馬炳南，侯雙雙，吳 偉

(貴州大學 生命科學學院，貴州 貴陽 550025)

銅仁市位于貴州省東北部，東鄰湖南省懷化市，北鄰重慶市，屬于國家武陵山片區(qū)區(qū)域發(fā)展與扶貧攻堅規(guī)劃制定集中連片扶貧攻堅和跨省合作協(xié)同發(fā)展的地區(qū)之一。在國家政策的大力扶持下，銅仁市經濟發(fā)展迅速，隨著城市化水平的不斷提高和經濟發(fā)展的加速，銅仁市大氣環(huán)境污染問題也引起了廣泛關注[1-3]。為有效控制空氣質量的不斷惡化，需要對空氣質量做出科學客觀的評價[4]。目前對城市空氣質量評價的方法有很多，主要包括污染指數(shù)法(air pollution index，API)[5-6]、空氣質量指標法(air quality index，AQI)[7-8]、模糊綜合評價法[9-10]、主成分分析法[11-13]以及屬性識別模型[14]等綜合指數(shù)評價法。董慧青等[5]采用API法，分析空氣污染物(SO2、NO2、PM10)濃度時間變化特征，并通過API等級標準對廣西主要城市南寧、桂林、北海的空氣污染情況做出評價。AQI也是重要的空氣質量評價指標，通過國家相應《環(huán)境空氣質量標準》的規(guī)定對空氣質量作出評價，通過對比分析對應污染物濃度特征，篩選首要或重要污染物，謝新宇等[7]和王海燕等[15]用此類方法展開了城市空氣質量評價。以API和AQI為指標進行空氣質量評價的方法能夠從宏觀上體現(xiàn)污染物的整體污染水平，也可通過對比分析得出重要污染物，方法簡便，但無法對各污染物對空氣質量的貢獻程度做出定量評價，而主成分分析法、模糊綜合評價法和屬性識別模型則可以彌補這一不足，因此采用這些方法展開的空氣質量綜合評價的報道也很多，其中屬性識別模型不僅可以量化各污染物對空氣質量的貢獻，同時也能夠對空氣質量綜合水平進行定量化表達，在生態(tài)環(huán)境領域中有廣泛的應用[16-17]。隨著銅仁市經濟的進一步發(fā)展，大氣污染的情況也變得越加復雜，因此本研究采用屬性識別模型，分析近幾年銅仁市的空氣污染物和空氣質量現(xiàn)狀及變化特征，為城市生態(tài)文明建設提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據來源

研究數(shù)據為2015—2020年銅仁市空氣主要污染物月平均濃度，包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等6類主要大氣污染物，數(shù)據來自貴州省生態(tài)環(huán)境廳月報。

1.2 分析方法

1)污染物時間動態(tài)分析：利用Origin統(tǒng)計軟件，采用統(tǒng)計分析和線性回歸法表達空氣污染物的年際和年內變化趨勢特征，線性擬合的顯著性水平采用P檢驗。

2)污染物濃度界限值：依據最新發(fā)布的《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095—2018)，為了保持時間尺度一致性，2018年以前的污染物不適于最新標準情況的則參考《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095—2012)，各污染物濃度具體界限值見表1。

表1 各污染物的濃度等級界限Tab.1 Limits of concentration levels of pollutants 單位：μg/m3

3)屬性識別模型綜合評價空氣質量：屬性識別模型廣泛應用于生態(tài)環(huán)境評價工作中，具體的計算步驟如下。

(1) 建立分類標準矩陣

設評價對象有m個評價指標Ii，每個評價指標有k個評價等級，每個評價指標Ii有相應的評價等級分類表標準{C1,C2,…,Ck}，則評價對象的分類標準矩陣見式(1)。

(1)

(2)確定權重

采用超標倍數(shù)法，根據污染物污染程度計算得到式(2)，污染程度越大權重越大，反之。式(2)中Wi為各污染物權重，Ci為污染物濃度檢測值，Ai為污染物各濃度等級標準平均值。

(2)

