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阜新市环境空气质量模糊综合评价


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地 球 与 环 境 EA RT H A N D EN VIR ON M EN T

2011 年第 39 卷第 2 期 V ol . 39. N o. 2, 2011

阜新市环境空气质量模糊综合评价
罗根华 , 马云东 , 张 悦 , 彭
1 2 3


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br />1

( 1. 辽宁工程技术大学 资源与环境工程学院, 辽宁 阜新 123000; 2. 大连交通大 学, 辽宁 大连 116028; 3. 中冶北方工程 技术有限公司, 辽宁 鞍山 114009) 摘 要: 通过数据采集和选取主要影响因子, 建立模糊综合评价数学模型对 阜新市区 2010 年 6~ 9 月环 境空气质 量状况进行

评价, 结果表明评价期间市区月平均空气质量均达到国 家二级 标准, 属于 轻度污 染状况, 但夜 间空气 质量仅 达到国家 三级标 准。同时空气中含有相对较多的可吸入颗粒物严重损害了人体健康。 关键词: 总悬浮颗粒物; 环境空气质量; 模糊综合评价 中图分类号: X 823 文献标识码: A 文章编号: 1672 9250( 2011) 02 0242 04

阜新市是一座以煤炭而生的城市, 城区内具有 燃煤电厂多座, 煤炭燃烧过程产生的各种污染物质 由于不能得到及时扩散和稀释, 已经严重影响了城 市居民的生活质量。采用多因子环境质量分指数和 单因子评价指数等对空气中的总悬浮颗粒物( T SP ) 和硫氧化物浓度进行评价是 20 世纪初以来主要的 评价方法, 评价结果和实际空气质量状况存在较大 误差, 虽然上述方法简单易行, 但由于评价等级很难 以一个简单的数值表示, 而模糊综合评价法客观、 全 面地表述了污染的程度, 同时具有所需数据量少、 评 分花费时间短等优点 [ 1] 。提高环境空气质量标准是 为了加强对企业污染物排放的管理, 我国在 21 世纪 前主要限排的污染物是 T SP 和 SO2 , 随着经济发展 及国民环保意识的提高, 在空气中停留时间长, 空气 动力学当量直径为 10 m 以下粒子, 对人体健康危 害更大, 而生产过程中排放的约 2 107 t 氮氧化物不 仅加重酸沉降, 而且会破坏平流层的臭氧和导致光化 学烟雾事件的发生, 已经严重危害了人类的生存环 境。本研究在采集数据的基础上通过建立模糊综合 评价模型对 2010 年 6~ 9 月间阜新市区空气质量进 行定量分析, 为提高本市空气质量提供数据基础。

虑具有相互关系的多种因素影响, 通过建立模糊子 集并对指标定量化以反映对象的等级水平 [ 2- 4] 。 为了某种特定目的对某一事物作出综合决策的 方法, 建立由( R , X , Y ) 构成的模糊综合评价数学模 型如下。 ( 1) 确定评价对象需考虑的主要因素集合: X = ( T SP , PM 10 , SO 2 , NO 2 ) ( x 1, x 2 , x 3, x 4) ( 2) 确定评价决策集合: Y = ( 级, 级, 级) ( y 1 , y2 , y 3 ) ( 3) 建立各影响因素的隶属函数和单因素评判 矩阵 R 单因素评判矩阵 R 是表征多因素评价因子 X = xi( i = 1 4) 和评价决策 Y = y i ( i = 1
R
~

~

~

~

3) 是不 Y

是存在相互关系的评价集, 定义如下: X r
~ 11

r

12

r

1m

R=

r 21 r n1

r 22 r n2

r 2m r nm

( 其中 r ij 是隶属度的

1

建立模糊综合评价数学模型
模糊综合评价是在评价指标和模糊环境下, 考

函数) ( 4) 权重系数的确定 在模糊综合评 价数学模 型中, 权重系数 A = ( a 1 , a2 , a 3 , a4 ) 是代表了人们在作出决策对不同影
~

收稿日期: 2010 11 02; 改回日期: 2010 12 21 第一作者简介: 罗根华( 1980- ) , 男, 讲师, 硕士研究生, 研究方向为大气污染控制工程。E mail : luogen hua@ 163. com

第2期

罗根华等: 阜新市环境空气质量模糊综合评价

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~

响因子的重视程度, 直接影响了评价的结果。 当允许 浓度低时, 标准越高代表了其对空气污染程度的影 响越大, 所以采用以下计算公式确定权重系数 ai = xi 1 n
n [ 5]

