□趙雙蕊

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院河北保定071000）

聚類主成分分析在城市廢氣中污染物排放量分析中的應(yīng)用

□趙雙蕊

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院河北保定071000）

本文對(duì)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒—2014》中31個(gè)省、市、自治區(qū)6種主要污染物排放量工業(yè)二氧化硫、工業(yè)氮氧化物、工業(yè)煙（粉）塵、生活二氧化硫、生活氮氧化物、生活煙塵共186個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)污染物的排放量，利用軟件進(jìn)行聚類分析，主成分分析將31個(gè)地區(qū)的主要污染物的排放量進(jìn)行分類，具體結(jié)果見表二和表三，找出影響城市空氣質(zhì)量的最主要的污染物。以此期望對(duì)改善我國(guó)主要城市的空氣質(zhì)量給出合理的建議。

污染物排放量；聚類分析；主成分分析

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展取得了較大成就，但是空氣污染問(wèn)題也日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了人們的生活質(zhì)量和身體健康，阻礙人們的出行。因此，治理空氣污染刻不容緩。本文對(duì)31個(gè)省、市、自治區(qū)6種主要污染物排放量的數(shù)據(jù)利用聚類分析和主成分分析法[1]進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。目的是將受同類污染物污染的城市進(jìn)行歸類，集中治理，找到影響城市空氣質(zhì)量的主要污染物并加以針對(duì)性強(qiáng)制性高效性的整治，以提升空氣質(zhì)量，希望對(duì)解決空氣質(zhì)量問(wèn)題提供技術(shù)支持和建議。

1　數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒—2014》中“8-16主要城市廢氣中主要污染物排放情況”，詳情參照中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒—2014網(wǎng)站數(shù)據(jù)。

2　聚類分析

聚類分析又稱群分析，它是研究分類問(wèn)題的一種多元統(tǒng)計(jì)方法，所謂類，就是指相似元素的集合[2]。利用軟件進(jìn)行聚類分析的結(jié)果如下：

圖1　群集數(shù)

通過(guò)分析比較以上數(shù)據(jù)，綜合各方面的因素，將以上城市分為4類：

表1　群集成員

3　主成分分析：

表2　聚類分析分類結(jié)果

主成分分析是將多指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)分析的方法。主成分分析是為了達(dá)到減少變量的個(gè)數(shù)同時(shí)使得保留的原始變量的信息最多的雙重目的而進(jìn)行的一種分析，此分析方法能夠幫助使用者抓住主要矛盾，使復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，以便更好的分析、解決問(wèn)題。主成分分析的結(jié)果如下:

表3　解釋的總方差

表3中，初始特征值中的合計(jì)欄代表特征根，代表了主成分的影響強(qiáng)度，特征值比1大，一般認(rèn)為主成分的影響強(qiáng)度較大。通過(guò)觀察表中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，,前兩個(gè)主成分的特征值超過(guò)1，因此，記主成分的個(gè)數(shù)為兩個(gè)。另外，第一個(gè)主成分方差占所有主成分方差的56.733%，第二個(gè)占28.642%。這兩個(gè)累計(jì)達(dá)到了85.375%。

表4　成分矩陣

經(jīng)過(guò)分析可知，提取的主成分個(gè)數(shù)為2，其特征值，貢獻(xiàn)率，和累計(jì)貢獻(xiàn)率見表五：

表5　特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

記原始變量為x1~x6，兩個(gè)主成分記為F1,F2，因而，前兩個(gè)主成分分別為：

第一主成分為：F1=0.786x1+0.792x2+0.826x3+ 0.838x4+0.699x5+0.538x6，

第二主成分為：F2=-0.565x1-0.417x2-0.422x3+ 0.353x4+0.619x5+0.735x6，

第一主成分的表達(dá)式中變量前邊的系數(shù)均較高，但是第一、二、三、四的系數(shù)尤其的大，因此，第一主成分可以看成是工業(yè)二氧化硫、工業(yè)氮氧化物、工業(yè)煙（粉）塵和生活二氧化硫的綜合。

在第二個(gè)主成分中，第一、第五、第六項(xiàng)指標(biāo)的影響大，第二主成分可以看成是工業(yè)二氧化硫、生活氮氧化物、生活煙塵排放量的綜合。

由此可見，工業(yè)二氧化硫是污染空氣質(zhì)量的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

