合肥市环境空气质量分析

石宝玉 廖龙静 李莉莉 李超

摘 要：以合肥市空气质量实时监测面板数据为样本，气体污染物为指标，建立空气质量时空分布模型，从日度、月度和季度三个维度分析不同区污染状况.根据主成分分析综合评价模型，分析庐阳区、明珠广场、三里街等十个监测点主要污染源，并对各区污染程度排序.研究结果表明，NO2和PM2.5是合肥的主要污染物，瑶海区空气质量最差；滨湖新区、董铺水库、高新区、琥珀山庄、明珠广场和长江中路空气污染程度较轻，包河区、庐阳区、三里街和瑶海区的空气污染较重.

关键词：空气质量；时空分布；污染源；综合评级；MATLAB

[中图分类号]X51 [文献标志码]A

文章编号：1003-6180（2018）02-0004-05

Abstract：Aiming at the problem of air pollution in Hefei， with the index of gaseous pollutants as the starting point， real-time monitoring panel data of air quality in Hefei was selected as the research sample. A spatio-temporal distribution model of air quality is set up to analyze the pollution status in different areas from three aspects of daily， monthly and quarterly； With principal component analysis comprehensive evaluation model， track the main pollution sources of ten monitoring sites in Luyang District， Pearl Plaza and Sanli Street， and sort the degree of pollution in each area： NO2 and PM2.5 are the main pollutants in Hefei， and Yaohai air quality is the worst. Establish the clustering analysis， and the air pollution in Binhu New Area， Dongpu Reservoir， Hi-tech Zone， Amber Mountain Villa， Pearl Plaza and Middle Changjiang Road was relatively light， while the air pollution in Baohe District， Luyang District， Sanli Street and Yaohai District was heavy.

Key words：air quality；spatio-temporal distribution；pollution sources；comprehensive rating；MATLAB

合肥市是安徽省的省會城市，其经济总量、增长率、人均GDP等均位居全省第一.伴随经济的快速发展，能源消耗逐渐加大，合肥市重污染天气现象频繁发生.合肥市2016年3月～2017年2月的空气质量，“优”仅占18%，“良”占53%，“轻度污染”占20%，“中度污染”占6%，“重度污染”占3%.因此，研究合肥市空气质量问题有着重要意义.

1 合肥市环境空气质量时空分布特征

1.1 空气质量季节特征

选取2016年3月1日0时到2017年2月28日23时合肥市庐阳区、明珠广场、三里街、瑶海区、长江中路、董铺水库、滨湖新区、琥珀山庄、包河区和高新区10个空气质量监测站点SO2，NO2，PM10和PM2.5的平均浓度数据发现，夏季的首要污染物是O3，春季和冬季空气污染严重，SO2，NO2和PM2.5污染物浓度较高.

1.2 单因子指数分析

单因子指数统计显示：

（1）庐阳区年日平均单项污染指数由大到小的排序为PM2.5>O3>NO2，明珠广场和三里街日平均单项污染指数由大到小的排序为O3>PM2.5>NO2，其余7个监测点的平均单项污染指数由大到小的排序相同，均为O3>PM2.5>PM10.

（2）NO2年日均浓度单项污染指数前三位的是庐阳区、明珠广场和三里街；SO2年日均浓度的单项污染指数最高为滨湖新区；CO年日均浓度单项污染指数最高为长江中路，O3年日平均浓度前三甲为瑶海区、长江中路和明珠广场，均超标较严重；庐阳区的PM2.5和PM10年日平均浓度均为最高.

1.3 PM2.5相关因素分析

采集合肥地区2017年6月份实时空气质量环境数据，整理得到日度数据，分析PM2.5（含量）与AQI监测指标中可吸入颗粒物PM10，SO2，CO，NO2和O3之间的相关性.运用MATLAB软件，作PM2.5与各污染指标散点图，见图1.

由图1可知，随着各指标污染浓度的增高，PM2.5含量均有上升趋势，存在线性相关性；PM10的含量与O3存在较高相关性.

