基于模糊綜合法的巴彥浩特大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

沈夢(mèng)蘭　李靜　韓龍　金鏡　陳成賀日

摘要：模糊綜合評(píng)價(jià)法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，從多個(gè)因素對(duì)被評(píng)價(jià)事物隸屬等級(jí)狀況進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)的一種方法。本文基于模糊綜合評(píng)價(jià)法，以SO2、NO2、PM10為評(píng)價(jià)指標(biāo)，參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-1996）確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集，采用超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法確定污染物權(quán)重，對(duì)巴彥浩特鎮(zhèn)2015-2017年大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：2015-2017年巴彥浩特首要污染物都為PM10；2015年大氣環(huán)境質(zhì)量為Ⅱ級(jí)（良好），2016年和2017年為Ⅰ級(jí)（清潔），大氣環(huán)境質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：大氣環(huán)境質(zhì)量；模糊綜合評(píng)價(jià)；巴彥浩特

中圖分類號(hào)：X823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2018）06-0014-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.06.007

Abstract： The fuzzy comprehensive evaluation method based on fuzzy mathematics is a method that quantifies some factors which are unclear and difficult to quantify and comprehensively evaluates the status of the subordinate status of the evaluated object from multiple factors. In this paper， based on the fuzzy comprehensive evaluation method， using SO2， NO2， and PM10 as evaluation indexes， referencing Ambient Air Quality Standard （GB3095-1996） to determine the evaluation standard set， and using the excessive multiple weighting method to determine the weight of pollutants， evaluates atmospheric environmental quality of Bayan Hot in 2015-2017. The results showed that the primary pollutants were PM10 in 2015-2017； the atmospheric environmental quality in 2015 was Grade II （good）， Grade I （cleaning） in 2016 and 2017， and the quality of atmospheric environment gradually improved.

Key words： Atmospheric environment quality； Fuzzy comprehensive evaluation； Bayan Hot

自《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱“氣十條”）頒布以來，大氣環(huán)境質(zhì)量日益受到人們的關(guān)注和重視。科學(xué)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)大氣污染水平和環(huán)境質(zhì)量，不僅可以讓我們正確認(rèn)識(shí)現(xiàn)有大氣環(huán)境質(zhì)量水平，同時(shí)可以預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)，為環(huán)境管理提供數(shù)據(jù)參考。目前，大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[1]很多，其中AQI指數(shù)法以其形式簡(jiǎn)單、計(jì)算方便等特點(diǎn)得到廣泛使用，絕大多數(shù)環(huán)境管理部門都在用此方法評(píng)價(jià)大氣環(huán)境質(zhì)量，但該方法只是單一的從各個(gè)污染物是否超標(biāo)的角度去評(píng)價(jià)大氣環(huán)境，沒有考慮各個(gè)污染物對(duì)環(huán)境的貢獻(xiàn)，忽略了大氣環(huán)境是一個(gè)多因素相互作用的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，是多種污染物指標(biāo)綜合作用的結(jié)果。模糊綜合評(píng)價(jià)法[2]-[8]是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法，從多個(gè)指標(biāo)對(duì)被評(píng)價(jià)事物隸屬等級(jí)狀況進(jìn)行綜合性評(píng)判，同時(shí)可以做到定性和定量因素相結(jié)合，使評(píng)價(jià)結(jié)論更加可信，具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能更加科學(xué)真實(shí)全面反映大氣環(huán)境質(zhì)量整體狀況。

1 模糊綜合評(píng)價(jià)法及步驟

模糊綜合評(píng)價(jià)法是借助模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞鞒鲆粋€(gè)整體的評(píng)價(jià)。

1.1 基本原理

首先確定被評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集（指標(biāo)）集合評(píng)價(jià)（等級(jí)）集；再分別確定各個(gè)因素的權(quán)重及它們的隸屬度矢量，獲得模糊評(píng)判矩陣；最后把模糊評(píng)判矩陣與因素的權(quán)重矢量進(jìn)行模糊運(yùn)算并進(jìn)行歸一化，得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法的步驟

1.2.1 確定評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集

設(shè)U={u1，u2，…，um}為刻畫被評(píng)價(jià)對(duì)象的m種評(píng)價(jià)因素（評(píng)價(jià)指標(biāo)），其中m為評(píng)價(jià)因素的個(gè)數(shù)，由具體的指標(biāo)體系決定。

1.2.2 確定評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)語(yǔ)集

設(shè)V={v1，v2，…，vn}，是評(píng)價(jià)者對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象可能做出的各種總的評(píng)價(jià)結(jié)果組成的評(píng)語(yǔ)等級(jí)的集合，n為總的評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)，一般劃分為3-5個(gè)等級(jí)。

1.2.3 單因素評(píng)價(jià)，建立模糊矩陣R

單獨(dú)從一個(gè)因素出發(fā)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)評(píng)價(jià)集合V的隸屬程度，稱為單因素模糊評(píng)價(jià)。構(gòu)造了等級(jí)模糊子集后，逐個(gè)對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象從每個(gè)因素ui上進(jìn)行量化，即確定從單因素來看被評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)各等級(jí)模糊子集的隸屬度，得到模糊關(guān)系矩陣：