4　上述四類的城市空氣污染的原因及應(yīng)對(duì)措施：

4.1第一類：

主要原因：

(1)第一個(gè)分類里的城市很明顯均為經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)的城市，因此私家車的使用情況較為廣泛，燃料主要以石油為主，因此造成了大氣中氮氧化物的排放增多；

(2)冬季進(jìn)入采暖期，所使用的燃煤是未處理過(guò)的高硫煤，因此煤炭的燃燒使二氧化硫的排放量尤其增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京每年燃燒2300萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，對(duì)煤炭的過(guò)度依賴造成了嚴(yán)重的空氣污染；

(3)受季風(fēng)的影響強(qiáng)烈。如太原地區(qū)西北風(fēng)沙肆虐，受該因素的影響，使大氣污染越發(fā)嚴(yán)重；呼和浩特的西南風(fēng)和南風(fēng)對(duì)該市的污染物的擴(kuò)散造成了嚴(yán)重的阻礙；

應(yīng)對(duì)措施：

（1）深化燃煤鍋爐拆并工作，采取集中供暖措施。限制使用未經(jīng)處理過(guò)的高硫煤，嚴(yán)格控制原煤的燃燒，同時(shí)加強(qiáng)熱電企業(yè)的熱管網(wǎng)的投入使用，集中供暖。

（2）提高機(jī)動(dòng)車尾氣排標(biāo)準(zhǔn)，給汽車安裝過(guò)濾裝置。限制私家車的使用，鼓勵(lì)公民使用自行車、公交車，可借助廣播電視和新聞報(bào)刊等媒體，大力宣傳保護(hù)環(huán)境的意義，使“保護(hù)環(huán)境，人人有責(zé)”的觀念深入到每個(gè)人的心里，帶動(dòng)廣大公民積極參與到保護(hù)環(huán)境的行動(dòng)當(dāng)中來(lái)。

（3）對(duì)城市周邊實(shí)施綠化建設(shè)，建立濕地保護(hù)區(qū)，鼓勵(lì)植樹造林，加強(qiáng)空氣凈化能力。

4.2第二類：

主要原因：

這些城市的重工業(yè)異常發(fā)達(dá)，中國(guó)重工業(yè)的聚集地，如天津鋼管集團(tuán)股份有限公司、天津天鋼集團(tuán)有限公司，上海上海寶山區(qū)的寶山鋼鐵總廠，石家莊佛萊曼重工有限公司等等，發(fā)達(dá)的工業(yè)在引導(dǎo)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的同時(shí)，硫化物和氮氧化物的排放量也隨之增多，因此發(fā)達(dá)重工業(yè)的廢氣排放成為了污染空氣的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

應(yīng)對(duì)措施：

（1）優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，充分發(fā)揮能源的利用率。在加強(qiáng)重工業(yè)發(fā)展的同時(shí)，要注重挖掘可再生能源，如將風(fēng)能、太陽(yáng)能等新型能源代替煤炭的燃燒。

(2)提高節(jié)能新技術(shù)。制定各個(gè)行業(yè)的排放措施和目標(biāo)，同時(shí)鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新，創(chuàng)造節(jié)能的新方法；

(3)考慮將重工業(yè)企業(yè)搬遷至人員稀少的城市邊緣地帶，有利于減少對(duì)人員身體健康的損傷，并且城市周邊的空氣流通較市中心更為流暢，為污染物的擴(kuò)散提供便利條件。

4.3第三類：

主要原因：

（1）在該類城市中，地形封閉性較強(qiáng)，空氣污染的程度較輕，天氣條件是影響空氣質(zhì)量的首要原因。春季由于氣溫較低，氣壓高，污染物得不到擴(kuò)散，冬季因受近地面靜穩(wěn)天氣控制，空氣在水平和垂直方向流動(dòng)性均非常小，加上污染物排放量大，大氣擴(kuò)散條件非常差，污染物持續(xù)積累，空氣污染隨之而來(lái)。

