基于灰色预测法节能减排对大气环境的改善

刘雅倩，朱家明，曾淑娴，王昌海

(1.安徽财经大学 金融学院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽财经大学 统计与应用数学学院，安徽 蚌埠 233030)

工业革命以来，世界各国尤其是西方国家经济的飞速发展是以大量消耗能源资源为代价的，造成了生态环境的日益恶化。节约能源资源，保护生态环境，已成为世界人民的广泛共识。我国从2007年8月起，中央财政开始实施节能减排工作，《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出了“十一五"期间(2006～2010)单位国内生产总值能耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%的约束性指标[1]。分析节能减排对大气环境的影响成为当今环境保护的重要课题，本文试图从定量的角度来研究节能减排对大气环境的改善。

1　“十一五"期间我国节能减排所取得成绩的定量分析

1.1　研究思路

评价“十一五”期间我国节能减排所取得的成绩，不仅要对“十一五”期间指标的变化进行分析，还要与2000-2005年的数据进行比较分析。现将对“十一五”期间我国节能减排所取得的成绩的评价分为减排与节能两个方面。其中减排的评价是分别对二氧化硫排放量、烟尘排放量、工业粉尘建立成本型的指标[1]，并考虑国家指定的“十一五”计划期间的指标要求完成度，比较2000-2005年与2006-2010年各指标的数据，指标值越高，说明我国在“十一五”期间的减排效果就越好。节能评价是研究国家指定的“十一五”计划期间的指标要求完成度，完成度越高，节能效果越好。

1.2.1减排效果分析

1)数据处理

对二氧化硫排放量a1、烟尘排放量b1、工业粉尘排放量c1作如下处理，得到成本型指标[2]Q1i,Q2i,Q3i。当ai,bi,ci越小，则Q1i,Q2i,Q3i越大，减排的效果就越好。

运用模型，对从网上获取三种物质排放量的时间序列数据进行处理，可得到无量纲化的2000-2010年度我国二氧化硫、烟尘、工业粉尘等排放量归一化处理后的成本型指标值(见表1)。

表1　2000-2010年度二氧化硫、烟尘、工业粉尘等排放量归一化处理后的成本型指标值

2)对比分析

分别将2000-2005年与2006-2010年二氧化硫、烟尘、工业粉尘的数据分开，并作图比较，得图1、图2和图3。

图1 2000-2005年与2006-2010年Q1i值对比图图2 2000-2005年与2006-2010年Q2i值对比图图3 2000-2005年与2006-2010年Q3i值对比

由图可知：从2000年到2005年，即实行“十一五”计划前，我国减排的效率普遍较低，甚至出现下降趋势，说明减排势在必行。从2006年到2010年，即实行“十一五”计划期间，减排效率不断上升，相较于“十一五”计划前有明显的好转。“十一五”计划前期减排效率上升较快，后期减排效率的上升速度有所减缓。并且经计算可知“十一五”计划期间主要污染物排放总量降低了25%，达到了国家指定的“十一五”计划期间的指标要求。因此说明：“十一五”期间我国减排颇有成效，并且前期效果较好，后期效果有所下降。

1.2.2节能效果分析

从国家统计年鉴中得到我国2000-2010年的GDP数值，以2000年GDP为基期(即将2000年GDP定为100)，对2000-2010年的数据进行处理，将数据转化为实际GDP，进行分析。

由计算可知：2000-2005年单位GDP能耗降低13%,2006-2010年单位GDP能耗降低32%，达到了国家指定的“十一五”计划期间的指标要求，说明我国“十一五”计划期间节能效果较好。虽然节能效果增强，但是能源消费总量仍呈上升趋势，节能减排刻不容缓。

表2　2000-2010年节能评价表(单位：万吨标准煤)

经过上述分析，我国“十一五”计划期间节能减排所取得的成绩较好，但能源消耗量仍不断增加，应继续坚持节能减排这一举措，开发新能源。

2　未来十年能源消费量和环境空气质量的预测

2.1　研究思路

根据所得数据，采用灰色预测法建立模型，得到2000-2009年指标的预测值，通过预测值与真实值的对比，检验模型的拟合程度，经实际计算可知模型拟合较好。再分别将2000-2009年能源消费总量、二氧化硫排放量、烟尘排放量、工业粉尘排放量的数据代入模型，得到未来十年(即2010-2019年)能源消费量和环境空气质量的预测值。

2.2　数据处理

基于2000-2009年能源消费总量、二氧化硫排放量、烟尘排放量、工业粉尘数据，建立灰色模型[3](P3)，首先定义原始数列为：x(0)=(x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(8))。

级比数如果不满足上述要求，需要对其做适当处理，即取适当的常数c,做平移变换，y(0)(i)=x(0)(i)+c，使数列的级比数满足要求。

记x(1)=(x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(8))；取x(1)的加权均值，则z(1)(i)=ax(1)(i)+(1-a)x(1)(i-1)(i=2,3,…，8)，α=0.5为确定参数，z(1)=(z(1)(2),z(1)(3),…,z(1)(8))。

③建立灰微分方程

由于x(1)(i)-x(1)(i-1)=x(0)(i)，取x(0)(i)为灰导数，z(1)(i)为背景值，则建立灰微分方程为

x(0)(i)+az(1)(i)=b(i=2,3,…，8)，其中待定参数a为发展灰度，b为内生控制变量，其矩阵形式为y(0)=B(a,b)T。

2.3　研究方法

为了保证研究的延续性，根据研究一所获取的2000-2009年能源消费总量、二氧化硫排放量、烟尘排放量、工业粉尘数据代入模型，对比分析预测值与实际值以检验模型的准确性。

