(shù)；5) 計算初始因子載荷矩陣；6) 計算主成分載荷值[33].

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)為2015年河南省的17個城市的大氣污染物濃度.空氣質(zhì)量分析的大氣污染物指標為6項(見表1)，分別為PM10、SO2、NO2、PM2.5、O3和CO[34].數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站“全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺”.采用SPSS 19.0對表1中的6個指標進行主成分分析.經(jīng)驗證，KMO檢驗系數(shù)為0.629>0.5，適合進行主成分分析[35].標準化數(shù)據(jù)結(jié)果見表2，其相關(guān)性系數(shù)矩陣、主成分貢獻率分別見表3和表4. 主成分載荷矩陣等于初始因子載荷矩陣中的數(shù)值除以主成分相對應的特征值的平方根，計算結(jié)果見表5.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 城市大氣主要污染物污染狀況

由表1可得，河南省整體污染較為嚴重，其中顆粒物污染最為突出.河南省PM2.5的年均質(zhì)量濃度為79.975 μg/m3，其中鄭州市PM2.5的濃度值最大，是國家年均二級標準值(35 μg/m3)的2.73倍，濃度最小值是信陽市，是國家二級標準值的1.99倍；而PM10的年均質(zhì)量濃度為135.598 μg/m3，其中鄭州市PM10的濃度值是年均二級標準值(70 μg/m3)的2.39倍，信陽濃度值最小，超標1.61倍，表明河南省是粗細粒子共存的復合型污染；SO2的國家年均二級濃度值為60 μg/m3，河南省SO2的最大值為50.275 μg/m3，均未出超二級標準值，表明河南省SO2污染較輕；NO2的年均濃度值為40.757 μg/m3，除周口、商丘、漯河、南陽、駐馬店、信陽外，其他各市均超出標準值(40 μg/m3)，其中鄭州NO2濃度值最大，是標準值的1.4倍，表明NO2的排放源在河南省的分布并不均衡.綜上可以發(fā)現(xiàn)，河南省經(jīng)濟在發(fā)展的同時，對環(huán)境也造成一定的污染，但是因各市的經(jīng)濟發(fā)展程度不同，其污染程度也不盡相同.

表1 河南省17個城市空氣質(zhì)量指標

表2 標準化數(shù)據(jù)

2.2 城市大氣污染物的主成分分析

由表3的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，O3與CO的相關(guān)性數(shù)值為-0.818**，絕對值較其他相關(guān)性數(shù)值大，這可能是由于CO是O3的前體物[12, 36]，又均參與了光化學反應過程，因而導致相關(guān)性較高，由此也證明河南省大氣存在一定程度的光化學污染.

表3 相關(guān)性系數(shù)矩陣

*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**在0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān)

表4 特征值和主成分貢獻率及累計貢獻率

表5 主成分載荷值

由表4所示，前3個主成分的累積貢獻率達到91.300%，其中第一主成分的貢獻率達到總方差的1/2以上，所占比重較大，由此表明，河南省PM10和NO2污染物最嚴重，并且存在一定的光化學污染.這說明河南省空氣質(zhì)量污染主要是工業(yè)排放的廢氣、機動車尾氣、道路揚塵等，所以相關(guān)部門要加強這方面的監(jiān)督管理工作. PM2.5、PM10質(zhì)量濃度與SO2、NO2質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)出顯著性正相關(guān)，說明影響其質(zhì)量濃度的污染源具有較強的相關(guān)性.工業(yè)污染以及機動車尾氣排放、道路揚塵是影響以上指標質(zhì)量濃度的重要來源[31].并且空氣中的SO2和 NO2通過氣相或者多反應氧化成酸性氣溶膠，再和大氣中的NH3反應生成硫酸銨或者硝酸銨氣溶膠粒子，最終轉(zhuǎn)換成硫酸鹽或者硝酸鹽顆粒物，而硫酸鹽和硝酸鹽是PM2.5和PM10中的主要組成部分，所以PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度與SO2、NO2質(zhì)量濃度的相關(guān)性顯著[37-38].因而，工業(yè)企業(yè)、汽車尾氣等排放的污染物以及不利的氣象條件[39-41]都會嚴重影響著河南省的空氣質(zhì)量.

3 結(jié)論

1) SO2、NO2與PM2.5和PM10的相關(guān)性顯著，說明這幾種污染物具有相似的來源.此外，河南省各市的顆粒物濃度均超出國家二級年均標準值一定的倍數(shù)，由此可以表明河南省是粗細粒子共存的復合型污染.

2) O3與SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10等均呈現(xiàn)一定的負相關(guān)性，并且CO和O3的濃度較高，表明河南省存在一定程度的光化學污染.

3) 河南省控制質(zhì)量污染的第一主成分是PM10、NO2，第二主成分是CO、O3，第三主成分是SO2、PM2.5.其主成分貢獻率分別為52.049%、25.306%、13.947%.

4) 第一主成分的貢獻率達到總方差的1/2以上，可以得出河南省城市空氣污染物最嚴重的是第一成分PM10和NO2.

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