王娜+程菲雨+門曉君

摘要：隨著中國工業(yè)化和城市化進程的加快，環(huán)境問題日益嚴重。霧霾、灰霾等氣象災害肆虐，空氣污染嚴重影響了人類生產(chǎn)生活。研究城市空氣質(zhì)量現(xiàn)狀，分析空氣質(zhì)量和經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系對城市空氣質(zhì)量的改善具有指導意義。本文選取SO2、NO2等6個指標，分析2015年河北省中心城市的空氣質(zhì)量狀況。首先通過因子分析找出影響空氣質(zhì)量的主要污1染物是SO2、NO2、PM10，其中，保定、邢臺、唐山、石家莊的空氣污染比較嚴重?？諝赓|(zhì)量比較理想的城市是張家口、承德、秦皇島。然后運用K-均值聚類將河北省的11個城市進行歸類。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量 因子分析 系統(tǒng)聚類

0研究背景

城市作為人口和經(jīng)濟活動的高密度集區(qū)，其工業(yè)化和經(jīng)濟的高速發(fā)展使城市規(guī)模不斷擴大。人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生的大氣污染物的大量排放，導致空氣污染日益嚴重，霧霾、灰霾等氣象災害頻繁出現(xiàn)，給人們的生產(chǎn)生活帶來嚴重的危害，阻礙城市功能的發(fā)揮。河北省作為一個工業(yè)大省，對煤炭、石油等能源需求量較大，導致大量的顆粒物、氮氧化物和二氧化硫排放到大氣中，使得城市空氣污染日益嚴重。[3]國內(nèi)學者姜新華等采用主成分分析法對影響呼和浩特市空氣質(zhì)量的主要因素進行分析并利用方差分析研究氣象因素對空氣質(zhì)量的影響，結(jié)果表明影響空氣質(zhì)量的主要因素是PM10、CO和SO2；天氣寒冷、空氣干燥、大風對該地區(qū)的空氣質(zhì)量有顯著的影響。[1]李茜（2013年）應用回歸分析將城市2001-2010年的空氣主要污染物與經(jīng)濟指標進行擬合，結(jié)果表明隨著城市的發(fā)展，空氣中的SO2濃度呈現(xiàn)下降的趨勢，呈倒U型曲線。NO2、PM10和綜合污染指數(shù)呈U型關(guān)系。城市第二產(chǎn)業(yè)、建成區(qū)面積與城市主要污染物成正相關(guān)關(guān)系。[2]國外學者Tolga Elbir對土耳其的埃爾魯姆市的空氣污染物進行估算研究時發(fā)現(xiàn)空氣污染物主要是SO2、氮氧化物和顆粒物，主要來源是工業(yè)、交通、人類活動。

1基于因子分析和K-均值聚類河北省空氣質(zhì)量研究

1.1、因子分析

本文采用河北省各城市2015年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，將選取的SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5反映城市空氣污染程度的6個指標進行因子分析的KMO檢驗和球形Bartlett檢驗，結(jié)果為KMO值為0.728>0.7，認為空氣指標間存在著相關(guān)關(guān)系，Bartlett統(tǒng)計量的P值<0.001，在0.001顯著性水平上可以認為相關(guān)系數(shù)矩陣不是單位矩陣，即原始數(shù)適合做因子分析。 利用SPSS進行因子分析，結(jié)果顯示第一主成分包含了原始變量70%的信息，第二主成分包含了原始變量19%的信息。前兩個因子貢獻率已經(jīng)達到89.4%，且特征值大于1，包含了原始變量的大部分信息。因此提取前兩個公因子來代替原始變量。為了對主成分進行合理的解釋，給出旋轉(zhuǎn)之后的主成分。