模糊综合评价 集 B 是 Y 的 模糊子集, 表 示为 T ~ ( A ) = B = A R。 R
~ ~ ~ ~



2
S ij

阜新市空气质量综合评价
结合国家环境空气质量标准, 确定阜新市区主

j= 1

其中: x i 是第 i 中指标在各月的实际测量值, sij 为第 i 种指标在空气质 量中的分级 标准, n 为评价分 级 数。 对各单一的评价因素进行归一化处理得到: ai = ai
m

要污染物 T SP、 可吸入颗粒物 PM 10 、 二氧化硫和氮 氧化物, 通过布点采样并对样品进行分析, 2010 年 6 ~ 9 月各主要污染物监测数据见表 1, 从表中可以看 出夜间污染物浓度明显高于白天, 一方面是由于夜 间出现逆温现象导致, 另一方面也是由于企业为节 约成本在夜间关闭除尘脱硫等设备原因。

( 其中 m 为评价因子数量) , 且 ai

ai = 1。

i= 1

( 5) 建立综合评价集
表1 2010 年 6~ 9 月主要污染物监测数据 mg/ Nm3
9月 均值 0. 2995 0. 1675 0. 0515 0. 0400 白天 0. 187 0. 073 0. 067 0. 037 夜间 0. 295 0. 138 0. 066 0. 040 均值 0. 2410 0. 1055 0. 0665 0. 0385

Table1 The monitoring data of main pollutants from 6 to 9 in 2010
污染物 白天 T SP PM 10 S O2 N O2 0. 231 0. 117 0. 051 0. 036 6月 夜间 0. 358 0. 172 0. 064 0. 043 均值 0. 2945 0. 1445 0. 0575 0. 0395 白天 0. 202 0. 094 0. 072 0. 048 7月 夜间 0. 295 0. 186 0. 075 0. 045 均值 0. 2485 0. 1400 0. 0735 0. 0465 白天 0. 256 0. 120 0. 048 0. 041 8月 夜间 0. 343 0. 215 0. 055 0. 039

2. 1

建立评价集 综合考虑 国家标准 GB3095- 1996 环境空 气

决策之间的对应关系比较明显, 在一定的区间范围 内近似一线性函数, 又由于数字越小代表环境空气 质量越好, 所以采用降半梯形分布建立其隶属度函 数[ 3] , 本文以总悬浮颗粒物 T SP 为例, 各指标的隶 属度矩阵和权重系数计算结果见表 3。
1级

质量标准 和污染物质对环境与人体健康的影响, 把 T SP、 10 、 2 和 NO2 作为评价影响因子, 见各级 PM SO 标准见表 2。
表 2 环境 空气质量标准主要污染指标 [6] Table2 Main pollution indexes of ambient air quality standard[6]
污染物 ( mg/ N m 3 ) TS P PM 10 S O2 N O2 级 0~ 0. 12 0~ 0. 05 0~ 0. 05 0~ 0. 08 级 0. 12~ 0. 3 级 0. 3~ 0. 5 取值时间

( x 1) =

1 0. 3- x 1 0. 18 0

x1

0. 12 0. 3

0. 12 < x 1 x 1 > 0. 3

( x 1 - 0. 12) / 0. 18
2级

( x 1) =

( 0. 5 - x 1 ) / 0. 2 0 0. 3 0. 5

日平均 日平均 日平均 日平均

0. 05~ 0. 15 0. 15~ 0. 25 0. 05~ 0. 15 0. 15~ 0. 25 0. 08~ 0. 12 0. 08~ 0. 12

0. 12 < x 1 0. 3 < x 1 x1

0. 12 或 x 1 > 0. 5 0 ( x 1 - 0. 3) / 0. 2 1 x 1 < 0. 3 0. 3 x1 x 1 < 0. 5 0. 5

2. 2

建立隶属函数 模糊集定义在实数域上, 模糊集的隶属函数可 2. 3

3级

(x 1 ) =

以成为模糊分布, 进而根据实际测量的数据确定分 布中所含的参数。根据表 1 和表 2, 各因素和 评价

计算综合评价矩阵 经过各因素指标权重和隶属度的计算, 将评判

244

地 球







2011 年

等级连续并定量化, 最后进行归一化处理, 按照最大 隶属原则, 判定 2010 年 6~ 9 月环境空气质量的类

别, 以 2010 年 6 月份为例, 计算结果见表 4, 同时可 以采用同样的方法得到市区夜间空气质量类别为三

表 3 2010 年 6~ 9 月各指标的隶属度矩阵和权重系数 Table3
月份 指标 T SP 6 PM 10 SO 2 NO2 T SP 7 PM 10 SO 2 NO2 T SP 8 PM 10 SO 2 NO2 T SP 9 PM 10 SO 2 NO2