2 构建主成分分析综合评价模型

采集合肥市 2016年3月～2017年2月国控点环境质量中NO2，SO2，CO，O3，PM10，PM2.5六项指标的实时监测数据.按时间段划分为四个季度（春季为3月1日至5月31日，夏季为6月1日至8月31日，秋季为9月1日至11月30日，冬季为12月1日至2月28日），计算其平均污染浓度.

2.1 模型的建立

假定有n个样本，每个样本共有p个变量，构成一个n×p阶的样本空间

计算综合评价得分.考虑到选取主成分的方差贡献率不同，将各主成分得分分别与方差贡献率相乘，即最终的综合评价得分.

2.2 模型的求解

利用MATLAB软件对各区域污染物进行主成分分析，确定影响空气质量的主要污染因子.将数据代入主成分分析模型中，在MATLB软件中运算后得到六个指标的相关系数矩阵、相关系数矩阵的特征值、特征向量.

2.2.1 春季数据分析

以表3的春季数据为例，NO2，SO2，CO，O3，PM10，PM2.5的主成分列表见表4.表4中列出了所有的主成分，按照特征根的从小到大次序排列.

从表4中可知，第一主成分特征根為2733 5，方差贡献率为45.56%.根据累计贡献率需到达85%，由各主成分对应特征向量可知，影响合肥市春季空气质量的主要污染因子有NO2和PM2.5.综合得分排序见表5.春季高新区的污染最严重，其次是包河区，滨湖新区污染最轻.

2.2.2 夏季数据分析

影响合肥市春季空气质量的主要污染因子有NO2和PM2.5.综合得分排序见表6.夏季瑶海区污染最严重，其次是高新区和包河区及长江中路，滨湖新区污染最轻.

2.2.3 秋季数据分析

影响合肥市春季空气质量的主要污染因子为PM2.5，综合得分排序见表7.秋季瑶海区的污染最严重，长江中路次之，明珠广场污染最轻.

2.2.4 冬季数据分析

影响合肥市春季空气质量的主要污染因子为NO2，SO2及PM2.5.综合得分排序见表8.冬季瑶海区的污染仍是最严重的，庐阳区污染严重程度排第二，包河区和滨湖新区污染较轻.

车辆尾气排放和燃料燃烧是二氧化氮的主要来源.PM2.5污染的主要来源是燃料燃烧和机动车辆尾气排放，PM10主要来源于工业过程，如燃煤、冶金、化工、内燃机等直接排放的超细颗粒物.因此，影响合肥市空气质量主要因素是燃料燃烧和机动车的尾气排放.

3 构建系统聚类分析模型

采用系统聚类的方法对合肥市10个监测点年度数据进行分析，最终得到如下的聚类图，见图2.

聚类系谱图表明，第一类监测点污染相对较轻，包括滨湖新区、董铺水库、高新区、琥珀山庄、明珠广场、长江中路；第二类监测点污染最重，包括包河区、庐阳区、三里街和瑶海区.

结合合肥实际情况可知，第一类监测点大多在合肥市郊区，处于城建发展期，人流量和车辆要少一些，第二类监测点大部分在老城区和火车站汽车站，工业废气及粉尘、生活废物废料以及机动车尾气等给空气质量带来很大影响，较之第一类地区明显有很大差异.

4 结束语

以合肥市空气质量实时监测面板数据为样本，气体污染物为指标，建立空气质量时空分布模型，从日度、月度和季度三个维度分析不同区污染状况.根据主成分分析综合评价模型，分析庐阳区、明珠广场、三里街等十个监测点主要污染源，并对各区污染程度排序.研究结果表明，NO2和PM2.5是合肥的主要污染物，瑶海区空气质量最差；滨湖新区、董铺水库、高新区、琥珀山庄、明珠广场和长江中路空气污染程度较轻，包河区、庐阳区、三里街和瑶海区的空气污染较重.合肥市应加大对环境空气保护的投入力度，鼓励产业技术升级，推进前沿治理技术，加强居民的环保意识.

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编辑：吴楠