滁州學(xué)院數(shù)學(xué)與金融學(xué)院 夏圳杰，韓雨彤

一、引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)也給環(huán)境治理帶來了巨大的難題，由于經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展而帶來工業(yè)領(lǐng)域、日常采暖系統(tǒng)及交通運(yùn)輸?shù)确矫娴奶嵘?，?dǎo)致大氣污染問題日漸嚴(yán)重，影響了人們的出行及生活質(zhì)量，進(jìn)而帶來現(xiàn)實(shí)危害和潛在威脅，因此我國(guó)對(duì)于大氣污染問題高度重視，并采取措施重點(diǎn)治理污染問題嚴(yán)重的城市。作為環(huán)境保衛(wèi)戰(zhàn)重點(diǎn)地區(qū)，安徽省合肥市于2015年1月頒布了《安徽省大氣污染防治條例》，在2018年9月出臺(tái)《安徽省打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施方案》，同年11月通過《合肥市人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)關(guān)于修改〈合肥市大氣污染防治條例〉的決定》，2020年3月制定了《2020年安徽省住建系統(tǒng)大氣污染防治工作方案》。近些年通過，不斷地對(duì)防治管理工作的落實(shí)，合肥市的大氣重點(diǎn)污染元素含量下降，整體環(huán)境質(zhì)量明顯改善。

合肥市作為安徽省的省會(huì)城市，總面積11445.1km2，常駐人口數(shù)量936.99萬人，城鎮(zhèn)化率達(dá)82.28%。合肥市既是國(guó)家綜合性區(qū)域中心城市，也是國(guó)家重要科研教育基地，擁有包括中科大在內(nèi)的54所高校，同時(shí)也是制造業(yè)基地和交通樞紐。因其發(fā)展快、人口多、涉及廣的特征，大氣污染物的種類及濃度大幅增漲，例如懸浮顆粒物TSP、臭氧、甲醛、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氰化物等。本文通過聚類分析依據(jù)不同地區(qū)污染物種類不同的特征對(duì)其進(jìn)行分類，從而減少研究對(duì)象的數(shù)量。本研究選取9個(gè)城區(qū)、9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查，通過污染源頭和大氣環(huán)境等方面尋找共性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這一現(xiàn)象的治理。

二、研究區(qū)概況及研究方法

（一）研究區(qū)概況

合肥市位于安徽省中部，共有市轄四個(gè)區(qū)和五個(gè)經(jīng)濟(jì)管理區(qū)。北起舜耕山、南至巢湖盆地，地域崗沖起伏、壟畈相間。整個(gè)地形中部高，南北低，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，季風(fēng)明顯，四季分明。合肥市是我國(guó)長(zhǎng)三角城市群的副中心城市，也是重要科研教育基地和制造業(yè)基地，還是重要交通樞紐，擁有安徽南環(huán)、江航等多個(gè)老牌企業(yè)，且近幾年發(fā)展速度較快，在一定程度上影響著合肥市環(huán)境空氣質(zhì)量。

（二）研究方法

聚類分析法是一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，以“物以類聚”為理論依據(jù)、以指標(biāo)之間相同之處為標(biāo)準(zhǔn)化，將指標(biāo)進(jìn)行劃分，并用圖形直觀地將指標(biāo)之間的相似度描述出來，其中最為相似的聚成一類，次相似的再聚成一類，直到將所有的指標(biāo)聚成一大類，這樣便形成了一個(gè)由點(diǎn)到面的分類系統(tǒng)。通過采用組間連接法，用兩個(gè)類別中各數(shù)據(jù)點(diǎn)兩兩之間距離平方的平均數(shù)表示類間距離，再運(yùn)用SPSS軟件運(yùn)行得到合肥市9個(gè)國(guó)控監(jiān)控點(diǎn)2021年主要大氣污染物年均濃度的聚類譜系圖。系統(tǒng)聚類分析方法的前提是計(jì)算并確定各類間距離，距離的計(jì)算方式不同，所產(chǎn)生的結(jié)果也不同。

