西安市環(huán)境空氣質(zhì)量問題

西安市環(huán)境空氣質(zhì)量問題摘要城市環(huán)境空氣質(zhì)量好壞與季節(jié)、城市能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)等因素具有十分密切的關(guān)系。本文根據(jù)已有的數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的方法，采用模糊綜合評(píng)估模型和灰色系統(tǒng)理論中的GM(1,1)模型對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)與分析是一個(gè)很具有實(shí)用價(jià)值的問題。針對(duì)問題一：先對(duì)空氣污染指數(shù)(API)和空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)是兩個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析。又由于空氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中存在著不確定性即模糊性，建立模糊綜合評(píng)估模型得出AQI準(zhǔn)則對(duì)于西安市空氣質(zhì)量的描述情況更加詳細(xì)、精準(zhǔn)、有說服性。針對(duì)問題二：通過對(duì)附件中西安的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、大氣污染物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、西安各區(qū)規(guī)模以上工業(yè)增加值以及西安氣象數(shù)據(jù)分析，采用聚類分析的方法，研究各種檢測(cè)項(xiàng)目的濃度極限，以及空氣質(zhì)量指數(shù)以及分指數(shù)，日平均濃度等對(duì)西安的空氣質(zhì)量進(jìn)行分析，得到影響西安空氣質(zhì)量的主要因素包括地理位置，氣象條件和季節(jié)性等自然因素，以及工業(yè)發(fā)展，汽車尾氣和人們生活習(xí)慣的人為因素，當(dāng)然也有一些不可預(yù)知的因素。針對(duì)問題三：通過對(duì)西安空氣質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估，找到了影響質(zhì)量的根本原因以及相關(guān)因素。數(shù)據(jù)不具有很好的規(guī)律性，無法用一個(gè)確定的函數(shù)去描述。又通過對(duì)問題的分析，我們認(rèn)為對(duì)空氣質(zhì)量的預(yù)測(cè)問題是一個(gè)針對(duì)環(huán)境系統(tǒng)的預(yù)測(cè)問題，而環(huán)境系統(tǒng)具有系統(tǒng)內(nèi)部作用因素較多，在了解構(gòu)建的模型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,參照相關(guān)信息，主要以灰色系統(tǒng)理論中的GM(1,1)模型來進(jìn)行處理。得知，西安市在未來一周，空氣質(zhì)量有惡化的跡像，不過現(xiàn)象并不明顯。AQI值基本平緩，空氣質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)輕微污染，且主要污染為PM2.5。針對(duì)問題四：綜上所述，結(jié)合影響西安空氣質(zhì)量的原因，以及空氣質(zhì)量對(duì)人們身體健康和生活的影響等多方面因素，向西安環(huán)保部門提出關(guān)于西安空氣質(zhì)量檢測(cè)和控制的合理化建議。關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量模糊綜合評(píng)估模型聚類分析GM(1,1)模型?問題重述1.1問題背景近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，以煤炭為主的能源消耗大幅攀升，機(jī)動(dòng)車保有量急劇增加，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)氮氧化物（NOx）和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放量顯著增長(zhǎng)，臭氧（03）和細(xì)顆粒物（PM2.5）污染加劇，在可吸入顆粒物（PM10）和總懸浮顆粒物（TSP）污染還未全面解決的情況下，京津冀、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲等區(qū)域PM2.5和03污染加重，灰霾現(xiàn)象頻繁發(fā)生，能見度降低，環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)以及污染治理等問題再一次引起大眾的關(guān)注。為了改善環(huán)境空氣質(zhì)量，防止生態(tài)破壞，創(chuàng)造潔凈適宜的環(huán)境，保護(hù)人體健康，我國(guó)根據(jù)《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》和《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》制定了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。研究表明，城市環(huán)境空氣質(zhì)量好壞與季節(jié)、城市能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)等因素具有十分密切的關(guān)系。根據(jù)已有的數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的方法，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)與分析是一個(gè)很具有實(shí)用價(jià)值的問題。