京津冀地区空气污染物分布演变规律的定量分析

贺小龙，孙慧宇

(1.安徽财经大学管理科学与工程学院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽财经大学金融学院，安徽 蚌埠 233030)



京津冀地区空气污染物分布演变规律的定量分析

贺小龙，孙慧宇

(1.安徽财经大学管理科学与工程学院，安徽 蚌埠 233030；2.安徽财经大学金融学院，安徽 蚌埠 233030)

目的 针对京津冀地区空气质量指数和污染源，建立新的空气质量标准来定义空气等级，建立模型对污染源扩散进行研究，并给出减少京津冀地区污染的建议。方法 以河北省为研究对象，通过互联网查找河北省的污染数据，分析国标和美标的区别，从而对国家空气质量标准(AQI)进行改进，运用半集均方差方法重新建立空气优劣程度模型，并在高斯定理的基础上建立多种研究污染物扩散的单污染源扩散、OSPM、CALINE-4、GM等模型，利用MATLAB、Excel等软件，给出不同时间段以及北京不同路段的污染浓度梯度和空气质量等级。结果 北京早上8时AQI为255.16，空气质量五级，重度污染；中午12时AQI为140.78，空气质量三级，轻度污染；晚上21时AQI为77.79，空气质量二级，良。相同时间段内二环CO浓度高于四环，四环高于六环，相同路段在不同时间段内CO浓度呈折线变化，其中在7∶00～9∶00和19∶00～21∶00这2个时间段内CO浓度最高，11∶00～13∶00相对较低。结论 京津冀地区工业生产和煤炭燃烧是空气污染的重要来源，其中PM2.5和PM10是主要成分，另外大量的汽车尾气也是空气污染的主要来源。因此，通过控制煤炭燃烧和机动车尾气的排放及开发清洁能源等措施可以有效地改善京津冀地区的空气质量。

绝对距离；欧式距离；高斯烟羽扩散；主要污染物

近十年来，中国GDP持续快速增长，但经济增长模式相对传统落后，对生态平衡和自然环境造成一定的破坏，空气污染的弊病日益突出，特别是日益加重的雾霾天气已经干扰到社会的出行秩序和生活质量。对人体有极大危害的频发雾霾已成为被政府部门、人民群众广泛关注的问题。据2013年发改委报告[1]显示，受雾霾天气影响面积约占国土面积的1/4，受影响人口约6亿人。一般认为影响空气质量的主要因素有PM2.5、PM10、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、硫化氢、碳氢化合物和烟尘等，新检测标准[2]的发布和实施，将会对空气质量的检测，改善生存环境起到重要的作用。因此，对空气污染物影响因素及分布演变规律问题的研究，对于分析如何减少城市污染问题和保护环境具有重要意义，同时，此研究也对其他类型污染物以及热源扩散、衰退的研究有一定指导意义。

1 数据来源与假设

通过查阅青悦空气质量数据库[3]、2008-2013年的《天津统计年鉴》、2002-2007年的《天津环境状况公报》和2002-2013年《北京环境状况公报》以及《河北省环境状况公报》得到京津冀近十年来的空气污染物的数据。为了方便解决问题，提出以下假设：(1)河北地区污染物浓度表中用石家庄市的数据代表河北省的数据；(2)不考虑突发事件造成的空气质量突变；(3)影响大气环境的各项因素不会出现非预期的异常变化；(4)单污染源排放物在y、z轴上的分布是正态分布的；(5)扩散过程中，假设风速恒定，即固定风对扩散过程的影响；(6)数据真实可靠，不考虑软件工具在数据处理及图形绘制中的误差；(7)主要污染物在扩散中质量守恒。

2 空气优劣程度的综合评价模型

以京津冀地区空气质量情况(2013年)为研究对象，已知影响空气质量的主要因素PM2.5、PM10、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧的检测数据，参考现有的国标处理数据[2]，建立衡量空气质量优劣程度等级模型。为此，可以从数据出发，首先建立无量纲化实测数据矩阵和评价标准矩阵，然后建立各地区的综合评价模型，利用欧氏距离和绝对距离对空气质量优劣程度等级进行衡量。

2.1 数据处理

通过查阅资料[4]，得到国家标准空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表、空气质量指数级别表。可以得到各地区空气质量评价标准(表1)。

表1 各地区空气质量评价标准

建立无量纲化实测数据矩阵和评价标准矩阵，得到实测数据矩阵X=(xij)3×6和等级标准矩阵建立无量纲化实测数据矩阵，Y=(ykt)6×6。

建立无量纲化实测数据矩阵，A=(aij),(i=1,2,3;j=1,2,3,4,5,6),

无量纲化等级标准矩阵B=(bkt),(k=1,2,3,4,5,6;t=1,2,3,4,5,6)

