關(guān)于大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究

關(guān)于大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究

0綜合質(zhì)量分析近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，環(huán)境質(zhì)量惡化。因此，環(huán)境評(píng)價(jià)對(duì)于環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)非常重要。如何合理、客觀地描述環(huán)境的質(zhì)量狀況已成為環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。在這個(gè)問題上，目前提出的評(píng)估方法主要包括指數(shù)評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色聚類法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，這些分析法都存在一些缺點(diǎn)。例如，指數(shù)評(píng)估法難以反映環(huán)境的總體質(zhì)量狀況。綜合模糊評(píng)價(jià)法需要將每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重設(shè)置為權(quán)重編號(hào)，這難以反映主要指標(biāo)的作用。由于環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)開放的系統(tǒng),環(huán)境質(zhì)量的變化是各變量綜合作用的結(jié)果.隨著多元統(tǒng)計(jì)方法的普及和應(yīng)用,主成分分析法在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中逐漸得到應(yīng)用.該方法從多個(gè)指標(biāo)之間的相互關(guān)系入手,將多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo).其優(yōu)點(diǎn)在于:充分考慮了各指標(biāo)之間的相關(guān)性,能夠最大限度地保留原有信息,對(duì)高維數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳的綜合降維處理,且更客觀地確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重?cái)?shù),避免了主觀隨意性.筆者利用該方法對(duì)福州市大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),以期該方法能為環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)、污染控制、探索污染源等方面提供一定的科學(xué)參考依據(jù).1主成分分析的原理和方法1.1最佳綜合簡化處理主成分分析法是建立一種從高維空間到低維空間的映射,即把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)分析方法,其目的是在保證信息損失量最小的前提下,盡可能提取問題的主要方面,從而對(duì)多變量數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳綜合簡化.通常數(shù)學(xué)上的處理就是將原來m個(gè)指標(biāo)作線性組合,得到一個(gè)新的綜合指標(biāo).選取第一個(gè)線性組合Y1(即第一個(gè)綜合指標(biāo))的方差來表示含有信息的多少,若Y1越大,則表示Y1包含的信息量就越多.如果在所有的線性組合中選取的Y1方差最大,則稱Y1為第一主成分.其方差在總方差中所占比率稱之為解釋方差,其方差越大,它的貢獻(xiàn)越大,其代表原始數(shù)據(jù)的能力就愈強(qiáng).如果第一主成分不足以代表原來m個(gè)指標(biāo)的信息,再考慮選取第2個(gè)線性組合Y2,與Y1共同反映原始信息,通常當(dāng)前n個(gè)主成分的方差占總方差的85%以上即可認(rèn)為這n個(gè)主成分能代表該數(shù)據(jù)的大部分信息.1.2數(shù)據(jù)處理和確定主成分1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化.為了排除數(shù)量級(jí)和量綱不同帶來的影響,使原始數(shù)據(jù)能在同一尺度上進(jìn)行比較,需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.2)協(xié)方差矩陣的計(jì)算.3)協(xié)方差矩陣的特征值與特征向量的計(jì)算.4)解釋方差的計(jì)算,確定主成分.一般要求前n個(gè)主成分的累計(jì)解釋方差占總方差的85%以上即可.5)綜合評(píng)價(jià).選擇n個(gè)主成分,計(jì)算相應(yīng)的特征向量,對(duì)所選擇的主成分給出合理解釋.2環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)筆者以福州市2001—2006年的大氣環(huán)境質(zhì)量狀況(表1),GB3095—1996《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(表2)為例,利用主成分分析法對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).2.1標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理為了排除數(shù)量級(jí)和量綱不同帶來的影響,使原始數(shù)據(jù)(式(2))能在同一尺度上進(jìn)行比較,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理,具體處理辦法如下:X′ij=Xij-XjRj(i=1,2,??mX′ij=Xij?XjRj(i=1,2,??m;j=1,2,…,n)(1)其中Xij表示第i個(gè)指標(biāo)類型的第j個(gè)指標(biāo)的值,Xj和Rj分別表示第j個(gè)指標(biāo)的樣本均值和標(biāo)準(zhǔn)差,X′ij為處理后的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù),具體處理結(jié)果見式(3).X=[0.0200.0500.0800.0600.0500.2000.1000.1000.