1.2問題提出⑴請(qǐng)分別使用使用空氣污染指數(shù)（API）（舊標(biāo)準(zhǔn)）和環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）對(duì)西安市的空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)（新標(biāo)準(zhǔn)），并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析；（2）分析影響西安市空氣質(zhì)量的原因；（3）對(duì)未來一周（取2013年4月30日至5月6日）西安市空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)；（4）試就環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與控制對(duì)西安市環(huán)保部門提出建議。二?基本假設(shè)（1）附件表格中的數(shù)據(jù)具有權(quán)威性，具有使用價(jià)值。（2）考慮季度對(duì)空氣質(zhì)量的影響。（3）前一天數(shù)據(jù)不對(duì)后一天數(shù)據(jù)有影響。（4）不考慮人為因素（如工業(yè)事故）對(duì)空氣質(zhì)量的突變影響。（5）假設(shè)該市各種影響空氣質(zhì)量的軟因素（如工業(yè)發(fā)展，人口數(shù)量）保持平穩(wěn)變化。（6）不考慮突發(fā)事件即人為因素（如工業(yè)事故）造成的空氣質(zhì)量突變。

（7）假設(shè)各種因素對(duì)環(huán)境的影響最終主要表現(xiàn)在可吸入顆粒、二氧化硫、二氧化氮上，不考慮其他隨機(jī)因素的影響。三?符號(hào)說明API空氣污染指數(shù)AQI空氣質(zhì)量分指數(shù)IAQI污染項(xiàng)目的空氣質(zhì)量分指數(shù)R單因素評(píng)判矩陣Bm評(píng)判向量ai第i個(gè)因素權(quán)重bi第i個(gè)污染物銀子的實(shí)測(cè)量boi第i個(gè)因素的標(biāo)準(zhǔn)允許值B灰色預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)矩陣X(o)AQI歷史數(shù)據(jù)時(shí)間序列AXAQI預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)四、問題分析4.1問題一的分析空氣污染指數(shù)（API）和空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）是兩個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)。API根據(jù)各項(xiàng)污染物的濃度限值，主要分為兩個(gè)級(jí)別，一級(jí)和二級(jí);而AQI則依據(jù)空氣質(zhì)量分指數(shù)IAQI分為六級(jí)。API指數(shù)評(píng)價(jià)制度具有較大的局限性，其主要原因是API空氣質(zhì)量分級(jí)制具有跨度較大的特點(diǎn)。新的評(píng)價(jià)體制AQI充分地考慮到對(duì)信息的最大程度利用與對(duì)空氣質(zhì)量的綜合客觀分析。通過兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)西安的空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析?？諝猸h(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)工作較為繁瑣,因?yàn)橛绊懣諝赓|(zhì)量的因素較多，由于空氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中存在著不確定性即模糊性，因此用模糊綜合評(píng)價(jià)方法更為合理。模糊綜合評(píng)價(jià)不僅考慮多因素的影響,而且評(píng)價(jià)結(jié)果包含較多的信息，利用最后的綜合評(píng)判值可以判定評(píng)價(jià)結(jié)果的等級(jí)。4.2問題二的分析參看附件中西安的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、大氣污染物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、西安各區(qū)規(guī)模以上工業(yè)增加值以及西安氣象數(shù)據(jù)，再通過建立合適的模型，研究各種檢測(cè)項(xiàng)目的濃度極限，以及空氣質(zhì)量指數(shù)以及分指數(shù)，日平均濃度等對(duì)西安的空氣質(zhì)量進(jìn)行分析，從根本上得出在影響空氣質(zhì)量的原因。4.3問題三的分析空氣環(huán)境質(zhì)量的預(yù)測(cè)也充滿了不確定性，這都與所處的地帶，城市的重、輕工業(yè)發(fā)展情況以及城市環(huán)境保護(hù)情況等許多因素密切相關(guān)，是一項(xiàng)比較復(fù)雜的問題。因此，在空氣環(huán)境質(zhì)量趨勢(shì)預(yù)測(cè)時(shí),可以選定每年的空氣環(huán)境質(zhì)量的模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)作為基本數(shù)據(jù)，由于灰色預(yù)測(cè)GM（1,1）模型對(duì)小樣本、貧信息能作出精確的預(yù)測(cè)，因而采用此模型對(duì)空氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。