由于其主要因素都为成本型指标集合,即得：

利用MATLAB计算，得到：

2.2 模型建立与结果分析

利用欧氏距离和绝对距离进行建模，建立对空气质量优劣程度等级进行衡量的数学模型，并利用MATLAB对相关数据进行求解。

计算A中各行向量到B中各列向量的欧氏距离dij：

计算A中各行向量到B中各列向量的绝对距离Dij:

表2 欧氏距离判别表

表3 绝对值判别表

结果分析：对于给出的任何关于空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数[5]，可以结合一维差值分析法得到的空气质量指数级别表，建立欧氏距离和绝对距离数学模型来衡量空气质量优劣等级。

从上面的计算可知，尽管欧氏距离与绝对距离意义不同，但是对空气污染物的评价等级是一样的，表明上面给出的方法具有稳定性。

3 空气污染物扩散与衰减的演变规律

为了简化问题，假设污染物浓度均在地面测得，通过相关资料及计算，得到了稳定度级别划分表和扩散系数表，再以高斯扩散原理[6]为基础,以河北境内某工厂为研究对象,建立单污染源高斯烟雨扩散模型,最后运用MATLAB绘图，得到了单污染源的污染扩散曲线图，根据曲线趋势及其不同距离的污染浓度，判断出空气质量等级,从而探究污染物的成因、演变等一般性规律。

3.1 数据处理

以污染源为起点，主风向为x轴，并且指向下风的方向，与风向垂直的方向为z轴，而水平截风向为y轴的方向，则高架连续点源扩散的高斯烟羽模型公式[7]为：

其中λy、λz分别为污染水平、垂直风向扩散参数，Q、h分别为源强、源高，为常数。

用MATLAB求解固定源强和双源强高斯烟羽扩散模型，选择河北境内某工厂的数据作为研究对象。由查阅的数据可知所求的空间是以工厂的排放烟囱为中心，高为50 m，半径长为50 km的半球。其各个时间段内源强Q的值如表4。

表4 各时间段的源强Q

假设源强的计算中,人为1天24 h污染物匀速排放，需要求出全天平均源强：

Q=排放总量/排放时间(单位：mg·s-1)

代入数据即得Q=493.08 mg·s-1

为简化计算，将上述模型化简为地面最大浓度模式，即y=0，z=0代入上式得：

计算污染物浓度的关键在于确定扩散系数σy、σz的值[8]，它们与大气的稳定性有关，帕斯奎尔在1961年推荐一种仅需要常规气象观测资料就能估算σy、σz的方法，吉福德(Gifford)进一步将它制成应用更方便的图表。应用观测到的风速、云量、云状和日照等天气资料[9]，一般将大气扩散稀释能力即稳定度分为A、B、C、D、E和F 6个级别(A为最不稳定值，F为最稳定值)。通过查阅资料得到稳定度级别划分表(表5)，最后将对应的扩散参数σy和σz代入上面的简化模型中。

表5 稳定度级别划分表

在热释放率比较强的情况下的实际计算中，不稳定条件(A、B稳定度)，H需增加10%～20%；稳定条件(D、E、F稳定度)，H需减少10%～20%。

由查阅的资料可知，假设在早上8时的大气稳定度为C，有效高度H为50 m；中午12时的大气稳定度为B，有效高度H为60 m；晚上21时的大气稳定度为D，有效高度H为40 m。扩散系数的P-G曲线和σy、σz，随地面x的距离大小变化见表6。

3.2 结果分析

将查到的数据代入上述公式，由MATLAB软件分别求得该工厂方圆51 km在不同时段的空气污染分布如图1及图2所示。

表6 扩散系数表(102

中午12时的空气污染分布如图1，空气污染浓度从低到高再随着距离逐渐降低，最高到达1.6×10-5mg·m-3，最远距离的浓度为0.2×10-5mg·m-3。空气质量等级随着距离的增加从三级(轻度污染)逐渐变为五级(严重污染)再逐渐降低到三级(轻度污染)[10]。

晚上的空气污染分布如图2，空气污染浓度从低到高再随着距离逐渐降低，最高到达4×10-5mg·m-3，最远距离的浓度为0.45×10-5mg·m-3。空气质量等级随着距离的增加从三级(轻度污染)逐渐变为五级(严重污染)再逐渐降低到四级(重度污染)。

4 结论与讨论

4.1 结论

对于空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数，可以结合一维差值分析法得到的空气质量指数级别表，建立欧氏距离和绝对距离数学模型来衡量空气质量优劣等级。尽管欧氏距离与绝对距离意义不同，但是对空气污染物的评价等级是一样的，表明本文给出的方法具有稳定性。北京早上8时AQI为255.16，空气质量五级，重度污染；中午12时AQI为140.78，空气质量三级，轻度污染；晚上21时AQI为77.79，空气质量二级，良。相同时间段内二环CO浓度高于四环，四环高于六环，相同路段在不同时间段内CO浓度呈折线变化，其中在7∶00～9∶00和19∶00～21∶00这2个时间段内CO浓度最高，11∶00～13∶00相对较低。京津冀地区工业生产和煤炭的燃烧是空气污染的重要来源，其中PM2.5和PM10是主要成分，另外大量的汽车尾气也是空气污染的主要来源[11]。

