基于模糊綜合評判的廣州市空氣質(zhì)量評價(jià)

崔慶岳 趙彩月

（廣州城建職業(yè)學(xué)院人文學(xué)院，廣東廣州 510925）

1 引言

近年來，我國工業(yè)化、城市化進(jìn)程不斷加快，隨之而來的空氣污染問題也變得日益嚴(yán)峻，給人們的生產(chǎn)生活和身心健康帶來了嚴(yán)重影響。廣州市作為廣東省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，其經(jīng)濟(jì)圈不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致污染區(qū)域也在加大，一定程度上產(chǎn)生了區(qū)域性空氣污染問題，而且廣州市地形多樣，不利于空氣污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致空氣污染物的濃度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征，空氣質(zhì)量不僅受污染物排放量的控制，還受多種氣象因素的綜合影響［1-2］。

為有效控制空氣質(zhì)量的不斷惡化，需要對空氣質(zhì)量做出科學(xué)客觀的評價(jià)，從而給相關(guān)部門提供科學(xué)管理與污染防治的理論依據(jù)。大氣環(huán)境是一個(gè)多因素相互影響的動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)，在這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中，影響空氣質(zhì)量的污染因子眾多，存在著諸多不確定性因素［3］，因此評價(jià)空氣質(zhì)量時(shí)需要綜合考慮各種污染物指標(biāo)。

環(huán)境空氣質(zhì)量的評價(jià)方法很多，主要包括灰色聚類分析法、模糊數(shù)學(xué)法、因子分析法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法、典型相關(guān)分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。基于模糊數(shù)學(xué)理論的模糊綜合評判法，是一種解決多因素影響問題的定性、定量相結(jié)合的方法，充分考慮各影響因子的相互關(guān)聯(lián)和相關(guān)影響，能夠全面準(zhǔn)確地評價(jià)空氣質(zhì)量狀況［4-6］。因此本文運(yùn)用模糊綜合評判法對廣州市的環(huán)境空氣質(zhì)量做出評價(jià)，從而為相關(guān)部門制定污染防控措施提供理論依據(jù)。

2 模糊綜合評判法

2.1 建立評判因子集

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）［7］，主要空氣污染物包括以下6 項(xiàng)：二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、臭氧（O3）、粒徑小于或等于10 μm 的顆粒物（PM10）、粒徑小于或等于2.5 μm的顆粒物（PM2.5）。因此，建立影響空氣質(zhì)量污染物所對 應(yīng) 的 因 子 集：U ＝｛u1，u2，u3，u4，u5，u6｝＝｛SO2，NO2，CO，O3，PM10，PM2.5｝。

2.2 建立評價(jià)集

結(jié)合《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）和廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站檢測污染物濃度的實(shí)際情況，建立四級評價(jià)集：

V＝｛vij｝6×4

式中，i 表示空氣質(zhì)量評價(jià)因子，i＝1，2，...，6；j 表示空氣質(zhì)量評價(jià)等級，j＝1，2，...，4。

2.3 建立隸屬度函數(shù)

采用降半階梯形隸屬度函數(shù)，建立評價(jià)因子對空氣質(zhì)量評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬函數(shù)rij，從而建立模糊關(guān)系矩陣R＝［rij］，隸屬度的計(jì)算公式如下：

當(dāng)j＝1 時(shí)，

當(dāng)j＝2，3 時(shí)，

當(dāng)j＝4 時(shí)，

式（1）～（3）中，xi為第i 個(gè)評價(jià)因子的實(shí)測值；Sij為第i 個(gè)評價(jià)因子的第j 污染等級的濃度限值；rij為第i 個(gè)評價(jià)因子對第j 污染等級的隸屬度。將廣州市2019 年的月度數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化后代入到對應(yīng)的隸屬函數(shù)，通過計(jì)算可得模糊關(guān)系矩陣R＝［rij］。

2.4 確定權(quán)重因子集

空氣質(zhì)量評價(jià)中污染因子的權(quán)重是衡量各污染物對空氣質(zhì)量影響的重要程度，權(quán)重值越大，對空氣質(zhì)量影響越大，否則就越小。

模糊綜合評判的賦權(quán)方法包括標(biāo)準(zhǔn)賦權(quán)法和主因素突出賦權(quán)法。本文采用主因素突出賦權(quán)法中的超標(biāo)倍數(shù)法計(jì)算權(quán)重，并將權(quán)重做歸一化處理，權(quán)重系數(shù)的計(jì)算公式［8］為：

2.5 模糊綜合評判

根據(jù)模糊矩陣和權(quán)重集的計(jì)算結(jié)果，可將A 和R 進(jìn)行模糊矩陣的復(fù)合運(yùn)算，可得：

（b1，b2，...，b4）

根據(jù)最大隸屬度原則，取C＝max（b1，b2，...，b4）作為空氣質(zhì)量模糊綜合評判的結(jié)果。

3 廣州市空氣質(zhì)量評判

3.1 數(shù)據(jù)來源

本文以廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站公布的2019 年月度空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)作為綜合評價(jià)的基礎(chǔ)資料，通過對數(shù)據(jù)做均值化處理，可得各個(gè)評價(jià)因子的季度數(shù)據(jù)，見表1。