通過對(duì)西安空氣質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估，找到了影響質(zhì)量的根本原因以及相關(guān)因素。數(shù)據(jù)不具有很好的規(guī)律性，無法用一個(gè)確定的函數(shù)去描述。又通過對(duì)問題的分析，我們認(rèn)為對(duì)空氣質(zhì)量的預(yù)測(cè)問題是一個(gè)針對(duì)環(huán)境系統(tǒng)的預(yù)測(cè)問題，而環(huán)境系統(tǒng)具有系統(tǒng)內(nèi)部作用因素較多，在了解構(gòu)建的模型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，參照相關(guān)信息，結(jié)合以前西安實(shí)際情況，對(duì)未來一周西安的空氣質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。4.4問題四的分析結(jié)合影響西安空氣質(zhì)量的原因，以及空氣質(zhì)量對(duì)人們身體健康和生活的影響等多方面因素，向西安環(huán)保部門提出關(guān)于西安空氣質(zhì)量檢測(cè)和控制的合理化建議。五、模型建立與求解5.1數(shù)據(jù)分析及API與AQI準(zhǔn)則評(píng)估為了對(duì)西安市各地區(qū)空氣質(zhì)量的狀況做出科學(xué)客觀的評(píng)價(jià)，基于附錄資料分別使用空氣污染指數(shù)（API）和環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）對(duì)西安市歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。并建立模糊綜合評(píng)判體系，對(duì)API、AQI的結(jié)果作出比較分析?；诟郊?shù)據(jù)（附件5：西安市大氣污染物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）對(duì)西安市2013年全市平均數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)于2010年至2013年全市平均數(shù)據(jù)的如下折線圖：

圖民2蟻圖民2蟻I等級(jí)結(jié)合上述圖像得到：自2013年1月起可得，無論API準(zhǔn)則、還是AQI準(zhǔn)則,污染情況中度以上等級(jí)比例較多，可得西安市的空氣質(zhì)存在污染隱患。對(duì)于API準(zhǔn)則曲線，空氣質(zhì)量指數(shù)在區(qū)間［100,1000］內(nèi)波動(dòng)，非常不穩(wěn)定。同時(shí)在區(qū)間值400以上的數(shù)據(jù)較大。對(duì)于AQI準(zhǔn)則曲線，空氣質(zhì)量指數(shù)在區(qū)間［100,500］內(nèi)波動(dòng)，曲線相對(duì)穩(wěn)定。且因?yàn)闇?zhǔn)則中包含PM2.5等項(xiàng)，使得結(jié)果涉及較全面，更具有說服性。比較AQI與API兩曲線，可得API曲線波動(dòng)過大，評(píng)定等級(jí)所用數(shù)據(jù)少、較粗糙。由圖像可知.AQI的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)明顯比API的等級(jí)更加細(xì)膩。所以AQI準(zhǔn)則對(duì)于西安市空氣質(zhì)量的描述情況更好。5.1.2建立模糊綜合評(píng)估模型［1］為了對(duì)西安市各地區(qū)空氣質(zhì)量的狀況做出科學(xué)客觀的評(píng)價(jià)，基于模糊綜合評(píng)判體系，結(jié)合空氣質(zhì)量不同級(jí)別之間的過渡性，通過建立隸屬度函數(shù)，對(duì)單因素污染指標(biāo)分別求出屬于各等級(jí)的隸屬度，建立單因素評(píng)判矩陣，確定權(quán)重向量,運(yùn)用M(?,+)加權(quán)平均模型得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。從而進(jìn)一步說明API準(zhǔn)則與AQI準(zhǔn)則的優(yōu)缺性。(1)因素集的確定目前我們知道，影響空氣污染指數(shù)的主要因素較多，根據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)(AQI)以及空氣污染指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)(API)，API需測(cè)三個(gè)因素，包括二氧化硫(SO2)，二氧化氮(NO2)，可吸入顆粒物(PM10)三項(xiàng)，AQI包括五個(gè)因素，其中有二氧化硫(SO2)，二氧化氮(NO2)，可吸入顆粒物(PM10)，細(xì)顆粒物(PM2.5)，臭氧(03)，因而可以建立一個(gè)具有五項(xiàng)的因素集：U二位(沁人叢U二位(沁人叢叢(？財(cái)、壓?)｝「。因API與AQI所含污染因素?cái)?shù)目不同，對(duì)應(yīng)二者分別建立含3個(gè)、5個(gè)因素的模糊評(píng)判規(guī)則。隨著環(huán)境保護(hù)工作的深入和監(jiān)測(cè)技術(shù)水平的提高，可再適當(dāng)增加其它監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，以便更為客觀地反映污染狀況。