1.2.4 確定評(píng)價(jià)因素的權(quán)重向量

權(quán)重是被評(píng)價(jià)事物總體中各因素相對(duì)重要程度的量值。設(shè)A={a1，a2， …，am}為權(quán)重（權(quán)數(shù)）分配模糊矢量，其中ai表示第i個(gè)因素的權(quán)重，ai>>0，∑ai=1，A即為權(quán)重集。確定權(quán)重的方法[9]很多，有專家調(diào)研法（Delphi法）、層次分析法（AHP法）、加權(quán)平均法、熵值法、均方差法等。

1.2.5 多因素綜合評(píng)價(jià)

在建立了A 和R 之后，利用合適的合成算子將A與模糊關(guān)系矩陣R合成得到被評(píng)價(jià)對(duì)象的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量B，即B = A·R。

B=A·R=（a1，a2， …，am）=（b1，b2， …，bn）

bj表示被評(píng)價(jià)對(duì)象從整體上看對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)模糊子集元素vj的隸屬程度。根據(jù)最大隸屬度原則，若在矩陣B = （ b1，b2，…bn）中存在bj = max （ b1，b2，…bn），則該評(píng)價(jià)對(duì)象級(jí)別應(yīng)該為第j 級(jí)。

2 巴彥浩特鎮(zhèn)空氣質(zhì)量分析

巴彥浩特鎮(zhèn)共有三個(gè)環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，分別位于西花園、蒙二幼、環(huán)保局新樓，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)規(guī)范，可全面反映環(huán)境空氣質(zhì)量狀況。

依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）中大氣污染物污染程度及分類標(biāo)準(zhǔn)，以巴彥浩特鎮(zhèn)2017年空氣自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，對(duì)全鎮(zhèn)二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、顆粒物（PM10）和顆粒物（PM2.5）月均變化情況進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析，見圖1。

由圖1可知，PM10和PM2.5變化趨勢(shì)整體相同，上半年污染物濃度明顯高于下半年，5月PM10和PM2.5呈跨越式增大，分別達(dá)到159μg/m3、57μg/m3，尤其是PM10，幾乎為全年平均值的2倍，主要是因?yàn)?月是我盟沙塵暴頻發(fā)期，導(dǎo)致顆粒物污染較為嚴(yán)重。6月以后，PM10和PM2.5濃度呈下降趨勢(shì)，空氣質(zhì)量明顯轉(zhuǎn)好。SO2和 NO2變化趨勢(shì)大體相同，除一季度和四季度濃度稍高外，其他季節(jié)基本沒有變化，主要原因在于一、四季度為供暖季，煤煙型污染導(dǎo)致SO2和 NO2濃度偏高，但全年仍屬于環(huán)境空氣質(zhì)量一級(jí)。

3 巴彥浩特空氣質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)

3.1 確定評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集

選取巴彥浩特鎮(zhèn)2015-2017年主要污染物SO2、NO2、PM10作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即因素集U={SO2，NO2，PM10}。

3.2 確定評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)語(yǔ)集

我國(guó)于2012年對(duì)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-1996）進(jìn)行修改，將污染物濃度排放限值由三個(gè)等級(jí)修改為兩個(gè)等級(jí)。由巴彥浩特污染物實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，其中污染物 PM 10 的濃度比新標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（70μg/m3 ）還要高很多，故不能詳細(xì)描述污染狀況，有效區(qū)分污染程度。因此，本文仍參照原有三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集V={Ⅰ級(jí)（清潔），Ⅱ級(jí)（良好），Ⅲ級(jí)（輕度污染）}。

3.3 確定隸屬度函數(shù)，建立單因素模糊矩陣R

參照有關(guān)文獻(xiàn)[9]，本研究中各評(píng)價(jià)因子均屬逆向因子， 采用降半梯形分布確定隸屬函數(shù)。

由2015-2017年模糊關(guān)系矩陣可知：三年中SO2和NO2的隸屬度全部為Ⅰ級(jí)（清潔），說明政府采取的一系列諸如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、淘汰落后產(chǎn)能、對(duì)重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)實(shí)施提標(biāo)改造等措施已見明顯效果。2015年，PM 10Ⅱ級(jí)（良好）隸屬度值為Ⅰ級(jí)（清潔）隸屬度值的4倍，2016年-2017年兩者隸屬度的差距在明顯縮小，這說明《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》實(shí)施以來，巴彥浩特鎮(zhèn)大氣環(huán)境質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)。

3.4 確定各污染物的權(quán)重

本文采用超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法確定污染物的權(quán)重，并將權(quán)值歸一化，這樣既可突出環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中主要污染物的作用，又考慮了不同污染物標(biāo)準(zhǔn)值的差異。其公式為：

