基于多模型下的京津冀地区的空气污染分析

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本文针对京津冀地区的空气污染问题，分别构建空气质量指数计算、综合评价、多污染源空气扩散模型，并对京津冀地区的空气污染问题给予合理的建议。

据报道，进入今年10月，受不利气象条件影响，我国京津冀及周边地区部分城市持续出现重度及以上空气污染，雾霾“卷土重来”，影响范围波及26万平方公里。预计11月至12月，冷空气活动强度较弱，京津冀及周边地区气象条件不利于大气污染物扩散，出现重污染天气风险高，2017年1月至2月霾日数或接近近十年同期。

空气污染带来了雾霾天气，扩散在雾霾中的污染物严重影响了我们的生命安全，并干扰到了社会的正常运行秩序，影响了国家经济发展。解决空气污染迫在眉睫，那么弄清楚污染物如何在空气中扩散显得十分重要。

一、新空气质量指数计算模型

现有的国标评价模型在实际应用中未考虑污染物次大值对空气质量的影响，这样会导致测量结果不准确。

引用组中值，均方差，一阶原点矩来构建新的空气质量指数计算模型。

（1）利用冗余分析法作CCA研究：分析得AQI与PM2.5呈正相关且相关性明显，与其余空气成分也有较明显正相关，影响不可忽略。

（2）计算加权平均数：由于n=w1+w2+…wn，得算术平均值

其中Xi为样本观测值，n为观测值个数，w为各观测值权重。

该数据效果为度量数据的离散程度并反映样本总体水平，为空气质量评价的重要指标。

（3）计算标准差：

观测样本值的离散程度，标准差可以较简单的推测离散程度及样本对空气质量的影响程度，但由于存在远大于一阶原点矩即算数均值的数据和远小于的数据，使得标准差并不能真实反映空气成分对空气质量的影响，不能满足空气质量评价的需要。

（4）查阅文献提出用组中值：

来划分整个评价指标。对于大于组中值的成分因子给予较大权重，通过计算它们对算数均值的均方差，反映大于组中值成分因子数据的离散程度：

（5）经过分析得出AQI作为反映大气环境质量的数字特征，应在反映环境成分因子的基础上用大于组中值数据的离散程度加以调整，从而建立新的空气质量指数AQI数学模型：

二、京津冀空气状况模糊综合评价模型

（一）模型的求解

京津冀地区主要考虑空气污染指数的五个指标：PM2.5，

PM10，CO，NO2，SO2。在中华人民共和国环境保护部的环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）（HJ633-2012）上查找到空气质量分指数及对应的污染物项目浓度限值，再综合搜集到的北京、天津、石家庄三个京津冀代表区域的五项指标值，数据如下表1所示。

1.根据空气质量指标评价标准，确定污染物量与各个环境等级之间的隶属关系。采用分段隶属函数计算。

依照上述方法分别计算出PM

2.5，SO2，NO2，CO，PM10与各个级别之间的隶属度，得模糊矩阵。

2.运用特征向量法（利用matlab软件），分别计算三个京津冀代表区的五项评价指标的权重，列出权重矩阵表。

3.建立模糊综合评价矩阵，运用MATLAB软件建立模糊综合评价矩阵。

（二）模型的分析

根据上述模型的求解可知，PM2.5（细颗粒物）是北京、河北地区的首要空气污染物，而天津的大气受工业NO2排放的影响最为突出。

三、多污染源扩散模型

（一）模型的建立（以北京市汽车尾气排放为例）

STREET-SRI经验模式[6]认为扩散浓度正比于排放强度，反比于风速及街道宽度，我们在STREET-SRI经验模式的基础上稍作改进，建立了以汽车尾气作为主要污染源的多污染源空气扩散模型。设污染源的源强为QL，则

，，

上式中?C为由于污染源造成的污染物的增加量，?CL和?Cw分别为背风侧和迎风侧的污染物浓度增加量，v为计算点附近的风速，y为混合体积幅度，u为障碍物顶上风速，k是经验系数（通常取k=7），满足，h和d分别为周围障碍物的平均高度和测定区域的宽度。

v=k1（u+v'），y=k2（l+b），

式中l为监测点到污染源的距离，b为污染源的口径，v'为污染源的平均移动速度。在迎风侧，由于混合良好，通常满足y=d。

（二）模型的求解

以汽车尾气排放为例，选择汽车尾气排放的PM2.5作为研究对象。通过查阅文献了解到街道峡谷机动车尾气扩散过程，如图1。

查找相关资料，得到北京市2015年1月15日二环、四环、六环实时的PM2.5浓度值，代入数据进行计算，求出源强QL。根据查阅相关资料，取v=13m/s，u=2m/s，d=2m，L=7m代入上述公式中，计算结果见表3。

假设从16日开始北京市实行单双号限行交通管制措施，源强减小一半，根据公式，可以求出汽车尾气排放引起的污染物的增加量，计算结果如表4所示。

（三）模型的分析

根据上述对模型的求解可知北京市二环、四环、六环路16日早上8点、中午12点、晚上9点的空气污染浓度梯度变化。

再结合空气质量指数及对应的污染项目浓度值表分析可知，16日北京实行限号政策以后，空气污染得到了有效的控制。由于15日重度污染的影响，故各个路段16日早上8时测得的PM2.5浓度值都偏高，均处于二级，中午12时测得的PM2.5浓度值较早上有所下降，但仍然均处于二级，晚上21时测得的PM2.5浓度值较早上和中午有大幅度下降，三个路段均处于一级。三个路段相比较，污染浓度：四环>二环>六环。

四、结语

随着经济的增长，落后的经济增长模式也加重了空气污染，不同的污染物被排放到大气中，污染物的不同对空气质量的影响大小也不同。工业，生活炉灶和采暖锅炉，交通运输是产生大气污染的主要污染源。从国标和美标的空气质量标准来看PM10、PM2.5、SO2、O3、CO等污染参数都被采用了。通过评价模型进一步分析得，PM2.5、SO2、NO2对于AQI的影响较其他污染物要大。通过上述分析和总结的影响空气的关键参数为PM2.5、SO2、NO2。环保部门应该从控制这三项指标入手，治理京津冀空气污染。

（作者单位：安徽财经大学统计与应用数学学院）