(2)對(duì)于API(三種污染因素)，依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，將空氣質(zhì)量分為三級(jí)：評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下表：ftaiapi空氣質(zhì)量檢31標(biāo)準(zhǔn)(誑度單也，ng/iD3*日)sozno2一級(jí)0.C50.080.05二級(jí)0.150.080.15三級(jí)0.250.120.2S⑶評(píng)語等級(jí)的確定：論域VI,VI=(vl,v2,V3)。通常評(píng)語有V1=(—級(jí)，二級(jí)，三級(jí));對(duì)單項(xiàng)污染指標(biāo)分別求出屬于各等級(jí)的隸屬度，組成單因素評(píng)判矩陣R(5)rururiz00.20630.7937R=r21加=0.29SS0.250.4545_厲18.0387604340.4785.(1)(6)確定權(quán)重向量。考慮到各因素對(duì)空氣總污染程度的影響與其實(shí)測(cè)值有關(guān)，其實(shí)測(cè)值的大小反映了對(duì)空氣狀況影響的大小。因此，各因素的權(quán)重取如下形式：式中，(其中boi為第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容許值，參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)(GB3095--1996)》標(biāo)準(zhǔn)取值)得到權(quán)重AAPI=(0.3725740.3492880.278138)(7)合成權(quán)重向量A和單因素評(píng)判矩陣R,判斷等級(jí)，為了兼顧所有的因素，合成運(yùn)算M(?，+)算子，得到評(píng)判向量=A*R=[0.21100.20150.5876]而對(duì)于AQI(五中主要的污染因素)空氣質(zhì)量分為六級(jí)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表如下:*5.2AQI比：mg/m1}so2N6PMiQPMz.5Q一級(jí)0.050M0.05O'.0350.16二級(jí)0.150.080.15O'.0750.2三級(jí)0.4750.180.250.11503四級(jí)D.80.280350.150.4五級(jí)1.60.5650.420.250.8六級(jí)2.10.750.5O'.351.0〔備注：so^no^pm^pm^s是按照每日的平均算的.6是按照每小時(shí)平均算的)確定AQI的評(píng)價(jià)集V2，V2=(v1,v2,v3,v4,v5,v6)，通

常評(píng)語如V2=（一級(jí)，二級(jí)，三級(jí)，四級(jí)，五級(jí)，六級(jí)）（10）對(duì)單項(xiàng)污染指標(biāo)分別求出屬于各等級(jí)的隸屬度，組成單因素評(píng)判矩陣R■^11…金R=:*一如…忌「（11）確定權(quán)重向量?？紤]到各因素對(duì)空氣總污染程度的影響與其實(shí)測(cè)值有關(guān),其實(shí)測(cè)值的大小反映了對(duì)空氣狀況影響的大小。因此，各因素的權(quán)重取如下形式：（其中boi為第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容許值，參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095—1996）》標(biāo)準(zhǔn)取值）得到權(quán)重A=（0.1060.1660.2470.1520.289）（12）合成權(quán)重向量A和單因素評(píng)判矩陣R,判斷等級(jí)，為了兼顧所有的因素，合成運(yùn)算M（?，+）算子，得到評(píng)判向量=A*R=A*R={0.%000.53180.36710.28050.25580.1979}5.2模糊評(píng)價(jià)模型應(yīng)用：（模型求解結(jié)果）依照上面的模型和算法，因附錄數(shù)據(jù)共涉及13個(gè)地區(qū)，按各區(qū)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，聚類分析得如下三種“環(huán)境空氣功能區(qū)分類”：第一類（旅游生態(tài)區(qū)、居住旅游生態(tài)區(qū)）：曲江文化集團(tuán)、臨潼、廣運(yùn)潭；第二類（綜合新區(qū)、商貿(mào)旅游服務(wù)區(qū)、文教科研區(qū)）：高壓開關(guān)廠、興慶小區(qū)、市人民體育場(chǎng)、長(zhǎng)安區(qū)、小寨；第三類：（高新區(qū)，國(guó)防軍工區(qū)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)區(qū)）：紡織城、高新、閻良、經(jīng)開區(qū)、草灘?；谀：u(píng)價(jià)體系，對(duì)每一類功能區(qū)取一個(gè)地區(qū)進(jìn)行分析：（一）第一類：（以“廣運(yùn)潭地區(qū)”為例）對(duì)應(yīng)API模糊評(píng)價(jià)：結(jié)合附錄5數(shù)據(jù)，合成權(quán)重向量A和單因素評(píng)判矩陣R，判斷等級(jí)。兼顧所有因素，合成運(yùn)算M（?，+）算子，得到評(píng)判向量：二A*R=,0.58760.20150.2110-其中0.5876數(shù)值最大，由最大隸屬讀原則，廣運(yùn)潭地區(qū)空氣質(zhì)量為一級(jí)。運(yùn)用API標(biāo)準(zhǔn)所得廣運(yùn)潭地區(qū)的空氣質(zhì)量為：API=MAX*I二氧化硫,I二氧化氮，IPM10+=MAX*28，25，74+=74（對(duì)應(yīng)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）對(duì)應(yīng)AQI模糊評(píng)價(jià)：[A*R],0.19170.57780.36090.37000.23670.1801由最大隸屬度原則，廣運(yùn)潭地區(qū)空氣質(zhì)量為二級(jí)，污染情況趨于上等水平。