4.2 关于环境问题的讨论

通过上述数字看出，虽然暂时得到了经济的发展，但是所带来的环境问题不容小觑。环境与经济是否必须取舍？这是值得深思的问题。相信每个人希望的结果都是环境治理与经济发展同步进行，那么就更加要求居民减少私家车出行、多乘坐公共交通工具、减少不必要的用水用电等，更要求企业严格把控污染物的排放[12]，社会各界和政府共同努力。

[1]发改委.节能减排形势严峻产业发展潜力巨大报告[EB/OL].http://snap.windin.com/ns/findsnap.php?ad=0&id=204632670,2015-08-02.

[2]中华人民共和国环境保护部.环境保护标准[EB/OL].http://kis.mep.gov.cn/hjbhbz/,2015-08-02.

[3]青悦空气质量数据库[EB/OL].http://air.epmap.org/,2015-8-2.

[4]环境保护部.环境空气气态污染物(SO2、NO2、O3、CO)连续自动监测系统运行与质控技术规范[EB/OL].http://kjs.mep.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/jcgfffbz/201308/t20130802_256853.htm,2015-08-02.

[5]陈欢欢,李星,丁文秀.Surfer8.0等值线绘制中的12种插值方法[J].工程地球物理学报,2007，4(01):52-57.

[6]石东伟,陈东娜.高斯扩散模型在确定污染源位置中的应用[J].河南科技学院学报，2012，40(02):55-58.

[7]张斌才,赵军.大气污染扩散的高斯烟羽模型及其GIS集成研究[J].环境检测管理与技术，2008，20(05):17-19，55.

[8]周兆媛，张时煌，高庆先.京津冀地区气象要素对空气质量的影响及未来变化趋势分析[J].中国环境研究所2014，36(01)：191-199.

[9]刘燚.京津冀地区空气质量状况及其与气象条件的关系[D].长沙：湖南师范大学，2010.

[10]沈子禾，姜昊，李杰.京津冀地区污染物排放对空气质量的影响[J].合作经济与科技，2015，9(18)：12-14.

[11]刘敏坤，陈文洁.京津冀空气质量现状及联防联控对策探索[J].产业与技术论坛，2015，10(19)：110-111.

[12]李健，安俊岭，陈勇，等.脱硝技术与天然气应用情景下京津冀地区空气质量模拟评估[J].气候与环境研究，2013.7(07)：472-482.

[责任编辑：关金玉 英文编辑：刘彦哲]

Quantitative Analysis of Distribution of Air Pollutants in Beijing-Tianjin-Hebei Region

HE Xiao-long1,SUN Hui-yu2

(1.School of Finance,Anhui University of Finance and Economics,Bengbu,Anhui 23303,China；2.School of Statistics and Applied Mathematics,Anhui University of Finance and Economics,Bengbu,Anhui 23303,China)

Objective Against air quality index and pollution in Beijing-Tianjin-Hebei region,a new air quality standard was established to define the class of air.And the model was established to study the spread of the pollution sources and reduce the pollution in the Beijing-Tianjin-Hebei region.Methods By taking Hebei province as the research object and through the pollution data of Hebei province in Internet,the difference between China’s standard and U.S.standard was analyzed to improve the national air quality standard(AQI).Mean square error method using half set was used to reestablish air quality model,and based on the Gauss theorem,single pollutant diffusion,the pollutant diffusion OSPM,CALINE-4,and GM model were established.In combination with MATLAB and Excel software,different times and different sections of Beijing pollution concentration gradient and air quality levels were given.Results In Beijing at 8 a.m,AQI was 255.16,at Level 5,severe pollution;at 12,AQI 140.78,level 3,light pollution;at 9 p.m.,AQI 77.79,level 2 and good.CO concentration was higher than that in same period on 4th Ring,and 4th Ring higher than sixth Ring.At the same section and in different periods CO concentrations were represented by zipped lines,in which at about 7:00-9:00,and at 19:00-21:00 CO concentrations were highest,and at 11-13:00 relatively low.Conclusion In Beijing-Tianjin-Hebei region,industrial production and coal combustion are important sources of air pollution with PM2.5 and PM10 as the main composition.The large amount of automobile exhaust is also the main source of air pollution.Therefore,controlling the coal combustion and motor vehicle exhaust emissions,and developing clean energy can effectively improve the air quality in the Beijing-Tianjin-Hebei region.A blue sky in Beijing-Tianjin-Hebei region will return.

absolute distance;euclidean distance;Gauss plume diffusion; main pollutant

教育部人文社科青年科研项目(10YJC630143)

贺小龙(1994-)，男，安徽宿松人，安徽财经大学管理科学与工程学院在读学生，研究方向：大数据。

X 513

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.07.008