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1、西安市环境空气质量问题摘 要随着我国经济社会的发展，空气质量评价及污染治理等问题愈发突出，本文以西安空气质量为例，分别就空气质量的分析、影响因素、短期预测和监控等方面进行探讨。首先，分别使用空气污染指数（API）和环境空气质量指数(AQI)对西安市的空气状况进行整体评价。将新旧两种标准的评价结果进行对比可以看出新标准更科学。建立模糊综合分析模型，根据最大隶属度原则，分析新旧标准下西安市空气污染状况，发现污染状况挺严重，但有改善趋势，具体数据见附录表一。其次，分析影响西安市空气质量的原因，建立以西安市空气质量为目标层、以PM2.5、PM10、S02、NO2为准则层、以机动车数量、城市绿化率、工业
2、产值、煤耗量占总能耗比重为方案层的层次分析模型，并用灰色关联分析法确定方案层各因素与准则层各因素的灰色关联度，由此根据1-9比较尺度构造出判断矩阵。经过分析得出，影响西安市空气质量能力由大到小的因素分别为机动车数量、工业产值、煤耗量占总能耗比例、天气、绿化覆盖率。接着，对西安市未来一周空气质量进行预测，考虑到天气因素近期可能出现的大的变化，从而对空气质量产生影响，故本文建立时间序列模型，在SPSS中运用指数平滑法进行预测，得出未来一周均为轻度污染。此外，本文简单建立BP神经网络模型进行预测，与时间序列模型的预测效果进行对比，以说明在此预测问题上所建立的时间序列模型的优越性。最后，根据前几问的分
3、析，本文就合理布置监测点、改善能源结构、控制机动车数量、改善工业经济结构、增加绿化覆盖率几个方面给环保部门提出建议。关键词：空气质量 模糊综合分析 层次分析 时间序列 一、问题的重述1.1空气环境问题的背景空气质量问题越来越受到人们的广泛关注。大气环境是指包围在地球外围的空气层，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，以煤炭为主的能源消耗大幅攀升，机动车保有量急剧增加，经济发达地区氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOCs）排放量显著增长，臭氧（O3）和细颗粒物（PM2.5）污染加剧，在可吸入颗粒物（PM10）和总悬浮颗粒物（TSP）污染还未全面解决的情况下，京津
4、冀、长江三角洲、珠江三角洲等区域PM2.5和O3污染加重，灰霾现象频繁发生，能见度降低，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见附件2，其中增加污染物监测项目，加严部分污染物限值，以客观反映我国环境空气质量状况，推动大气污染防治；而之前的评判则以附件1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）、可吸入颗粒物（PM10，粒子直径小于等于10m）以及细颗粒物（PM2.5，粒子直径小于等于2.5m）等六
5、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。1.2 问题的提出附件中给出了西安市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，请利用附件数据，回答以下问题：问题一 请分别使用使用空气污染指数（API）（旧标准）和环境空气质量数（AQI）（新标准）对西安市的空气质量进行评价，并对评价结果进行对比、分析；问题二 分析影响西安市空气质量的原因；问题三 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； 问题四 试
6、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。二、 问题的分析在问题重述的基础上，本文在这一部分尝试分析各个问题的具体要求、求解的难点和解决问题的可能入手点。2.1 问题一的分析空气污染指数（API）是将常规监测的几种空气污染物浓度简化成为单一的概念性指数值形式，并分级表征空气污染程度和空气质量状况。颁布的新标准中增加污染物监测项目，加严部分污染物限值，提出环境空气质量指数(AQI)的概念。本题就是要求利用西安市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，分别利用两种标准，对西安市空气质量进行评价，并对评价结果进行对比、分析。首先，我们可以根据附录提供的全市
7、平均以及各区各污染物的数据，求出全市和各地区的空气污染指数和空气质量指数，进而得到相应的指数级别，从而报告空气质量，并对市民的日常生活提供可行性建议。其次，通过分析全市各地区的的AQI和API随时间的变化趋势，不同地区同一种污染物的污染指数变化趋势，以及各区同种污染物的比较等，经过纵向和横向的比较，可以对城市及地区的空气质量有较为全面的掌握。另外，我们也要考虑到，不同类别的地区有自己固有的情况，工业区和园林景点区的情况显然不同，因此地区的分类比较也是分析时需要考虑的因素。2.2问题二的分析空气质量影响着人口健康和城市发展，分析其影响因素有利于明确城市未来努力的方向。首先，通过AQI的计算可以发