運(yùn)用AQI標(biāo)準(zhǔn)[AQI=MAX*IAQI1，IAQI2，IAQI3，IAOI4，IAQI5]242對(duì)應(yīng)AQI的第二級(jí)，環(huán)境為良，對(duì)健康影響情況：空氣質(zhì)量可接受，但某些污染物可能對(duì)極少數(shù)異常敏感人群健康有較弱影響，此類人群應(yīng)堅(jiān)守戶外運(yùn)動(dòng)。（二）第二類（以高壓開關(guān)廠為例）：對(duì)應(yīng)API模糊評(píng)價(jià)：結(jié)合附錄5數(shù)據(jù)，合成權(quán)重向量A和單因素評(píng)判矩陣R,判斷等級(jí)。兼顧所有因素，合成運(yùn)算M（?+）算子，得到評(píng)判向量［B=A*R=0.66280.23710.1001］其中0.6628數(shù)值最大，由最大隸屬讀原則，高壓開關(guān)廠空氣質(zhì)量為第一級(jí)，環(huán)境狀況不錯(cuò)。運(yùn)用API標(biāo)準(zhǔn)所得高壓開關(guān)廠的空氣質(zhì)量為：API=二氧化血，【二氧化附［pmio}=88（對(duì)應(yīng)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）〔可對(duì)應(yīng)AQI模糊評(píng)價(jià)：'由最大隸屬度原則，高壓開關(guān)廠空氣質(zhì)量為三級(jí)，污染情況趨于中上水。運(yùn)用AQI標(biāo)準(zhǔn)AQI=MAX*IAQI1，IAQI2，IAQI3，IAOI4，IAQI5+=308。對(duì)應(yīng)AQI的第三級(jí)，環(huán)境為輕度污染，對(duì)健康影響情況：易感人群癥狀有輕度加劇，健康人群出現(xiàn)刺激癥狀。建議采取措施：兒童、老年人及心臟病、呼吸系統(tǒng)疾病患者應(yīng)減少長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的戶外鍛煉。（三）第三類（以草灘地區(qū)為例）對(duì)應(yīng)API模糊評(píng)價(jià)：結(jié)合附錄5數(shù)據(jù)，合成權(quán)重向量A和單因素評(píng)判矩陣R，判斷等級(jí)。兼顧所有因素，合成運(yùn)算M（?+）算子，得到評(píng)判向量：B=A*R=,0.10290.58890.2821-其中0.5889數(shù)值最大，由最大隸屬讀原則，草灘地區(qū)空氣質(zhì)量為第二級(jí)，環(huán)境狀況不錯(cuò)。運(yùn)用API標(biāo)準(zhǔn)所得廣運(yùn)潭地區(qū)的空氣質(zhì)量為：API=MAX{I_二氧化硫，，I_二氧化氮，I_PM10}=MAX*2825，74+=87（對(duì)應(yīng)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）對(duì)應(yīng)AQI模糊評(píng)價(jià)：［A*R,0.34000.33180.56710.23070.25110.1979］由最大隸屬度原則，草灘空氣空氣質(zhì)量為三級(jí)，污染情況趨于中上水平。運(yùn)用AQI標(biāo)準(zhǔn)AQI=MAX{IAQI1，IAQI2，IAQI3，IAOI4，IAQI5}=321對(duì)應(yīng)AQI的第四級(jí)，環(huán)境為中度污染，對(duì)健康影響情況：進(jìn)一步加劇易感人群癥狀，可能對(duì)健康人群心臟、呼吸系統(tǒng)有影響。建議采取的措施：兒童、老年人及心臟病、呼吸系統(tǒng)疾病患者避免長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的戶外鍛煉、一般人群適量減少戶外運(yùn)動(dòng)。（四）總體（西安市平均數(shù)據(jù)）：對(duì)應(yīng)API模糊評(píng)價(jià)：結(jié)合附錄5數(shù)據(jù)，合成權(quán)重向量A和單因素評(píng)判矩陣R，判斷等級(jí)。兼顧所有因素，合成運(yùn)算M（?，+）算子，得到評(píng)判向量：B=A*R=,0.05940.51580.4248-其中0.5158數(shù)值最大，由最大隸屬讀原則，草灘地區(qū)空氣質(zhì)量為第二級(jí)。運(yùn)用API標(biāo)準(zhǔn)所得廣運(yùn)潭地區(qū)的空氣質(zhì)量為：二氧化硫,，I二氧化氮，IPM10+=94（對(duì)應(yīng)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）對(duì)應(yīng)AQI模糊評(píng)價(jià)：=A*R=,0.46000.53180.36710.28050.25580.1979-由最大隸屬度原則，西安市空氣質(zhì)量為二級(jí)，但此二級(jí)遠(yuǎn)比API等級(jí)更加精確。運(yùn)用AQI標(biāo)準(zhǔn)AQI=MAX*IAQI1,IAQI2,IAQI3,IA0I4,IAQI5+=271對(duì)應(yīng)AQI的第三級(jí)，環(huán)境為輕度污染，對(duì)健康影響情況：易感人群癥狀有輕度加劇，健康人群出現(xiàn)刺激癥狀。建議采取措施：兒童、老年人及心臟病、呼吸系統(tǒng)疾病患者應(yīng)減少長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的戶外鍛煉?？傮w來看，單獨(dú)考慮API與AQI的折線情況不足以體現(xiàn)各自準(zhǔn)則的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合本文的模糊評(píng)判體系，分別對(duì)含三個(gè)因素和五個(gè)因素的情況處理數(shù)據(jù)如上，對(duì)API與AQI結(jié)果作對(duì)比，可得：（1）.AQI準(zhǔn)則的評(píng)估結(jié)果往往比API結(jié)果更加精細(xì)，且與本文的模糊評(píng)判體系更接近。（2）?