其中，ai為第i種大氣污染物的權(quán)重值，Si為第i種污染物3個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的平均值，Xi為第i種污染物的實(shí)際監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度平均值。

根據(jù)公式（4）計(jì)算得到2015-2017年各污染因子權(quán)重分別為：

A2015=（aSO2，aNO2，aPM10）=（0.121，0.145，0.734）

A2016=（aSO2，aNO2，aPM10）=（0.170，0.152，0.678）

A2017=（aSO2，aNO2，aPM10）=（0.162，0.145，0.693）

從各年污染因子的權(quán)重可以看出： 2015年各種污染物的主次順序?yàn)镻M10> NO2>SO2，2016年各種污染物的主次順序?yàn)镻M10> SO2> NO2，2017年各種污染物的主次順序?yàn)镻M10> SO2> NO2。由此可知，2015-2017年巴彥浩特首要污染物都為PM10。

3.5 確定模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B

確定了權(quán)重向量A 和模糊矩陣R，利用合適的算子得到模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B。對(duì)于B = A·R的復(fù)合計(jì)算，常用的模糊合成算子有四種[3]：加權(quán)平均型、幾何平均型、單因素決定型、主因素突出型。本文采用加權(quán)平均型即先乘后并的方法，將各年數(shù)據(jù)帶入可得：

B2015=A·R=（0.121，0.145，0.734）=（0.413，0.587，0）

B2016=A·R=（0.170，0.152，0.678）=（0.649，0.351，0）

B2017=A·R=（0.162，0.145，0.693）=（0.584，0.416，0）

根據(jù)最大隸屬度原則，巴彥浩特鎮(zhèn)2015年綜合大氣質(zhì)量為Ⅱ級(jí)（良好），2016年和2017年綜合大氣質(zhì)量為Ⅰ級(jí)（清潔），這主要?dú)w功于自2013年《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》頒布以來，各部門對(duì)大氣污染防治工作高度重視，采取了大量行之有效的污染治理措施，對(duì)改善大氣環(huán)境質(zhì)量起到了積極的作用。

4 比較AQI指數(shù)法與模糊綜合評(píng)價(jià)法

目前，環(huán)保部門大多仍采用AQI指數(shù)法對(duì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。2017年，巴彥浩特空氣質(zhì)量有效監(jiān)測(cè)天數(shù)364天，AQI指數(shù)法評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量Ⅰ級(jí)天數(shù)：52天，占監(jiān)測(cè)天數(shù)的14.2%?？諝赓|(zhì)量Ⅱ級(jí)天數(shù)：267天，占監(jiān)測(cè)天數(shù)的73.2%，總的優(yōu)良天數(shù)318天，優(yōu)良率達(dá)到87.4%，PM10為首要污染物。模糊綜合法計(jì)算可得：2017年，巴彥浩特鎮(zhèn)環(huán)境空氣Ⅰ級(jí)（0.584）和Ⅱ級(jí)（0.416）總的隸屬度為1，根據(jù)最大隸屬度原則，評(píng)價(jià)全年綜合大氣質(zhì)量為Ⅰ級(jí)（清潔），根據(jù)權(quán)重大小確定首要污染物為PM10。

以上分析可以看出，由于兩種方法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法不一樣，導(dǎo)致結(jié)果存在差異。AQI 評(píng)價(jià)法分為六個(gè)等級(jí)，而模糊綜合評(píng)價(jià)法分為三個(gè)等級(jí)；AQI評(píng)價(jià)法是平等地對(duì)待各污染物，而模糊綜合評(píng)價(jià)法賦予了各污染物不同的權(quán)重值；AQI 評(píng)價(jià)法選取污染指數(shù)最大的污染物的AQI為當(dāng)日或年度的污染指數(shù)，突出了主要污染物的作用，而模糊綜合法通過賦予權(quán)重綜合考慮了各污染物的貢獻(xiàn)和相互作用。

5 結(jié)論

運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)巴彥浩特大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：巴彥浩特鎮(zhèn)大氣環(huán)境質(zhì)量整體較好，同時(shí)由于國(guó)家和政府對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量越來越重視，并且采取了許多有效的污染治理措施，比如：關(guān)停10蒸噸以下燃煤分散小鍋爐，按年度目標(biāo)任務(wù)淘汰黃標(biāo)車，增加主干道的道路清掃面積，加大揚(yáng)塵污染治理等，使我盟大氣環(huán)境質(zhì)量向越來越好的方向發(fā)展。但不容忽視的是PM10仍然是巴彥浩特鎮(zhèn)主要大氣污染物，有時(shí)甚至達(dá)到重度污染的級(jí)別，下一步，仍需對(duì)揚(yáng)塵污染加大治理力度，同時(shí)呼吁公眾開展全民植樹造林，從源頭上減少沙塵和揚(yáng)塵污染。

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收稿日期：2018-05-09

作者簡(jiǎn)介：沈夢(mèng)蘭（1984-），女，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)。