呼和浩特市大气环境质量模糊数学综合评价

任守红，高运保

（内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

随着我国工业化和城市化进程的快速推进，城市能源消耗和机动车保有量持续增加，导致我国城市空气环境质量日益恶化，特别是近年来大规模雾霾天气频发，恶劣的城市大气污染状况已经严重影响到人们的身心健康和生活品质，成为困扰部分城市的主要环境问题[1-4]。大气环境质量评价作为正确认识大气污染现状、分析预测大气污染趋势的重要方式，是根据不同的目的和方法，选取若干大气环境评价因子，在大气环境质量分级标准的基础上，用一定的评价方法对选定区域某段时间内大气环境质量的优劣进行定性或定量评估[5]，从而为有效开展大气污染防治工作提供科学依据。近年来，国内外学者采用多种评价方法对大气环境质量评价进行了大量的研究，常用的评价方法包括：层次分析法，主成分分析法，BP神经网络法，空气质量指数法，灰色聚类法和模糊综合评价法[6-8]。郑健[9]针对乌鲁木齐市2001-2011年期间的大气环境质量运用层次分析法进行了分析与综合评价。王兴[10]、卜鹏[11]、商博[12]利用主成分分析法分别对天津市、南通市和山东省某市的大气环境质量状况进行评价研究。王琨[13]使用BP 神经网络模型对森林地区大气环境质量评价问题进行研究，并验证了模型的实用性和可靠性。刘杰[14]分别利用空气质量指数法和灰色聚类法评价了2013年北京市停暖前后的大气环境质量状况，结果表明：在直观评价空气质量时应选择空气质量指数法，判断污染指标对空气质量等级的靠近程度时应使用灰色聚类法。Zhou[15]对广州市2000-2005年期间的大气环境质量运用空气质量指数评价法和污染负荷分析法进行了分析和评价研究。张云海[16]、安景文[17]利用灰色聚类关联分析法分别评价了沈阳市和贵阳市的大气环境质量状况。高明美[18]、郑健[19]、王晨[20]、吕铃钥[21]先后利用模糊数学综合评价法对城市大气环境质量进行评价。

鉴于影响大气环境质量的因素较为复杂，且大气环境质量本身具有明显的模糊性和随机性，而模糊数学综合评价法不仅能够很好的克服评价边界隶属模糊的影响，还能够消除环境质量等级划分过程中主观因素，可以全面客观的反映评价区域特定时间段内的大气环境质量。因此，本文利用模糊数学综合评价法，对呼和浩特市2014-2020 年期间的大气环境质量动态变化进行综合评价，找出当前影响大气环境质量的主要污染因子，从而为呼和浩特市大气污染防治和相关政策法规的制定提供科学理论依据。

1 材料与研究方法

1.1 数据来源

本文从中国空气质量在线监测分析平台获取呼和浩特市区2014-2020 年期间的大气污染物质量浓度数据并进行分析，依据《环境空气质量标准》（GB3095-2012）[22]选择PM2.5，PM10，SO2，NO2的年平均监测浓度，O38 小时平均第90 百分位数浓度，CO 日均第95 百分位数浓度作为评价指标，2014-2020 年呼和浩特市区6个大气污染物浓度监测值如表1所示。

表1 呼和浩特市2014-2020年主要大气污染物年均浓度监测值（单位：mg/m3）

由表1 数据可知，呼和浩特市区2014-2020年间大气污染物年均浓度变化趋势如图1所示，从图1 和表1 中可知，PM10，SO2，CO，NO2年均浓度呈现明显的下降趋势，2020年相较于2014 年其浓度分别下降了31.9%、71.7%、48.7%、27.7%，PM2.5年均浓度波动幅度并不明显，O3浓度则表现出明显上升趋势，2020 年相较于2014 年上升了37.3%。由此说明呼和浩特市区空气环境质量正在逐年向好，但O3浓度上升也应引起足够警惕。