三個(gè)地區(qū)的API評(píng)估結(jié)果均為二級(jí)，無法體現(xiàn)出其差異性。但通過AQI評(píng)判體系，則將這三個(gè)地區(qū)更加精細(xì)的劃分給第二、三、四級(jí)，環(huán)境對(duì)應(yīng)為良、輕度污染、重度污染，更加精細(xì)化。（3）.AQI囊括的污染因素比API多，且AQI共劃分了詳細(xì)的六個(gè)等級(jí)：優(yōu)（一級(jí)）、良（二級(jí)）、輕度污染（三級(jí)）、中度污染（四級(jí)）、重度污染（五級(jí)）、嚴(yán)重污染（六級(jí)），所以AQI準(zhǔn)則對(duì)于西安市空氣質(zhì)量的描述情況更加詳細(xì)、精準(zhǔn)、有說服性。故而，雖然API與AQI準(zhǔn)則各具特色，但AQI更加全面、科學(xué)、細(xì)致，優(yōu)于API準(zhǔn)則。5.3影響西安空氣質(zhì)量的原因基于第一問的模糊模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行聚類分析，根據(jù)這些地區(qū)的地理區(qū)域和功能特征將西安13個(gè)地區(qū)分為三類特征地域類別，并在每一個(gè)特征區(qū)域里邊選取其中一個(gè)代表性的地方進(jìn)行分析，選取的場(chǎng)地分別是廣運(yùn)潭，高壓開關(guān)廠，草灘，依據(jù)模糊評(píng)價(jià)體系，對(duì)每一個(gè)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)結(jié)論，AQI的標(biāo)準(zhǔn)更加完善，所以我們?cè)谙旅娴脑蚍治鲋?，只要依?jù)AQI的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，可以對(duì)西安三個(gè)代表性城市的進(jìn)行一個(gè)較為準(zhǔn)確的分析。西安市位于關(guān)中盆地中部秦嶺北麓，四季冷暖干濕分明，春季升溫迅速，干燥多風(fēng);夏季炎熱高。氣候條件在一定程度上會(huì)對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生不可預(yù)知的影響，例如沙塵暴天氣，會(huì)急劇增加空氣中的可吸入顆粒物和細(xì)微顆粒物，陜西省西安市位于黃河流域中部的關(guān)中盆地，南有我國(guó)地理上北方與南方的重要分界——秦嶺，北有黃土高原，西部開闊平坦，東南部狹窄，獨(dú)特的地形地貌使西安市具有獨(dú)特的大氣污染特點(diǎn)。西安市的首要空氣污染物一直是可吸入顆粒物（PM10），其年均濃度依然超過2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。春季頻繁出現(xiàn)的沙塵天氣在很大程度上決定著PM10的濃度，也就嚴(yán)重影響著西安市的空氣質(zhì)量。氣候條件對(duì)空氣質(zhì)量有著不容忽視的作用和影響。其次，在西安高強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，需要消耗大量的能源。在煤炭、石油、瓦斯和其它燃料的燃燒過程中，要排放二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害氣體和顆粒狀物質(zhì)。當(dāng)其排放量超過空氣的自凈能力時(shí)，就會(huì)造成城市大氣污染，改變大氣的組成部分，影響城市空氣的透明度。然而根據(jù)氣候季節(jié)的變化，這些有害氣體和顆粒物的排放量也是不一樣的，如圖表3,冬季燒煤取暖，釋放大量的污染物，冬季明顯高于夏季。圏瓦32012.4到1013.4之間每月AQI分布圖5.3可以看出，冬春季節(jié)重于夏秋季節(jié)，這主要是由冬季取暖和不利氣象條件造成的，11月，12月，1月，2月西安空氣污染較為嚴(yán)重，6?9月空氣污染物濃度較低，與月平均氣溫變化具有較好的反相關(guān)性。季節(jié)性中對(duì)空氣質(zhì)量有一個(gè)很重要影響的是風(fēng)，風(fēng)速的大小和大氣稀釋擴(kuò)散能力的大小存在著直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而對(duì)污染物濃度產(chǎn)生影響。西安市空氣污染之所以如此嚴(yán)重，主要是因?yàn)榻陙砦靼彩薪?jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，煤炭、石油等能源大量使用，而相關(guān)的治理技術(shù)設(shè)備還不夠完備，致使排放到空氣中的SO2，NO2的量也大大增加。西安是以燃煤為主的煤煙污染型城市，冬春季是燃燒消耗的高峰期，加之天然氣、秸桿等燃燒過程，這就使得冬春季SO2和NO2的排放量遠(yuǎn)超過夏秋季。污染物濃度具有明顯的季節(jié)性變化特征，但是PM10沒有SO2和NO2明顯。加上地面溫度低，大氣對(duì)流不活躍，大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，降雨少，關(guān)照較弱，逆溫現(xiàn)象比率較大，不利于大氣污染物濃度的擴(kuò)散，以至于導(dǎo)致污染物的濃度不斷上升。ffl5.4西安市每季度Mil平均折饑圖同時(shí)，通過圖5.3和圖5.4可以看出，同期數(shù)據(jù)明顯有差異，2012年4月的AQI值和2013年的AQI值存在懸殊，以及2011年到2012年這段時(shí)間API值隨著時(shí)間的推移也是在不斷增加，這一點(diǎn)主要的原因隨著時(shí)間的推移，能源需求量不斷增加，導(dǎo)致能源消耗加快，釋放更多的有害氣體，對(duì)空氣造成更為嚴(yán)重的污染和破壞。