3000.0260.0500.0920.0210.0500.0820.0080.0340.0800.0110.0410.0710.0160.0420.0720.0200.0490.072](2)X′=[-0.3798-0.0938-0.46260.9607-0.09381.04232.3014-2.54442.2964-0.1787-0.0938-0.3121-0.3463-0.09380.4375-0.7820-0.93800.4626-0.6814-0.56860.5378-0.5139-0.51590.5629-0.3798-0.14650.5629](3)2.2協(xié)方差矩陣?yán)盟蟮玫臉?biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)的協(xié)方差矩陣,得到協(xié)方差矩陣C為:C=[10.91150.98760.911510.87140.98760.87141](4)2.3各主成分所對(duì)應(yīng)的值及解決通過對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行計(jì)算,可求得特征值及特征向量,解釋方差及累計(jì)解釋方差.具體結(jié)果如表3所示,其中u1、u2、u3分別代表相應(yīng)主成分所對(duì)應(yīng)的特征向量.2.4作為主成分的指標(biāo)一般取累計(jì)解釋方差達(dá)85%以上即可作為主成分,從表3可以看出第一主成分的解釋方差已超過94%,可認(rèn)為第一主成分即可反映原變量的主要信息.2.5污染物的主要來源通過以上分析可知,只需求得第一主成分即可表示原變量的主要信息,所以可得:Y1=X′u1=(0.5446-1.1167-4.11960.33910.51031.25691.03330.91960.6325)按Y1由小到大順序排列,得到的結(jié)果為:Y13<Y12<Y14<Y15<Y11<Y19<Y18<Y17<Y16即:三級(jí)<二級(jí)<2001<2002<一級(jí)<2006<2005<2004<2003根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果,可判斷福州市2001—2006年大氣環(huán)境質(zhì)量狀況從優(yōu)到劣依次為2003年、2004年、2005年、2006年、2002年、2001年.由于2003年、2004年、2005年、2006年的大氣環(huán)境質(zhì)量優(yōu)于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的最低界限,故2003—2006年環(huán)境質(zhì)量都屬于一級(jí),而2002年、2001年的大氣環(huán)境質(zhì)量介于第一、二等級(jí)間,故應(yīng)屬于二級(jí).從第一主成分的特征向量構(gòu)成特征來看,SO2、NOx、TSP3種污染物在整個(gè)大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)比中所占比重相當(dāng),且都是負(fù)載荷,都對(duì)大氣環(huán)境起著污染作用,所以對(duì)3種污染物的治理都應(yīng)放到同等重視的程度上來.對(duì)污染物的治理當(dāng)從源頭抓起,由于SO2主要由燃煤及燃料油等含硫物質(zhì)燃燒產(chǎn)生,所以其污染源主要來自工廠排出的廢氣;NOx污染源則主要來自生產(chǎn)、生活中所用的煤、石油等燃料燃燒的產(chǎn)物及工廠排出的廢氣;TSP主要來源于煤及其他燃料的不完全燃燒而排出的煤煙以及工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵、建筑和交通揚(yáng)塵、風(fēng)的揚(yáng)塵等.針對(duì)3種污染物來源,相應(yīng)的治理應(yīng)當(dāng)從以下4個(gè)方面著手:開發(fā)使用新能源;制訂相應(yīng)節(jié)能減排措施;升級(jí)傳統(tǒng)工藝技術(shù);植樹造林.通過以上的分析可得出福州市從2001年至2003年間大氣環(huán)境質(zhì)量逐漸得到提高的原因與政府加強(qiáng)環(huán)境污染治理力度,采取相應(yīng)環(huán)保處理措施是密不可分的,且在2003年環(huán)境質(zhì)量達(dá)到研究時(shí)段的最高水平,并遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于大氣質(zhì)量一級(jí)要求.雖然從2003年以后空氣質(zhì)量與2001年、2002年相比也有較大的改善,但是2004—2006年空氣質(zhì)量卻呈逐年下降趨勢(shì),這可能是由于相關(guān)企業(yè)在忙于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)忽略了環(huán)境保護(hù)的重要性.另外,汽車數(shù)量的迅速增加,大量工程的興建,植被遭到破壞等也是導(dǎo)致大氣環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)下降的重要因素,因此,政府部門應(yīng)當(dāng)繼續(xù)加大監(jiān)管力度,避免環(huán)境質(zhì)量繼續(xù)惡化.2.6與其他方法對(duì)比為了檢驗(yàn)主成分分析法的合理性,通過與改進(jìn)密切值法、模糊物元法及灰色聚類法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較(表4),發(fā)現(xiàn)主成分分析法與另外3種方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致,僅與改進(jìn)密切值法在2006年得到的評(píng)價(jià)結(jié)果有所差異,但這并不影響對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量整體趨勢(shì)的把握,同時(shí),這也證明了利用主成分分析法在評(píng)價(jià)大氣環(huán)境質(zhì)量方面的可行性.3主成分分析法的應(yīng)用1)主成分分析法應(yīng)用于福州市2001—2006年大氣環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià),得到了與模糊物元法、改進(jìn)密切值法及灰色聚類法基本相同的評(píng)價(jià)結(jié)果,說明了利用主成分分析法在大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方面的可行性.2)當(dāng)研究的問題涉及很多變量,且各變量間包含的信息