图1 呼和浩特市2014-2020年主要大气污染物年均浓度变化趋势图

为了更好的开展大气环境质量客观评价，结合实际情况对《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中的评价等级标准进行修改和补充，将原有的两个评价等级标准补充至五个，具体见表2[21]，建立大气环境质量评价等级集合V={优，良好，轻度污染，中度污染，重度污染}。

表2 大气环境质量评价等级划分标准

1.2 研究方法

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法，能够应用隶属度理论把定性评价转化为定量评价，解决大气环境系统中各污染因子间的不确定性和模糊性，在客观评价大气污染状况，预测大气污染发展趋势方面具有重要意义，其基本步骤如下[23]：

由于各大气污染因子对大气环境质量的贡献度存在差别，因此需要根据各污染因子的贡献度分别对各污染因子赋予不同的权重。在进行大气环境质量综合评价时常用的赋权方法包括：专家打分法，超标倍数赋权法和层次分析法[24-25]。本文采用超标倍数赋权法，其作为一种主因素突出型的赋权方法，能够突出主要污染因子对大气环境质量的影响，又充分考虑不同污染物标准值的数值差异，计算较为简单，其公式为：

式中：ωi为第i个评价因子的权重值；xi为第i评价因子的实际监测值；Si为第i个评价因子各评价等级标准的平均值。

（4）构建评价因子与评价等级间的模糊关系评判矩阵R=(rij)。

本文利用降半阶梯形隶属度函数计算评价因子相对每级评价等级的隶属度rij，从而构建模糊关系评判矩阵R=(rij)，隶属度计算公式如下：

当j=1时，

当j=2,3···，m-1=时,

当j=m时，

式中：rij为第i个评价因子对于第j级的隶属度；xi为第i个评价因子的实际监测值；Sij为第i个评价因子的第j级评价等级标准值。

（5）模糊关系评判矩阵和权重的合成，计算模糊综合评价矩阵C，并得出评价结论。

经过以上计算得到评价因子的权重W和模糊关系评判矩阵R，利用加权平均法对其进行复合运算，得到模糊综合评价矩阵C,其计算公式为：

2 结果与分析

2.1 确定评价因子权重

按照上述方法，根据超标倍数赋权法公式（1）计算呼和浩特市2014-2020 年间各评价因子的权重，计算结果见表3。

表3 呼和浩特市2014-2020年主要评价因子的权重结果

根据表3 可知，2014-2020 年间呼和浩特市大气环境污染物主要是NO2、PM10和PM2.5，除了2015 年PM10权重高于NO2权重成为当年首要污染物之外，其它年份NO2权重值均居于首位成为首要污染物，PM10权重值次之。PM2.5权重除了2018 年低于O3权重外，其它年份均排在第三位。三种主要大气污染物对大气环境质量的污染贡献率达到65%～68.7%，总体来说呼和浩特市大气环境污染呈现煤烟型和机动车尾气复合型特征，由此可见控制NO2和可吸入颗粒物的排放是改善呼和浩特市大气环境质量的关键所在。NO2权重高主要是大气环境质量受机动车尾气影响较大造成的，这与近年来呼和浩特市经济快速发展，汽车保有量急剧增加导致机动车尾气排放量持续增加有直接关系。PM2.5和PM10来源较复杂，主要来源于供热季燃煤，工业排放、机动车尾气、道路和施工扬尘。2014-2020年间大气污染物权重变化趋势如图2 所示，由图2 知，这7 年间NO2权重呈现先增大后减小趋势，PM10、SO2和CO 权重在逐渐下降，其中PM10权重下降缓慢，SO2和CO 权重则快速下降，说明“十三五”期间呼和浩特市大气环境质量持续好转，散煤治理、燃煤锅炉超标排放治理和煤改气等政策措施已经持续发力并显现成效。但是PM2.5和O3权重逐渐增大，尤其是O3权重值2020 年相较于2014 年权重增大了1.9 倍，2018 年O3权重值更是排在第三位，由此可见O3正在快速成为呼和浩特市新的重要污染物，应该引起足够的重视。O3权重的快速增加主要是由于近年来机动车尾气和工业排放的氮氧化物和挥发性有机物浓度不断上升，并在紫外线的照射下发生光化学反应产生O3造成的。

