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1、西安市环境空气质量问题一、 问题重述大气环境是地球自然环境的重要组成部分之一。近年来，随着我国经济社会的快速发展，大气中各污染物浓度显著增长，尤其是臭氧（）和细颗粒物（）污染加剧，环境空气质量评价以及污染治理等问题再一次引起大众的关注。2012年2月29日，国家环保部发布了新修订的环境空气质量标准，其中增加污染物监测项目，加严了部分污染物限值，以客观反映我国环境空气质量状况，推动大气污染防治工作；而之前的评判则以GB3095-1996为依据，通过空气污染指数（API）判断空气质量。目前新标准中对大气质量的监测主要是监测大气中二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）
2、、可吸入颗粒物以及细颗粒物等六类基本项目和总悬浮颗粒物（TSP）、氮氧化物（NOx）、铅（Pb）、苯并a芘（BaP）四类其他项目的浓度。研究表明，城市环境空气质量好坏与季节、城市能源消费结构等因素的关系十分密切。通过附件中给出的西安市13个监测点从2010年1月1日至2013年4月28日污染物浓度监测数据，回答以下问题：1) 分别使用空气污染指数（API）（旧标准）和环境空气质量指数（AQI）对西安市的空气质量进行评价（新标准），并对评价结果进行对比、分析；2) 分析影响西安市空气质量的原因；3) 对未来一周（取2013年4月30日至5月6日）西安市空气质量状况进行预测；4) 试就环境空气质量
3、的监测与控制对西安市环保部门提出建议。二、 问题分析2.1 对空气质量的评价以及对新旧两种标准的对比分析1） 对空气质量进行评价时，应首先确定城市的总体污染程度，即该城市各阶段的空气质量级别和各级别之间的比例关系，据此通过数据的统计分析并利用Excel做出相应图表；同时，选取的样本应足够大，应对近几年的数据进行处理，可以描绘API随时间变化的折线图来说明西安市空气质量的变化特点。 2） 对上面的评价结果对比分析，由于环境质量指数（AQI）从2013年1月1日开始执行，而之前都采用旧标准（API），为便于分析比较，我们根据2013年1月4月的各项空气污染分指数计算出采用旧标准得出的API值。而2
4、013年之前由于数据不足无法计算AQI值。因此，在对比分析时，本文只选取了2013年的4个月份作为比较样本。2.2 对影响西安市空气质量各个因素的分析研究表明，城市环境空气质量与季节、城市能源消费结构等因素十分密切，一方面是自然环境对空气质量的影响，另一方面主要是工业生产、尾气排放等人为因素的作用。由于两者之间不存在严格的对应关系，本文对两个因素分别采用了不同的方法和模型进行讨论。分析季节等诸多自然因素时，可以通过API随时间变化的折线图并对曲线的趋势和走向分析说明。分析城市能源消费结构等人为因素时，我们首先对监测的各项污染物进行了关联性分析，从而确定出影响空气质量的主要污染物。然后，再对具体
5、因素分析，我们发现原因有很多，对这些因素分类汇总，可大致分为工业生产、尾气排放、生活污染以及地域条件四种。这些因素涉及到经济、社会、人文等各个方面，这些因素的重要性或者优先程度难以量化，人的主观选择会起着相当重要的作用，在此，我们采用了定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法，即层次分析法。2.3 对未来一周西安市空气质量状况进行预测对西安市空气质量状况的预测应包含环境空气质量指数（AQI）和首要污染物两个方面：由于影响城市空气质量的因素较多，并且存在很多不确定性因素，如：季节等自然因素的变化会影响空气质量但不具有一般规律，这对未来空气质量的预测十分不利，基于以上考虑，我们拟采用灰色预测的
6、方法，从而对未来一周的空气质量进行大体的分析预测。为保证结果的准确性，我们又建立了神经网络模型，对数据再次预测，并将这两种结果进行对比分析。2.4 就环境空气质量的监测与控制对西安市环保部门提出建议主要根据本文之前对空气质量的评价，并结合影响西安市环境质量的主要因素，从各方面对西安市环保部门提出切实可行的建议。三、 问题假设1. 表格所给的数据真实可靠，可信度较高，具有一定的使用价值。2. 该市影响空气质量的季节等自然因素和城市能源消费等人为因素在一段时间内保持平稳变化。3. 该市一段时间内不会发生火灾、海啸等重大自然灾害。4. 城市能源消费结构等人为因素对自然环境无显著影响。5. 未进行浓度
7、监测的大气污染物对环境空气质量的影响非常小。6. 西安未来一段时间内，没有大规模工业的迁入迁出。四、 名词解释与符号说明符号说明空气污染指数（旧标准）空气质量分指数环境空气质量指数（新标准）随机一致性指标一致性比率最大特征根与特征根对应的特征向量 权向量比较因素和参考因素的关联度关联分析中的比较因素初值化处理后的标准化序列五、 模型建立与求解5.1 空气质量评价和新旧标准的对比分析：5.1.1 使用旧标准（API）对西安市空气质量进行评价：1） 为了对空气质量的评价更加客观准确，我们用API的标准对2010年1月到2013年4月的数据进行统计分析，分别计算出各月的平均值。表1.：2010年1月