8、现，直接影响空气质量的污染气体主要有PM2.5、PM10、SO2、NO2等。而污染气体的浓度又受很多间接因素的影响，主要包括社会、经济、生态等方面。我们既需要知道不同因素对空气质量影响的程度比较，也想得到不同因素对空气质量影响的具体权重值。因为要综合运用定性和定量分析，我们考虑采用层次分析法（Analytic Hierarcy Process，简称AHP）。把空气质量作为目标层，几种污染物作为准则层，考虑的一些社会、经济、生态等因素作为决策层，这就初步建立了一个比较清晰的层次分析的结构模型。其次，由问题一我们可以得到几个污染物对于空气质量影响强度的相互比较关系。根据层次分析法原理，我们还需要得
9、到决策层对方案层影响强度的相互比较。灰色系统理论中的关联分析法是一种因素比较分析法，是以数据间差值大小作为关联程度的衡量尺度，通过求解关联度来确定各指标对目标值的影响度。所以，可以采用灰色关联法求出决策层对准则层的相关度。这里我们需要解决的问题是确定决策层的具体内容，同时还需要查找相关数据进行处理。接下来就可以利用判断矩阵计算各因素对AQI的权重。经过一系列求解和一致性检验之后就可以得出决策层各因素对目标层AQI的影响能力的排序并作简要分析。2.3 问题三的分析对未来一周西安市空气质量状况进行预测，这是一个短期预测问题。一方面，根据对问题二的求解分析知，机动车数量、工业产值、天气、煤耗量占总能
10、耗比例、绿化覆盖率等是影响空气质量的主要原因。在这些因素中，机动车数量、工业产值、煤耗量占总能耗比例、绿化覆盖率在短期内不会发生大的改变，但天气因素在短期内会发生较大的改变，考虑到天气作为一个偶然因素所产生的随机性，为了消除随机波动的影响，我们建立时间序列模型，考虑到在数据统计分析中SPSS中的优势，我们在SPSS中运用指数平滑法进行求解预测。另一方面，为了突出在此预测问题中所建立的时间序列模型的优越性，我们还简单地建立BP网络模型，选取一定已知数据进行检验，明显可以看出时间序列预测误差小很多。三、 模型的假设1）根据西安市环境监测站官网数据，附录五所给数据为IAQI值；2）微风或无持续风向3
11、级时对空气质量影响可忽略；3）温度变化不会引起逆温差，从而不会对空气质量产生影响；4）西安市未来一周内无极端天气出现；5） 除附录五外，附录所给数据真实可靠。四、符号说明符号说 明空气质量指数空气污染指数空气质量分指数空气污染分指数 注：其它符号将在下文中给出具体说明五、模型的建立及求解5.1 问题一 5.1.1 根据API和AQI评判空气质量1）计算API和AQI根据所给附件可知西安市各污染物每天的污染指数分指数和空气质量分指数（以下分别用IAPI和IAQI表示），利用公式（1）（2） （1） （2）易得西安市每天的API和AQI。因为2013年的数据记录比较完整，所以采用的数据属于2013
12、-1-1至2013-4-28这个时间段,数据见表一：表一 西安市API AQI比较时间首要污染物AQI值空气质量指数级别空气污染程度首要污染物API值空气污染指数级别空气污染程度4月28日 PM2.5162 4中度污染PM10 1554轻度污染4月27日 O3(8h)139 3轻度污染PM10 1203轻微污染4月26日PM10132 3轻度污染PM10 1323轻微污染4月25日PM10141 3轻度污染PM10 1413轻微污染4月24日PM2.5145 3轻度污染PM10 1413轻微污染4月23日PM2.5145 3轻度污染PM10 1203轻微污染4月22日PM2.5182 4中度污
13、染PM10 1283轻微污染4月21日PM2.5148 3轻度污染PM10 1013轻微污染4月20日PM2.592 2良PM10 722良表一中给出了根据API和AQI公式计算出的西安市每日的首要污染物、指数值、指数级别以及空气状况，2013年的详细数据见附录表一。2) 根据API和AQI对空气质量进行评判根据4月份的API数值可以做出API的变化趋势：图 一 图二从图一可以看出API的变化没有明显的规律性，但是整体的空气污染指数值较大。从图二中可以看到，西安市2013年第一季度空气质量不容乐观。空气质量最好的情况是良，且一个季度只有20天，说明空气很好的时候很少。空气情况主要是轻度污染和轻
14、微污染，但是污染很严重的情况有26天。4月AQI的变化趋势与API的接近，如下图三： 图 二另外，根据题目所给数据可以求得西安市13个观测点所在区每天的AQI和环境空气质量等级，取2013年中第一、二等级的天数所占总天数的比例作为比较的参考量，可以大致得到13个区2013年的空气质量状况。 图 三从图中可以看出，曲江文化集团的二级及以上的天数占总天数的比例最大，说明该区的空气质量相对较好。其次是纺织城和临潼区。空气状况不佳的是高新西区和高压开关厂。这里需要指出的是，环境空气质量功能区在旧标准中分为三类，在新标准中分为两类，但总得来说，分析一个地区的空气质量，必须考虑该区的特点。比如，曲江文化集团位处风景区，临潼区主要是住宅区和旅游区，属于一类区；而高新西区有工厂等，高压开关厂会排放污染气体，属于三类区。5.1.2评价结果和两种标准的比较新标准修订的主要内容是：A. 调整了环境空气功能区分类，将三类区并入二类区B. 增设PM2.5和臭氧8小时的浓度限值C. 增设了PM10、二氧化氮、铅等的浓度限值D. 调整了数据统计的有效性规