表1 2019 年廣州市主要空氣污染物濃度值 μg/m3

3.2 構(gòu)建評價(jià)因素集合

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ 663—2013）的規(guī)定，主要的空氣污染物包括PM10，PM2.5，CO，NO2，O3，SO2，在對空氣質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)時(shí)，針對沒有季度均濃度限值標(biāo)準(zhǔn)的CO 和O3，以日均值百分位數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)，其中，CO 采用日均值第95 百分位數(shù)，O3采用日最大8 h 滑動(dòng)平均值的第90 百分位數(shù)，其他評價(jià)指標(biāo)采用季度均值構(gòu)建評價(jià)因素集合［3］。因此，構(gòu)建評價(jià)因子集合U＝｛SO2季度均值，NO2季度均值，PM10季度均值，PM2.5季度均值，CO 日均值第95 百分位數(shù)，O3日最大8 h 滑動(dòng)平均值的第90 百分位數(shù)｝。

3.3 評價(jià)等級

結(jié)合《環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ 663—2013）和廣州市實(shí)際大氣污染狀況，將評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為優(yōu)、良、輕度污染和中度污染4 個(gè)等級，見表2。

表2 環(huán)境空氣質(zhì)量等級及對應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度限值 μg/m3

3.4 建立模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)隸屬度計(jì)算公式（1）～（3），可算得各評價(jià)因子對空氣質(zhì)量評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，從而建立廣州市2019 年各季度的模糊關(guān)系矩陣，如下所示：

3.5 建立權(quán)重集

利用主因素突出賦權(quán)法中的超標(biāo)倍數(shù)法計(jì)算權(quán)重，并將權(quán)重歸一化處理，根據(jù)公式（4）計(jì)算可得各污染因子在不同季節(jié)的權(quán)重值，見表3。

表3 廣州市2019 年4 個(gè)季度污染因子的權(quán)重

由權(quán)重集可知，2019 年廣州市第1 季度空氣中的主要污染物是NO2，其他依次是PM2.5，PM10，O3，CO，最后是SO2；第2 季度空氣中主要污染物依次為NO2，O3，PM2.5，PM10，CO，SO2；第3 季度空氣中主要污染物依次為O3，NO2，PM2.5，PM10，CO，SO2；第4 季度空氣中主要污染物依次為NO2，PM10，O3，PM2.5，CO，SO2。

將所得的廣州市2019 年4 個(gè)季度空氣污染物對應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣R 和污染因子權(quán)重集A 進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，可得到矩陣B＝｛b1，b2，b3，b4｝，再根據(jù)最大隸屬度原則，可得廣州市4 個(gè)季度空氣質(zhì)量的綜合評判結(jié)果，并對2019 年4 個(gè)季度空氣質(zhì)量進(jìn)行排序，見表4。

表4 廣州市2019 年各季度空氣污染物評價(jià)結(jié)果

根據(jù)表4 中的廣州市空氣質(zhì)量評價(jià)結(jié)果及其排序可知，4 個(gè)季度空氣質(zhì)量從好到差的排序?yàn)榈?，3，4，1 季度。按照質(zhì)量等級可分為2 類，第2 和第3 季度屬于第1 類，空氣質(zhì)量等級為I，即空氣質(zhì)量為優(yōu)；第4 和第1 季度屬于第2 類，空氣質(zhì)量等級為II，即空氣質(zhì)量為良。

4 結(jié)論

本文基于空氣質(zhì)量評價(jià)中各污染物分級標(biāo)準(zhǔn)模糊性的考慮，以PM10，PM2.5，CO，NO2，O3，SO2為評價(jià)因子，建立各污染因子的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集和權(quán)重集，再運(yùn)用模糊綜合評判法對廣州市2019 年4 個(gè)季度的大氣質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)的客觀評價(jià)，可得各個(gè)季度空氣中的主要污染物和空氣質(zhì)量的優(yōu)劣情況。整體而言，廣州市在夏、秋2 季空氣質(zhì)量為優(yōu)，春、冬2 季空氣質(zhì)量為良，體現(xiàn)了明顯的季節(jié)特征；同時(shí)，在春、冬2 季空氣質(zhì)量主要受冷空氣及回暖過程交替出現(xiàn)的影響較大，空氣中污染物濃度積累和擴(kuò)散周期的變化比較明顯，使得空氣質(zhì)量變差［9］。

利用該評判模型對廣州市全年的空氣質(zhì)量進(jìn)行評判，根據(jù)污染物的權(quán)重集可知，對空氣質(zhì)量影響較大的污染物主要是NO2，PM2.5和O3，因此如何控制這3 種污染物的排放是改善空氣質(zhì)量的關(guān)鍵所在，需要相關(guān)部門制定積極有效的防治措施來改善空氣質(zhì)量。