生活水平不斷的同時(shí)，生活需求量提升，汽車等交通設(shè)施的數(shù)量也呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，尾氣排放量主要成分是NO2,而且尾氣排放量在空氣污染的影響里邊也是占有相當(dāng)大的比重，私家車數(shù)量出行，高峰季節(jié)性的出行，空氣質(zhì)量會(huì)呈現(xiàn)明顯高于平時(shí)的數(shù)據(jù)，各種污染物的含量也是隨著升高了，空氣質(zhì)量等級(jí)升高,質(zhì)量下降，從中我們可以看出經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)空氣質(zhì)量也一定程度上的變壞。圖5.5各地區(qū)2013年第一季度AQI分布圖觀察圖5.5,不難發(fā)現(xiàn)，2013年這13個(gè)地區(qū)的AQI值具有明顯的區(qū)別。依照第一問的聚類分析問題，這幾個(gè)地方，我們選擇廣運(yùn)潭，高壓開關(guān)廠和草灘三個(gè)具有代表性的地方，依據(jù)空氣質(zhì)量指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)(AQI)進(jìn)行對(duì)比分析，由第一問知道：廣運(yùn)潭地區(qū)：對(duì)應(yīng)AQI=242的五級(jí)，為重度污染取高壓開關(guān)廠：對(duì)應(yīng)AQI=308的六級(jí)，為嚴(yán)重污染草灘：對(duì)應(yīng)AQI=321的六級(jí)，為嚴(yán)重污染綜上所述，影響西安空氣質(zhì)量的主要因素包括地理位置，氣象條件和季節(jié)性等自然因素，以及工業(yè)發(fā)展，汽車尾氣和人們生活習(xí)慣的人為因素，當(dāng)然也有一些不可預(yù)知的因素。5.3灰色預(yù)測(cè)中的GM(1,1)模型5.1.1.灰色系統(tǒng)概念的簡(jiǎn)介系統(tǒng)的定義是指，由客觀世界中相同或相近事物的因素按一定的秩序相互關(guān)聯(lián)，相互制約而構(gòu)成的一個(gè)整體，在系統(tǒng)的分類中，具有充足的信息量，系統(tǒng)內(nèi)部各因素作用關(guān)系明確，定量描述方便的系統(tǒng)稱為白色系統(tǒng)，反之，若系統(tǒng)內(nèi)部特性全部未知的系統(tǒng)成為黑色系統(tǒng)，介于白色與黑色系統(tǒng)之間的稱為灰色系統(tǒng)。根據(jù)3.2的分析，空氣環(huán)境系統(tǒng)就可以被描述成一個(gè)灰色系統(tǒng)。5.2.2灰色預(yù)測(cè)方法GM(1,1)簡(jiǎn)介灰色預(yù)測(cè)方法是利用灰色模型對(duì)系統(tǒng)行為特征發(fā)展變化規(guī)律進(jìn)行估計(jì)預(yù)測(cè)，同時(shí)也可以對(duì)行為特征的異常發(fā)生的時(shí)刻進(jìn)行估算。其具體的方法如下文所述。

設(shè)已知參考數(shù)據(jù)列為x(0)二(x(0)(l),x(0)(2),…,x(0)(n))對(duì)其做1次累加。生成一個(gè)新的數(shù)據(jù)列：x⑴=(x(i)(l),x(i)(2),…x(i)(n))(其中:x(1)(1)=(x(0)(1),x(i)(k)=丈x(0)(i))i=1于是可以得到這個(gè)灰色預(yù)測(cè)的白化微分方程模型dx⑴7+ax⑴=bdt(其中，a為發(fā)展灰度，b為控制灰度，可用最小二乘法解出參數(shù)估計(jì)值)于是分該微分方程有特解：(t+1)=(x(0)(1)--)te-at+b

aa則有預(yù)測(cè)值數(shù)列x(0)(k+1)：x(0)(x(0)(k+1)=x⑴(k+1)-x(1)(k)=(x(0)(1)--)Qe—ak-e-a(k-1))5?2?3模型的建立首先，結(jié)合歷年API數(shù)據(jù)值，對(duì)西安四月份的API平均值做一個(gè)科學(xué)合理的預(yù)測(cè)。通過過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，我們認(rèn)為，對(duì)第a個(gè)月API平均值預(yù)測(cè)最有價(jià)值的有兩類數(shù)據(jù)，第一類是同一年前m個(gè)月中，每個(gè)月的API平均值，這m個(gè)平均值的集合，我們稱之為橫向預(yù)測(cè)因子A，第二類是前n年(即n是距離2010年的年數(shù))中，每一年中的同一個(gè)月的API平均值，這n個(gè)平均值，我們稱之為縱向預(yù)測(cè)因子B。問題轉(zhuǎn)化為以預(yù)測(cè)因子中元素為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)問題。以A中的元素作為參考數(shù)據(jù)列，根據(jù)上述GM(1,1)算法，編制MATLAB程序(見附錄)給出第a個(gè)月的一個(gè)預(yù)測(cè)值，稱之為橫向預(yù)測(cè)值，記做G，又以B中的An個(gè)元素作為縱向預(yù)測(cè)值，記做G。B以這n+1個(gè)預(yù)測(cè)值為元素，構(gòu)造預(yù)測(cè)向量G=(G,G,G…G)AB1B2Bn顯然，G中的每一個(gè)元素對(duì)最終預(yù)測(cè)值G都有一定的預(yù)測(cè)價(jià)值，但價(jià)值的大a小不同，但根據(jù)時(shí)效性必有合理的做法是分配權(quán)重，并根據(jù)已知的月份數(shù)據(jù)值計(jì)算權(quán)重的大小。設(shè)權(quán)重向量為W，此時(shí)W為lx(n+1)向量。即：W=(w,w,ww)123n+1因此，最終的預(yù)測(cè)值：G=GWta現(xiàn)在，給出一種根據(jù)已知月份數(shù)據(jù)，合理分配權(quán)重值的方案，根據(jù)題目的實(shí)際情況，在計(jì)算權(quán)重時(shí)，我們?nèi)二5,n二5，且這個(gè)月的API實(shí)際平均值已知，記做Gz先利用已知的數(shù)據(jù)，利用上述算法計(jì)算出這個(gè)月的最終預(yù)測(cè)值G，關(guān)于六個(gè)權(quán)重a值w的表達(dá)式G(W)，a再定義預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差值：C(W、(G(W)-G)2Q(W)=(片)2Gz顯然，合理的權(quán)重分配方案應(yīng)使Q取最小值，為了提高精確度多取幾個(gè)已知數(shù)據(jù)的月份分析，不妨令a二6,7,8,9,10并計(jì)算使相對(duì)誤差和取得最小值(工0=min)時(shí)的權(quán)重向量，即為最合理的權(quán)重分配方案。