(3)確定樣本屬性測度

定義第i個指標屬于Ct類的屬性測度為Uit，Uit根據公式(3)計算得到。

(3)

(4)確定綜合屬性測度

定義綜合屬性測度為Ut，由各污染物屬性測度和指標權重累積和計算得到，見式(4)。

(4)

(5)空氣質量綜合等級標準評價及評分

采用信度識別準則，設置信度λ(置信度一般取0.6～0.7)，空氣質量綜合等級T用式(5)計算，若T≥λ，則空氣質量屬于Ct等級標準，根據等級標準進行評分，以便于量化分析，對應分數(shù)q的計算見式(6)，式(6)中，nt=k+1-t,為等級標準Ct的分值，依次取k～1之間遞減的正整數(shù)。

(5)

(6)

2 結果與分析

2.1 銅仁市大氣污染物年際變化

各污染物濃度的年變化趨勢均不顯著，年變化特征存在差異(圖1)。PM2.5(圖1(a))年平均濃度始終處于環(huán)境空氣質量標準的Ⅱ級標準，2015—2020年期間呈下降-上升-下降的趨勢，2017年濃度最小為23.67 μg/m3，2019年濃度最大為28.67 μg/m3。PM10(圖1(b))年平均濃度2020年以前始終處于環(huán)境空氣質量標準的Ⅱ級標準，2020年達到Ⅰ級標準；2015—2020年期間呈波動的下降趨勢，下降趨勢不顯著，濃度最小值發(fā)生于2020年(38.92 μg/m3)，2015年濃度為最大值(61.17 μg/m3)，下降36%。SO2(圖1(c))年平均濃度均<20 μg/m3(Ⅰ級標準)，其變化特征以2018年為界限可分為兩個時間階段，2015—2018年下降趨勢顯著，2018年以后濃度保持于平均值4.2 μg/m3的水平，濃度最小值發(fā)生于2019年(3.75 μg/m3)，2015年濃度為最大值(17.08 μg/m3)，濃度下降達78%。NO2(圖1(d))年平均濃度均<40 μg/m3(Ⅰ級標準)，其變化特征表現(xiàn)為先增后降，2017年為最大值21 μg/m3，2016年和2020年濃度較小，2020年比2017年濃度下降22%。CO(圖1(e))年平均濃度均<4 μg/m3(Ⅰ級標準)，其變化特征表現(xiàn)為2019年以前濃度值保持在1.0 μg/m3以上，2019年以后迅速下降至2020年最低值0.8 μg/m3，下降28%。O3(圖1(f))年平均濃度除2015年和2019年外均為Ⅰ級標準以下，2019年濃度最大為106 μg/m3，最小值為2016年66 μg/m3，2020年O3濃度雖然處于Ⅰ級標準以下，但與歷史低值水平而言，仍處于較高濃度水平。

圖1 銅仁市大氣污染物濃度年際變化特征Fig.1 The interannual characteristics of atmospheric pollutant concentration in Tongren

銅仁市6種大氣污染物濃度的年變化特征表明，除SO2外，大致表現(xiàn)為“下降-上升-下降”的波動下降趨勢；PM10始終處于Ⅰ級標準以上，是影響大氣質量的主要污染物，此外，O3濃度水平接近Ⅰ級標準，也是未來空氣質量監(jiān)管的重要污染物；SO2由2015年的濃度最大值降至2018年以后的濃度較小水平，反映出對SO2有效的治理。