（2）受逆溫天氣影響強(qiáng)烈，逆溫和小風(fēng)使污染物持續(xù)積累，擴(kuò)散不利，造成空氣污染的積累和持續(xù)。

（3）城市的揚(yáng)塵污染嚴(yán)重，拿南昌市為代表，南昌市工業(yè)園區(qū)企業(yè)和地鐵道路施工等大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)開挖、粗放施工過(guò)程的建筑塵等過(guò)程產(chǎn)生了大量揚(yáng)塵。機(jī)動(dòng)車排氣污染嚴(yán)重，據(jù)南昌市環(huán)保局統(tǒng)計(jì)，南昌市顆粒物的產(chǎn)生原因包括：各類揚(yáng)塵的“貢獻(xiàn)率”為27.3%，機(jī)動(dòng)車為20.9%，燃煤為13.1%，工業(yè)及溶劑使用為9.8%。其中，機(jī)動(dòng)車尾氣位列第二，僅機(jī)動(dòng)車每年排放的氮氧化物超過(guò)4000t。

（4）日常生活中煙花爆竹的燃放，城市周邊農(nóng)村地區(qū)秸稈的焚燒，露天燒烤產(chǎn)生的大量濃煙也嚴(yán)重污染城市的空氣質(zhì)量。

應(yīng)對(duì)措施：

（1）該類城市中受氣象因素的條件較強(qiáng)，因此要因地制宜，要嚴(yán)格控制污染氣體的排放，相關(guān)部門要及時(shí)出臺(tái)相應(yīng)的政策，對(duì)污染物排放嚴(yán)格把關(guān)，加強(qiáng)對(duì)重工業(yè)企業(yè)的治理；

（2）相關(guān)環(huán)境監(jiān)管部門對(duì)周邊的無(wú)合格證明的餐飲企業(yè)加大力度進(jìn)行清理整治；

（3）交通管理部門加強(qiáng)對(duì)不合格車輛的淘汰工作。政府相關(guān)部門在鼓勵(lì)公民綠色出行的同時(shí)，建設(shè)自行車的免費(fèi)租賃點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)自行社綠色車道的擴(kuò)建工作，從根本上改善人民出行的方式。

4.4第四類：

主要原因：

重慶的地理位置特殊，城市主要部分在河谷中，三面環(huán)山，風(fēng)力不大，加上市區(qū)的總體城市建筑容積率太高造成空氣流通不暢，重工業(yè)企業(yè)排放的污染氣體得不到及時(shí)有效的擴(kuò)散。并由于重慶的經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，污染企業(yè)不敢淘汰，通過(guò)觀察數(shù)據(jù)表格會(huì)發(fā)現(xiàn)重慶2013年工業(yè)二氧化硫的排放量高達(dá)494415t，在數(shù)據(jù)中尤其突出。廢氣的逐漸積累，使空氣污染的程度越來(lái)月嚴(yán)重。機(jī)動(dòng)車尾氣的排放及揚(yáng)塵污染也大大加劇了的污染程度。

應(yīng)對(duì)措施：

建議郊區(qū)杜絕建設(shè)工業(yè)污染企業(yè)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，可以考慮重工業(yè)企業(yè)的遷移工作，隨重工業(yè)企業(yè)的選址進(jìn)行合理布局，并有步驟的淘汰重工業(yè)污染企業(yè)、控制私家車的使用、防治揚(yáng)塵污染、完善污染監(jiān)測(cè)技術(shù)，及時(shí)淘汰污染嚴(yán)重企業(yè)。

根據(jù)理論分析結(jié)果，分析了各類城市空氣污染的主要原因和應(yīng)對(duì)措施，但是我們是一個(gè)和諧的大家庭，治理好空氣污染是我們的共同愿望，各個(gè)城市之間不能相互孤立起來(lái)，而要相互借鑒治理空氣污染的成功經(jīng)驗(yàn)，改善空氣質(zhì)量，并不是一朝一夕能夠完成的任務(wù)，我們要相互扶持，堅(jiān)定目標(biāo)，為營(yíng)造我們美好的生活環(huán)境共同努力！

[1]中國(guó)統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,2014.

[2]任雪松,于秀林.多元統(tǒng)計(jì)分析[M].中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 1999:59.

[3]高惠璇.應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析[M].北京大學(xué)出版社, 2004:265.

[4]崔占如.聚類-主成分回歸法在企業(yè)價(jià)值評(píng)估中的應(yīng)用[J].河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2015.

1004-7026（2016）01-0057-01中國(guó)圖書分類號(hào)：X513

A

本文10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2016.01.39

趙雙蕊（1994-）女，河北秦皇島昌黎人，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院數(shù)學(xué)與應(yīng)用專業(yè)學(xué)生。