那么，我們就能給出西安市API平均指數(shù)的最終預(yù)測(cè)值G=GWta西安市空氣污染物主要有S02、N02、PM10、PM2.5等，由問題一、二我們可知對(duì)西安市空氣而言，對(duì)AQI影響較大的是PM10與PM2.5將已得到的2013.4.26―-2013.4.1的所有PM10—IAQI值建立灰色預(yù)測(cè)模型，通過灰色預(yù)測(cè)對(duì)這些離散AQI值進(jìn)行估計(jì)，得到一個(gè)擬合函數(shù)曲線，將曲線延長(zhǎng)，代入時(shí)間為4.30--5.6，得到未來一周西安市空氣質(zhì)量AQI的值。PM2.5-IAQI300口*300口*「口f「口25L口丹匚寸、口套寸-口月匚寸L口套寸—口已匚寸-口匸匚寸口岀匚寸L口口匚寸-口負(fù)寸'口耳寸口乍一二Irl二寸50D圖曲分布圖將已得到的2013.4.26---2013.4.1的所有PM2.5—IAQI值建立灰色預(yù)測(cè)模型，通過灰色預(yù)測(cè)對(duì)這些離散AQI值進(jìn)行估計(jì)，得到一個(gè)擬合函數(shù)曲線，將曲線延長(zhǎng)，代入時(shí)間為4.30--5.6，得到未來一周西安市空氣質(zhì)量AQI的值。AQI25020D15025020D150100T—Mil口f倍口巴苗口二斎口￡口刃匚寸口肩匚寸口勺匚寸口昌匚寸口負(fù)寸口2寸口：匚寸口曽匚寸口口匚寸口g寸口上守口二守50D圖5.io戌ai分布圖將已得到的2013.4.26―-2013.4.1的所有AQI值建立灰色預(yù)測(cè)模型，通過灰色預(yù)測(cè)對(duì)這些離散AQI值進(jìn)行估計(jì)，得到一個(gè)擬合函數(shù)曲線，將曲線延長(zhǎng),代入時(shí)間為4.30--5.6，得到未來一周西安市空氣質(zhì)量AQI的值。由圖可知，未來一周內(nèi)，PM10含量越來越少，且其IAQI較PM2.5小，對(duì)空氣的影響越來越小，而PM2.5對(duì)空氣的影響增強(qiáng)。在未來一周內(nèi)西安市AQI與近一個(gè)月趨勢(shì)相合AQI逐漸增加。此時(shí)的AQI僅僅考慮了空氣，實(shí)際情況下還應(yīng)考慮天氣對(duì)空氣的影響。?5.3201亂4西安市天據(jù)狀況2QJ3/4/1務(wù)云焰云21匸/此西南鳳〈級(jí)/夾北鳳總級(jí)3013/4/2陰/ffl眈/1応南鳳也蜒/■起鳳空級(jí)2013/4/3務(wù)云/爹云2272/1此夾北鳳心級(jí)/北鳳切級(jí)2013/4/4小雨/小雨1ST/9匸也甫鳳￡3級(jí)/■也鳳3-4級(jí)2QJ3/4/5務(wù)云/務(wù)云藍(lán)匸/江北鳳〈級(jí)/北鳳心級(jí)L2013/4/24晴/晴2772/1-1XL夾鳳€3蜒/夾北鳳級(jí)2013/4/25晴/晴29T/13^C東鳳心級(jí).焙鳳W瘵2013/4/26晴/晴3172/西北鳳￡3級(jí)/■衣鳳領(lǐng)級(jí)2013/4/27多云/塞云3ir/嘰東鳳心級(jí).伍鳳W瘵2013/4/2B務(wù)云/■務(wù)云3QT/1代起鳳0蜒/■起鳳0蜒由上表可以看出：在4月份中，一共28天其中有12天是晴天，11天是多云，5天有雨。而且在晴天后有連續(xù)多日晴天或多云天氣，因此可以估計(jì)在4.30―-5.6日會(huì)是晴天或多云天氣為主。天氣變換波動(dòng)并不大，因此空氣質(zhì)量會(huì)基本不變或處在一個(gè)穩(wěn)定的。結(jié)合對(duì)AQI建模得出數(shù)據(jù)，可做出如下估計(jì)：西安市在未來一周，空氣質(zhì)量有惡化的跡像，不過現(xiàn)象并不明顯。AQI值基本平緩，空氣質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)輕微污染，且主要污染為PM2.5。5.4對(duì)西安市環(huán)保部門提出建議基于2010年至今的空氣質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合問題一、二、三的模型所得結(jié)果，就環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與控制對(duì)西安市環(huán)保部門提出幾條建議。一、調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)雖然西安近幾年大力發(fā)展天然氣工程，煤炭消耗量逐年下降。但是我國(guó)約73%的發(fā)電量還是依靠燃煤電廠。煤炭燃燒產(chǎn)生了大量的二氧化硫二氧化碳等環(huán)境空氣污染物。因此，要提升空氣質(zhì)量，首先要改變這種不合理的能源結(jié)構(gòu)。在以后的能源發(fā)展過程中，必須大力發(fā)展可再生資源，清潔能源，逐漸淘汰對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染的能源。二、節(jié)能減排，提高柴油燃料價(jià)格，降低綠色燃料車輛限行，加快地鐵建設(shè)的進(jìn)度，鼓勵(lì)人們綠色出行據(jù)了解，截止目前，西安市共有各類機(jī)動(dòng)車車輛175萬輛，機(jī)動(dòng)車每年以25萬輛呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)。汽車排放尾氣成為首要要解決的環(huán)境問題。汽車排放的尾氣是PM2.