Subordinate degree and weight value of each indicator from 6 to 9 in 2010
环境空气各级指标 级 0. 031 0. 055 0. 925 1 0. 286 0. 1 0. 765 1 0. 003 0 0. 985 1 0. 328 0. 445 0. 835 1 级 0. 969 0. 945 0. 075 0 0. 714 0. 9 0. 235 0 0. 997 0. 825 0. 015 0 0. 672 0. 555 0. 165 0 级 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0. 175 0 0 0 0 0 0 ( 0. 371, 0. 293, 0. 184, 0. 152) ( 0. 325, 0. 414, 0. 126, 0. 135) ( 0. 272, 0. 418, 0. 168, 0. 142) ( 0. 360, 0. 360, 0. 142, 0. 138) 权重系数( A )
~

级( 中度污染) 。
~

定, 均达到了国家 0 0 = ( 0. 142, 0. 360, 0) 0

级标准, 可以看出排出污染物中

B = A R = ( 0. 360, 0. 360, 0. 142, 0 138) 0. 031 0. 969 0. 055 0. 945 0. 925 0. 075 1 0 0
表4 2010 年 6~ 9 月阜新市区环境空 气质量 City f rom June to September in 2010
月份 6 7 8 9 级 0. 283 0. 394 0. 186 0. 47 级 0. 717 0. 606 0. 572 0. 53 级 0 0 0. 242 0 质量类别 级 级 级 级

~

~

主要是 T SP 并含有大量的可吸入颗粒物 PM 10 , 其 对城市居民特别是电厂附近的居民的身体健康非常 不利。分析原因主要有: ( 1) 随着阜新煤炭资源的枯 竭, 企业为节约成本而使用煤 质较差的煤而 造成; ( 2) 市内各大电厂安装的除尘设备以电除尘器为主, 在微小粒子( 粒径在 1 m 左右) 浓度较大时易出现 反电晕现象, 影响除尘效果, 由于布袋除尘装置对颗 粒粒径分布和浓度不敏感, 可以考虑将部分电除尘 器改成布袋除尘装置, 或者采用电袋复合除尘设备; ( 3) 除尘设备在夜间停止运行, 导致空气质量整体较 差; ( 4) 运用模糊综合评价模型对阜新市区空气质量 作出评价, 评价结果和实际空气污染状况相符, 得到 影响因子比较大的污染物质可以为相关部门采取有 效管理措施提供依据。

Table 4 The ambient air quality of Fuxin

3

结果分析和结论
从表 4 可以看出阜新市区环境空气质量比较稳


[ 1] [ 2] [ 3]







丁桑岚. 环境评价概论[ M ] . 北京: 化学工业出版社, 2001. 刘普寅, 吴孟达. 模糊理论及其应用[ M ] . 长沙: 国防科技大学出版 社, 1998. 梁保松, 曹殿立. 模糊数学及其应用[ M ] . 北京: 科学出版社, 2007.

第2期

罗根华等: 阜新市环境空气质量模糊综合评价

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[ 4] [ 5] [ 6]

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Fuzzy Comprehensive Evaluation on the Environmental Air Quality of Fuxin City
L U O Gen hua , M A Yun dong , ZH ANG Yue , P eng Fang
1 2 3 1

( 1. Schoo l of Reso urce and Env iro nment Engineering , L iao ning T echnical U niver sity , Fux in123000, China; 2. Dalian Jiao tong U niv ersity , Da lian 116028, China; 3. N or ther n Eng ineer ing and T echnolog y Cor po ratio n, A nshan 114009, China; ) Abstract: Based on the data collection and majo r influence factor s, a fuzzy co mpr ehensive evaluat ion mathemat ical model has been established to ev aluate the enviro nmental air qualit y o f F ux in Cit y fr om June to September in 2010. T he results show ed that the air quality belongs to slig ht contaminatio n and reached Class betw een June and September in 2010, the air qualit y o nly reached Class human health. Key words: t otal suspended particulate mat ter; env iro nmental a ir quality ; fuzzy co mpr ehensive ev aluation at night. A t the same time, t her e has been so much inhaled part iculate matter w hich w ill ser iously impaired


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