表1旋轉(zhuǎn)成分矩陣

分析旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣可得，主成分在NO2、PM10、CO、PM2.5、SO2指標上有很大的載荷。因為NO2、PM10、CO、PM2.5、SO2指主要來源與工業(yè)生產(chǎn)和交通運輸，主成分主要反映城市工業(yè)發(fā)展帶來的空氣污染；主成分和O3有很大的相關(guān)性，城市中的O3主要由于生活中使用的制冷劑、噴霧劑等中的氟氯烴化物向大氣中排放使臭氧層遭到破壞所導致的。因此主成分是生活垃圾帶來的空氣污染。

因子得分對應原始污染指標表示為公共因子線性組合時的系數(shù)，根據(jù)表4可知因子得分函數(shù)方程如下

影響河北省城市空氣質(zhì)量的主要污染物是二氧化硫、二氧化氮、可吸入粉塵顆粒物，其中二氧化硫主要來源于含硫燃料的燃燒，工業(yè)燃油和生活燃煤常常伴隨著二氧化硫的生成。二氧化氮主要來源于汽車尾氣和工業(yè)生產(chǎn)?？晌敕蹓m顆粒主要來源于工廠廢氣未經(jīng)處理直接排放和行駛的車輛與未鋪瀝青和水泥的路面摩擦產(chǎn)生。根據(jù)因子得分函數(shù)計算各個城市的因子得分和總得分將城市進行排名結(jié)果如下。

表2 2015年河北省城市的空氣污染程度從低到高排名

結(jié)合公共因子的解釋，根據(jù)各個城市在公共因子上的得分對城市的空氣質(zhì)量進行評價。在反映城市工業(yè)化和機動車尾氣的公共因子1上的得分較高的城市分別是邢臺、保定、唐山。在反映城市生活垃圾排放的公共因子2上的得分較高城市分別是衡水、廊坊、保定。綜合兩個成分，得出每個城市的加權(quán)得分。其中得分較高的即空氣污染比較嚴重的城市為保定、邢臺、唐山、石家莊。空氣質(zhì)量比較理想的城市是張家口、承德、秦皇島。

2、K-均值聚類

根據(jù)因子得分的結(jié)果將河北省的11個城市進行K-均值聚類，將11個城市分成了三類，第一類是石家莊、唐山、邯鄲、邢臺、保定、滄州、廊坊、衡水；第二類是秦皇島；第三類是張家口、承德。第一類城市空氣污染狀況較為嚴重，石家莊、唐山等城市主要以工業(yè)或重工業(yè)為主，工業(yè)污染最嚴重，空氣質(zhì)量最差。第二類城市秦皇島是重要的旅游城市，工業(yè)污染少，空氣質(zhì)量最好。第三類城市的空氣質(zhì)量為中，張家口和承德主要以農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)為主，空氣質(zhì)量相對較好。分類結(jié)果與因子分析的結(jié)果相一致。

結(jié)論

通過對河北省城市污染物進行因子分析，影響城市空氣質(zhì)量有兩個公共因素，因子主要來源是工業(yè)生產(chǎn)和交通運輸，反映城市工業(yè)發(fā)展帶來的空氣污染；其中邢臺、保定、唐山在因子1上的污染最為嚴重。因子主要是生活垃圾帶來的空氣污染，衡水、廊坊、保定在因子2上的污染最為嚴重?？諝馕廴颈容^嚴重的城市為保定、邢臺、唐山、石家莊?？諝赓|(zhì)量比較理想的城市是張家口、承德、秦皇島。

隨著經(jīng)濟的日益發(fā)展，環(huán)境問題逐漸突顯，為改善空氣質(zhì)量，一方面增加環(huán)保支出的，提高植被面積，控制工業(yè)污染；另一方面提高國民的環(huán)保意識，積極推廣環(huán)境友好型的產(chǎn)品，減少機動車的使用頻率，減少生活污染。

參考文獻：

[1]姜新華，薛河儒，張存厚，張麗娜. 基于主成分分析的呼和浩特市空氣質(zhì)量影響因素研究[J]. 安全與環(huán)境工程，2016，01：75-79.

1，*門曉君，女，碩士，山東高密人，Email：xiaojunmen@126.comendprint