三、數(shù)據(jù)來源

（一）監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取

通過真氣網(wǎng)（https：//www.zq12369.com）查詢合肥市9城區(qū)共有大氣國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)11個(gè)。為了更好地反應(yīng)合肥市9城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量，選取三里街、高教基地、包河區(qū)、廬陽區(qū)、濱湖新區(qū)、明珠廣場(chǎng)、高新區(qū)、董鋪水庫、長(zhǎng)江中路共計(jì)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，均為國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基本能反應(yīng)合肥市整體大氣質(zhì)量狀況。董鋪水庫監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于其它8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)而言大氣環(huán)境質(zhì)量最佳，是合肥市清潔對(duì)照點(diǎn)。

（二）數(shù)據(jù)來源

通過真氣網(wǎng)（https：//www.zq12369.com）收集合肥市九個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位自2020年1月至2021年1月的主要大氣污染物年均濃度，具 體 包 括：PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3共6項(xiàng)指標(biāo)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。

四、結(jié)果

（一）監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

合肥市9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2021年主要大氣污染物年均濃度差距較大（表1），依照我國(guó)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）規(guī)定，與大氣中6種大氣污染物的年平均濃度限制進(jìn)行比較（表2），發(fā)現(xiàn)個(gè)別數(shù)值差距也較大。SO2、NO2、CO主要源自于汽車尾氣的排放以及工業(yè)地區(qū)的廢氣污染，其中CO源于含碳的有機(jī)物不完全燃燒的產(chǎn)物，SO2及NO2源自于污染廢棄的直接排放。而O3是在強(qiáng)光照作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的VOCs和NO2所生成的二次污染物。PM2.5細(xì)顆粒物既可以是以固態(tài)形式產(chǎn)生的一次粒子，也可以是由硫和氮的氧化物反應(yīng)所產(chǎn)生的二次粒子，對(duì)人體健康危害較大。

表1 空氣污染物年均濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果表

表2 6種大氣污染物年均濃度限值

從表2可以看出，包河區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PM2.5濃度最高為36μg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家規(guī)定的一級(jí)濃度限值20μg/m3；PM10濃度第二高，為74μg/m3，也高于國(guó)家規(guī)定的二級(jí)濃度限值。而PM2.5、PM10在董鋪水庫監(jiān)測(cè)點(diǎn)最低，且基本與國(guó)家一級(jí)濃度限值相近。包河區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的SO2濃度（8μg/m3）、NO2濃度（42μg/m3）也為最高值。董鋪水庫的SO2濃度（6μg/m3）、NO2濃度（24μg/m3）均顯示較低。說明在合肥市9城區(qū)中，包河區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度相對(duì)較高，僅CO濃度稍低，為0.9μg/m3，低于一級(jí)濃度限值；O3濃度在董鋪水庫監(jiān)測(cè)點(diǎn)最高，達(dá)156μg/m3，接近二級(jí)濃度限值。

（二）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)6種主要大氣污染物年均濃度變化幅度較大，因此需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除數(shù)據(jù)在數(shù)量級(jí)和量綱上的不同，從而使各指標(biāo)值處于同一數(shù)量級(jí)別，以便于系統(tǒng)聚類分析。運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，處理結(jié)果如表3所示。

表3 空氣污染物年均濃度的標(biāo)準(zhǔn)化

（三）聚類結(jié)果

通過應(yīng)用系統(tǒng)聚類分析方法，對(duì)合肥市9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣質(zhì)量進(jìn)一步分類。選用組間連接法、歐式距離進(jìn)行聚類，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣質(zhì)量各作一類進(jìn)行編號(hào)，以空氣污染物年均濃度作為指標(biāo)來聚類，運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件輸出聚類譜系圖。

合肥市9個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣污染物數(shù)值的分類結(jié)果，基本分為兩大類（董鋪水庫除外）。首先高新區(qū)、長(zhǎng)江中路、濱湖新區(qū)、明珠廣場(chǎng)、高教基地、廬陽區(qū)聚為第一大類，其次三里街、包河區(qū)聚為第二大類。其中第一大類又包括三小類，分別是：高新區(qū)、長(zhǎng)江中路、濱湖新區(qū)、明珠廣場(chǎng)一類；高教基地、廬陽區(qū)自成一類，見表4。