图2 呼和浩特市2014-2020年主要评价因子的权重变化趋势图

2.2 确定模糊关系评判矩阵R

利用降半阶梯形隶属度函数公式（2-4）计算各评价因子相对每级评价等级的隶属度，并建立模糊关系评判矩阵R=(rij)，计算结果见表4。

表4 模糊关系评判矩阵

2.3 确定模糊综合评价矩阵

将评价因子权重集W和模糊关系评判矩阵R按照公式（5）进行复合计算，即可得到模糊综合评价矩阵C，并依据最大隶属度原则确定大气环境质量等级，其结果见表5。

表5 呼和浩特市2014-2020年大气环境质量模糊综合评价结果

根据表5 可知，2014-2020 年期间呼和浩特市大气环境质量均为Ⅱ级良好水平，说明这7 年来呼和浩特市大气环境质量整体不错，没有发生空气污染状况。由大气环境质量等级隶属度趋势图（图3）可知，Ⅰ级优和Ⅱ级良好的隶属度在逐渐增加，2020 年相对于2014 年分别增加了58.5%和9.6%，Ⅲ级轻度污染的隶属度在迅速减小，2020 年隶属度仅为0.062。由此可见，近年来呼和浩特市针对大气环境质量采取的大量治理措施效果较为显著，大气环境质量呈现整体好转的趋势。

图3 呼和浩特市2014-2020年大气环境质量等级隶属度变化趋势图

2.4 与其它大气环境质量评价方法的比较

为了验证模糊数学综合评价法在大气环境质量评价中的可靠性，本文将研究结果与采用层次分析法所得结果进行对比。按照层次分析法的计算步骤[9]，认为最大权重对应的级别就是大气环境质量的评价等级，其评价结果如表6所示。根据表5和表6可知，采用模糊数学综合评价法对呼和浩特市大气环境质量评价所得结果与采用层次分析法所得结果完全一致，因此认为采用模糊数学综合评价法对大气环境质量进行评价所得结果是可靠的。

表6 呼和浩特市2014-2020年大气环境质量层次分析评价结果

3 结论

本文以呼和浩特市2014-2020 年的大气环境质量作为研究对象，选用PM2.5、PM10、SO2和NO2的年均值，CO 和O3日均值百分位数作为污染指标，并对环境空气质量标准进行补充建立了大气环境质量评价标准集，采用模糊综合评价法对呼和浩特市大气环境质量进行评价。结果表明：呼和浩特市近7 年来整体大气环境质量均为良好水平，没有发生超过Ⅱ级标准状况，PM10，SO2，CO，NO2浓度呈现明显下降趋势，PM2.5浓度波动幅度不明显，O3浓度则表现出明显上升趋势，但并没有超出Ⅱ级评价标准，这说明近年来呼和浩特市大气环境质量正在逐步好转。但同时也应注意到就单一污染因子来讲，除了2018 年外，其它年份PM2.5和PM10年均浓度都超出了Ⅱ级评价标准，O3浓度急剧上升，2020 年相较于2014 年浓度上升了37.3%，权重值更是增大了1.9倍成为新的重要污染物，因此对于O3也应投入更多的关注。另外，从各污染指标的权重值来看，7年间六种大气污染物权重值排在前三位的始终是NO2、PM10和PM2.5（2018年除外），三种主要大气污染物对大气环境质量的污染贡献率达到65%～68.7%，由此可见改善呼和浩特市大气环境质量状况，需要加强对机动车尾气和工业污染源排放的监督和管理，强化环境管理工作，减少道路和施工扬尘排放，加快能源结构调整步伐，积极推进煤改气、煤改电工作。