2.2 銅仁市大氣污染物年內變化

圖2表明各污染物月平均濃度與月份存在顯著的“單峰”型相關關系，除O3外的其余5種污染物均表現(xiàn)為夏季為濃度最小值，冬季為濃度最大值，而O3濃度最大值出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在冬季。PM2.5濃度在冬季(12月、1月、2月)>35 μg/m3，為Ⅱ 級以上標準，僅夏季的6—8月PM2.5的濃度≤15 μg/m3，為Ⅰ級以下標準，春秋兩季為Ⅱ級標準。PM10濃度在冬季(12月、1月、2月)>70 μg/m3，為Ⅱ級以上標準，其余月份均>40 μg/m3，為Ⅱ級標準。SO2各月濃度均<20 μg/m3，為Ⅰ級以下標準，1月份SO2濃度最大，接近20 μg/m3。NO2各月濃度均<40 μg/m3，為Ⅰ級以下標準，NO2月平均濃度雖然與時間存在顯著的線性關系，但擬合度僅0.53。CO各月濃度均<4 μg/m3，為Ⅰ級以下標準，CO濃度冬季較大，其余季節(jié)則較小。O3濃度整體表現(xiàn)春秋高而夏冬低，與時間呈顯著的線性關系，但擬合度僅0.53。O3濃度在春季的4—5月以及秋季的8—10月>100 μg/m3，是Ⅰ級以上標準，而其余月份均為Ⅰ級以下標準。

圖2 銅仁市大氣污染物濃度年內變化特征Fig.2 The annual characteristics of atmospheric pollutant concentration in Tongren

銅仁市6種大氣污染物濃度的年內變化特征表明污染物濃度與時間之間存在顯著的線性關系，除O3外，均表現(xiàn)為夏季小而冬季大，O3濃度則呈夏冬小而春秋大的特征；PM2.5、PM10幾乎均超過了Ⅰ級標準，對空氣質量影響較大，特別是冬季，另外春秋兩季的O3濃度也超過了Ⅰ級標準。

2.3 空氣質量綜合評價

利用屬性識別模型對銅仁市空氣質量展開綜合評價。結合污染物等級標準濃度界限(表1)，根據式(3)計算得到6種污染物各年度屬性測度(表2)。從表2中可以看出，SO2、NO2和CO均隸屬于Ⅰ級標準；O3大多數(shù)年份隸屬于Ⅰ級標準，但2019年出現(xiàn)了隸屬Ⅱ級的現(xiàn)象；PM10在2015—2019年期間隸屬于Ⅰ級和Ⅱ級標準之間，隨時間隸屬于Ⅰ級標準的程度越來越大，直到2020年完全隸屬于Ⅰ級標準；PM2.5自2015年以來均隸屬于于Ⅰ級和Ⅱ級標準之間，隨時間隸屬于Ⅰ級標準的程度并沒有顯著的改善。

表2 各污染物年度屬性測度Tab.2 Annual attribute measurement of pollutants

根據式(2)計算得到各年度相關污染物單指標權重(表3)，進一步根據式(4)計算得到銅仁市各年度空氣質量的綜合測度并進行相應的綜合評級(式5)和打分(式6)，計算結果如表4和圖3所示。根據表4的計算結果表明，銅仁市各年度空氣綜合質量均為Ⅰ級標準，但從圖3顯示的空氣質量綜合評分變化趨勢可以看出，銅仁市空氣質量綜合水平呈下降趨勢，主要原因在于PM2.5作為首要的空氣污染物，年平均濃度一直屬于Ⅱ級水平，冬季屬于不達標水平。

表3 各污染物年度污染權重Tab.3 Annual weights of pollutants

表4 空氣質量綜合評價Tab.4 Comprehensive evaluation of air quality

圖3 2015—2020年銅仁市空氣質量綜合評分變化趨勢Fig.3 The trend of comprehensive score of air quality in Tongren from 2015 to 2020

3 結論

1) 銅仁市主要污染物是PM2.5、PM10和O3，就污染程度的權重來講，PM2.5>PM10≈O3；PM2.5和PM10濃度水平處于Ⅱ級標準，PM2.5在冬季處于不達標水平；PM10于2020年達Ⅰ級以下標準，有顯著好轉；O3濃度2016年以來顯著增加，存在污染風險。

2) 利用屬性識別模型對銅仁市空氣質量的綜合評價表明：銅仁市各年度空氣綜合質量均為Ⅰ級標準，但空氣質量綜合水平呈下降趨勢，主要原因在于PM2.5作為首要的空氣污染物，污染水平一直沒有得到有效控制；此外，O3污染程度風險增加，因此PM2.5和O3是以后污染物控制的重點。