根据以上模型，代入2000-2009年能源消费总量的数据，得到结果见表3。

表3　2000-2009年能源消费总量预测表单位：万吨标准煤

根据表3中的数据做出实际值与预测值的对比图，见图4。

图4　2000-2009年能源消费总量预测表

由表3、图4可知该预测模型准确性较高，可以用来预测未来十年的能源消耗量及环境空气质量。接下来用该模型分别对未来十年(2010年-2019年)的能源消耗总量、二氧化硫排放总量、烟尘排放总量以及工业粉尘排放总量进行预测。预测结果如下见表4。

表4　未来十年各指标预测值单位：万吨标准煤

由表中预测结果可知，未来十年能源消耗总量持续上升，但上升速度变化不大。未来十年二氧化硫排放量明显下降，节能减排效果明显，应不断坚持。未来十年烟尘排放量明显下降，节能减排效果明显，应不断坚持。未来十年工业粉尘排放量明显下降，节能减排效果明显，应不断坚持。

3　全国各省会城市大气污染状况的分析比较

3.1　研究思路

首先以空气中的可吸入颗粒、二氧化硫、二氧化氮三种主要污染物为评价指标，根据所有省会城市以及直辖市的统计数据构造观测矩阵，并使用变异系数法计算三项指标的权重，最终得到每个城市的权数，通过权数大小对各个城市的空气质量进行综合评价；接着通过研究二的灰色预测模型由从中国统计年鉴上中国主要城市的空气污染情况的统计数据，预测出2012年各个城市空气中三种污染物的浓度，再由前面建立的综合评价模型[4]分析比较各个城市的空气状况。

3.2　数据处理

(1)建立观测矩阵

设U={u1,u2,u3,…,un}是n种方案集合，V={v1,v2,v3,…，vm}是评价因素集合，将U中的每个方案用V中的每个因素进行衡量，得到一个观测矩阵，其中aij表示第j种方案关于第i项评价因素的指标值：

(2)建立理想方案

(3)建立相对偏差模糊矩阵

(4)采用变异系数法求出各项指标权数

并得到n个状态向量即为x(i)=(xi1,xi2,…,xim)T(i=1,2,…,n)，建立综合评价模型：

3.3　研究方法

运用matlab7进行求解，得到如下结果，表5中排名越高代表该省会的空气质量越好,显然,海口的空气质量情况最好,重庆最差。

表5　各省会2012大气的污染状况排序表

4　节能减排对大气环境质量改善程度的分析

4.1　研究思路

将空气质量指数AQI[5]作为指标来衡量大气环境质量，建立模型，分别计算二氧化硫、烟尘、工业粉尘所对应的AQI值，对比分析节能减排对大气环境质量改善所起的作用。

4.2　数据处理

首先，由空气质量指数AQI的定义可知，空气质量指数是根据各种污染物的浓度值换算出来的。要计算AQI，就需事先确定各污染物在不同空气质量水平下的浓度限值。现选取美国环保局针对PM2.5的限值定义如表6。

表6　PM2.5时的限值定义表(单位：ug/m3)

查阅资料可知AQI的计算公式如下：

其中V为空气的体积，这里取V=60万吨。

4.3　研究方法

由模型能够分别得到二氧化硫、烟尘、工业粉尘所对应的AQI值，取其平均值作为最终空气质量指数，通过计算，得到结果见表7、图5。

表7　2000-2010年AQI计算结果表(单位：ug/m3)

图5　2000-2010年AQI计算结果图

图中红线为AQIa，绿线为AQI，蓝线为AQIb，黑线为AQIc。由表7、图5可知，AQI值呈下降趋势，说明通过节能减排能使大气环境质量得到改善。2000-2002年AQI值大体上比2003-2010年AQI值低，且主要是由二氧化硫排放量增加导致的，结合能源分析可知，总体上一线发达城市空气环境有的空气环境改善很明显，例如上海和北京空气几乎改善，实际值往往稍大于预测值。

5　总结

本文首先将数据处理为成本型的指标值，量化分析出“十一五"期间我国节能减排所取得的成绩。运用灰色预测法得到未来十年(即2010-2019年)能源消费量和环境空气质量的预测值。构造观测矩阵，并使用变异系数法计算各项指标的权重，从而对各个城市的空气质量进行综合评价。将空气质量指数AQI作为指标来衡量大气环境质量，分别计算二氧化硫、烟尘、工业粉尘所对应的AQI值，对比分析节能减排对大气环境质量改善所起的作用。本文所采用的研究方法通用性强且具有现实意义，对我国进一步实施节能减排有一定的参考价值。

参考文献：

[1] 节能减排措施[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/4471051.htm?fr=Aladdin.2014.08.02.

[2] 郭亚军，易平涛.线性无量纲化方法的性质分析[J].统计研究，2008,25(2):2-3.

[3] 李燕.灰色预测模型的研究及其应用[D].浙江理工大学硕士学位论文，2012.

[4] 杨桂元,黄己立．数学建模[M]．合肥:中国科技大学出版社,2008.

[5] 陈文花.城市尺度环境空气质量评价中AQI指数的确定[J].海峡科学,2013,(12)：20-21.