表4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分類結(jié)果

（四）結(jié)果分析

聚類譜系圖顯示，董鋪水庫自成一類，空氣質(zhì)量最佳，而一個(gè)地區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量狀況最主要取決于兩大因素——污染源和大氣擴(kuò)散條件的相互作用。董鋪水庫位于合肥市的上風(fēng)口，水域較大、水質(zhì)較好，大氣擴(kuò)散條件較優(yōu)越，且遠(yuǎn)離其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)、受周圍工業(yè)污染較小，由此反應(yīng)出董鋪水庫是清潔對(duì)照監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

另外8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)明顯聚為兩類，第一大類包括高新區(qū)、長(zhǎng)江中路、濱湖新區(qū)、明珠廣場(chǎng)、高教基地、廬陽區(qū)。這一類監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PM10濃度相對(duì)較高，說明煙囪與車輛的污染源排放較多。高新區(qū)、長(zhǎng)江中路、濱湖新區(qū)、明珠廣場(chǎng)人流量較多，交通出行車輛流量較大，附近有許多工業(yè)產(chǎn)業(yè)，可能是導(dǎo)致該監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM10濃度較高的原因；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)SO2濃度均較低且可以達(dá)到一級(jí)濃度限制，說明脫硫技術(shù)較為先進(jìn)；NO2較高且位于二級(jí)濃度限值前后,說明燃料燃燒較高、汽車尾氣排放較為嚴(yán)重；CO較低，說明含碳的化石燃料燃燒較為完全；而O3位于一級(jí)限值與二級(jí)限值之間，趨近于二級(jí)濃度限值160，說明各監(jiān)測(cè)點(diǎn)O3來源較多，且高新區(qū)人流密集，明珠廣場(chǎng)客流量、汽車出行數(shù)量較多,長(zhǎng)江中路四周車輛較為擁擠，這些可能是導(dǎo)致O3含量較大的原因。此外，第一大類又分為三小類，其中高新區(qū)、長(zhǎng)江中路、濱湖新區(qū)、明珠廣場(chǎng)分為一類，高教基地與廬陽區(qū)各自自成一類，其中高教基地與廬陽區(qū)的PM10相對(duì)較高，O3指數(shù)相對(duì)較低，說明高新區(qū)、長(zhǎng)江中路、濱湖新區(qū)、明珠廣場(chǎng)的工業(yè)產(chǎn)業(yè)更多，人流量更為密集。

第二大類包括三里街與包河區(qū)，這一類監(jiān)測(cè)點(diǎn)大氣擴(kuò)散條件相對(duì)較好，但由于地理位置相近，可能具有相似的污染源。三里街臨近汽配城，包河區(qū)臨近人力資源開發(fā)有限公司，且兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都處于合肥市中心附近，人口密集，能源消耗量大，因此可能導(dǎo)致顆粒污染物排放增加，汽車尾氣排放嚴(yán)重，污染物濃度升高，進(jìn)而導(dǎo)致NO2濃度較高；其次O3濃度最低，說明三里街和包河區(qū)的O3可能向城郊轉(zhuǎn)移。

五、結(jié)論

通過以合肥市為研究區(qū)，收集合肥市9個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2020年到2021年期間內(nèi)PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3共 6種主要污染物年均濃度，運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，得出如下結(jié)論：

（1） 分 析 2020年 1月 至2021年1月共365天的合肥市9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：合肥市2021年空氣質(zhì)量整體良好，綜合指數(shù)3.97，首要污染物為PM2.5，年均濃度為 32.5μg/m3，首次達(dá)到國(guó)家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，6項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)首次全面達(dá)標(biāo)。2021年空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)達(dá)到313天，優(yōu)良率高達(dá)85.8%，創(chuàng)下自監(jiān)測(cè)以來的新高。大氣污染物實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，大氣污染治理取得里程碑式突破。

（2）根據(jù)聚類分析結(jié)果可將9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)劃分為兩大類型，主要是由于合肥市自西北向東南傾斜，地形差異崗沖起伏，大氣擴(kuò)散條件良好，導(dǎo)致西北部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣質(zhì)量普遍好于東南部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。合肥市主要污染物為PM2.5和PM10，9個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)年均濃度分別高于一級(jí)濃度限值和二級(jí)濃度限值。通過系統(tǒng)聚類分析發(fā)現(xiàn)，兩大類型和每一小類都有相似污染物且與地理位置有較高相關(guān)性，說明聚類分析法可作為城市空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法。