8、到2013年4月的各月平均API值：时间2010年1月2010年2月2010年3月2010年4月2010年5月2010年6月2010年7月API值122.07202.35175.78199.38144.7993.4096.87时间2010年8月2010年9月2010年10月2010年11月2010年12月2011年1月2011年2月API值69.9366.0361.0064.6074.9377.5183.38时间2011年3月2011年4月2011年5月2011年6月2011年7月2011年8月2011年9月API值84.75105.5498.2276.4073.4058.3072.58时间2
9、011年10月2011年11月2011年12月2012年1月2012年2月2012年3月2012年4月API值69.8368.0968.9097.3095.61122.89104.96时间2012年5月2012年6月2012年7月2012年8月2012年9月2012年10月2012年11月API值101.90102.3390.6177.6674.2973.7477.13时间2012年12月2013年1月2013年2月2013年3月2013年4月API值85.60101.1396.2585.9294.86依据表1中的分析数据，通过Excel软件绘出API变化的折线图，如图1：图1: API变化的
10、折线图对图表数据和折线图的走向分析可从以下几方面对空气质量进行评价：西安市环境空气质量与季节变化有一定关系，每年的7月份左右API值相对于全年都比较低，即每年夏季西安市环境空气质量较好，而每年冬季空气质量较差。此外，API的稳定变化表明西安市大气自净能力令人满意。2010年1月至2012年12月，API的变化基本处于稳定状态，没有较大的升降，这表明西安市的空气质量总体变化不大，空气等级为良。空气质量可以接受，但某些污染物可能对极少数异常敏感人群的健康造成较弱影响。由折线图我们不难发现，在进入2013年之后，API有较大的增幅，在长时间内都属于中度污染，空气质量状况有明显下降，可能对健康人群心脏
11、、呼吸系统有影响。5.1.2 两种标准下对2013年1月至4月的监测数据按照污染程度进行汇总：表2：不同标准下对各阶段环境质量的汇总和对比： 空气质量指数标 样本数准0-50优51-100良101-150轻度污染151-200中度污染201-300重度污染300严重污染AQI01427272226API02135341412按照上面的表格可绘出污染程度的柱形图，可以更加直观的显示出API和AQI的对比效果，柱形图如下：图2：API和AQI对于污染程度的对比也可通过下面的饼形图来说明：图3：API和AQI所监测的环境质量各污染程度的对比分析：对上面的柱形图和饼形图观察分析如下：无论使用哪种标准对
12、空气质量进行分析，空气质量为优的比例均为0%，这表明西安市空气质量总体上存在一定程度上的空气污染，并不令人满意。两种标准的饼形图中，污染程度都以轻度污染和中度污染为主，这表明西安市在2013年月至4月的空气环境质量并不乐观，可能会对健康人群产生一定影响，如果长期如此，必定对人们的生产生活造成不良影响。两种标准的对比：使用环境空气质量指数（AQI）进行监测时，严重污染和重度污染的比重明显增加，这表明新标准对城市空气质量提出了更加严格的要求。5.1.3 首要污染物的分析比较：根据空气质量指数的计算公式可知空气质量分指数最大的项对应的污染物项目即为首要污染物。若采用旧标准进行分析，不难发现首要污染物
13、始终为。若采用新标准进行分析，首要污染物以和为主。通过统计分析发现，对2013年1-4月（共116天）监测数据进行统计分析，其中有74天是首要污染物，占总天数的63.79%，而如果按照旧标准（API）监测，空气中的首要污染物一直都是。这表明影响西安市空气质量的主要污染物指标为和。两种标准的比较：新标准在旧标准的基础上增加了污染物检测项目，加严了等污染物的限值，对环境质量的评价更加严格，可以更客观地反映出城市环境质量状况，进而更有利于推动大气污染防治。5.2 影响西安市空气质量的原因分析：空气质量受多方面影响，研究表明，城市环境空气质量好坏与季节、城市能源消费结构等因素的关系十分密切，综合看来，
14、主要是人为因素和自然因素两个方面。由于季节因素和城市能源消费因素之间没有必然联系，对此，我们对这两个因素用不同的方法分别加以分析：5.2.1 季节（天气状况、气温、风力）等自然因素对空气质量的影响：我们在分析天气状况、气温、风力等自然因素对空气质量的影响时，我们应该主要分析空气环境质量随时间的变化关系，因此要取足够多的时间样本进行分析比较。由于2013年1月1日至今均采用的是AQI标准，数据较少，本文采用API的标准对环境质量进行了统计分析。本文主要依据API随时间变化的折线图（图4-1-2）进行分析比较，不难发现，在2010年至2012年API呈现出随时间变化的一定规律：每年夏季空气质量相对全年都比较好，而到了12月份左右空气质量一般为全年最差。这充分表明城市环境质量与季节等自然因素具有密切关系。5.2.2工业生产、尾气排放等人为因素对空气质量的影响：1）关联度分析关联分析法确定影响环境空气质量的主要污染物指标,为便于数据处理，我们选取近20天作为样本，数据记录如下表：表3：2013年4月6日至4月25日各污染物的浓度检测AQISO2NO2PM10COO31小时O38小时PM2.52013-4-252013-4-242013-4
