对应分析法在城市大气环境质量评价中的应用

第３ｌ卷第１期　２０１０年２月　大　连　交　通　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＤＡＬＩＡＮ　大　学　学　报　ＪＩＡ０Ｔ０ＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖｏ１．３１　ＮＯ．１　Ｆｅｂ．２０１０　文章编号：１６７３—９５９０（２０１０）０１・００８９—０６　对应分析法在城市大气环境质量评价中的应用　朱秀华，李晓旭　（大连交通大学环境与化学工程学院，辽宁大连１１６０２８）　摘要：将２０００—２００３年沈阳、广州、桂林、长沙、武汉、太原和青岛七座城市大气中总悬浮颗粒物、可吸入　颗粒物、二氧化硫、二氧化碳和氮氧化物五个污染监测指标数据进行对应分析研究，得出了各城市与其大　气中主要污染指标之间的对应关系，并根据对应分析结果为当地政府部门提出了合理化建议．研究表明对　应分析法应用于大气环境质量评价是可行的．　关键词：对应分析；环境质量评价；大气　中图分类号：Ｘ８２３　文献标识码：Ａ　０　引言　环境质量评价是按照一定评价标准和方法对　一定区域内的环境质量进行评定和预测，主要是　为环境规划与环境质量管理服务的．它的任务是　认识环境，即在取得大量实际资料或监测数据之　后，将质与量的概念结合起来，从而对环境的性质　做出定量的客观评价　．　目前在环境质量评价中使用的化学计量学方　法主要有：模糊数学法、灰色聚类法、主成分分析　法和因子分析法、人工神经网络等　』．其中，因　子分析法是研究一组变量（或样品）之间相关关　系的一种多元统计方法．因子分析从一组原始观　测数据出发，通过研究它的相关矩阵（或协方差　矩阵）的内部结构，找出对度量起支配作用的为　数较少的互不相关的主因子，在减少原始数据信　息损失的前提下，用少数几个主因子去代替数目　较多的有一定联系的原始变量，以揭示原始变量　之间的内在联系，合理解释原始变量之间的相关　性或将原始变量简化压缩　Ｊ．但是，这种方法在　环境质量评价研究上一般侧重于对采样点污染程　度进行评价、分级，对采样点污染相似性进行分类　研究．如果寻求建立变量和样品之间的关系，因子　分析法就比较困难了　．　对应分析法就是为了克服因子分析法的上述　不足而在其基础上发展起来的一种化学计量学方　法．该方法将因子分析中的Ｒ型（对变量）因子分　析法和Ｑ型（对样品）因子分析法统一起来．由于　在变量空间的样品点的主因子与在样品空间的变　量点的主因子在各自总方差中的贡献（点的百分　比）是相同的，因此可用同样的因子轴去同时表　示变量和样品，建立变量与样品之间的关系，把变　量和样品点同时反映在相同的因子平面内，并对　其进行分类分析和解释推断　Ｊ．目前，该方法在　医药卫生领域　和生态环境领域¨ｍ“］，取得了较　好的应用效果，但将对应分析法用于大气环境质　量评价报道的较少．　１　对应分析法　８－　３］　对应分析法是在Ｒ型和Ｑ型因子分析的基础　上发展起来的多元统计分析方法．它把尺型因子　和Ｑ型因子结合起来研究变量间、样品之间、变　量与样品间的关系，并将这三种信息表示在同一　张图上，从而进行分类，并结合定性资料进行解释　得出必要的结论．　对应分析法基本步骤如下：　（１）对原始数据进行标度　设有Ⅳ个样品，Ｐ个变量，原始数据矩阵为Ｘ＝　（　）ＰｘＮ（ｉ＝１，２，…，Ｐ；　＝１，２，…，Ⅳ）．（Ｐ×Ｎ）　收稿日期：２００９－０５—１３　作者简介：朱秀华（１９６５一），女，教授，博士，主要从事环境化学和化学计量学工作的研究　Ｅ・ｍａｉｌ：ｚｈｕｘｉｕｈｕａｌ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ＣＯＢ．

　大　连　交　通　大　学　学　报　第３ｌ卷　Ｐ　Ｎ　个原始数据　总和Ｔ：∑∑　（ｉ＝１，２，…，尸；　ｉ＝１｛＝１　：１，２，…，Ⅳ）．用　除　中的每一个元素，得　Ｚ　ｘ：Ｐ：　』　Ｐｌｌ　Ｐｌ２　Ｐ２１　Ｐ２２　●　●　：　：　ＰＰｌ　ＰＰ２　ｐ１Ⅳ　Ｐ２Ⅳ　●　：　ＰＰＮ　其中，每个元素出现的概率为Ｐ　＝Ｘｉｊ／Ｔ＝　Ｐ　Ｎ　／∑∑　（ｉ＝１，２，…，Ｐ；　＝１，２，…，Ⅳ）．　ｆ　１』＝１　Ⅳ　变量ｉ的边缘概率为Ｐ　＝∑Ｐ　Ｊ＝１　（ｉ＝１，２，…，Ｐ；　＝１，２，…，，ｖ）　Ｐ　样日ＩｚⅡ：ｌ　￣的边缘概率为Ｐｏｊ＝∑Ｐ　Ｊ＝１　（ｉ＝１，２，…，Ｐ；　＝１，２，…，Ⅳ）　（２）求协方差矩阵　对应分析的实质是将研究样品点之间的关系　转换成研究变量点之间的关系．对应于Ｒ型分　析，将矩阵Ｐ中每个元素按列除以样品边缘概率　Ｐｏｊ（　：１，２，…，Ⅳ）．为了统一量纲，再将矩阵中每　个元素乘以圭（　＝１，２，…，Ｐ）．　￣／Ｐｉｏ　通过计算转换得出矩阵Ｚ＝［ｚ　］　，其中　ｚ　（　１，２，…，Ｐ；　：１，２，…，　、，　ｘｏ　Ⅳ）．则变量的协方差矩阵为Ａ＝Ｚ・Ｚ　．同理，样　品的协方差矩阵为Ｂ＝Ｚ　Ｚ．　（３）求载荷矩阵并绘制对应分析因子聚点图　确定特征值累计比率和主成分因子个数．为　绘图方便，一般选取两个主成分因子．则对尺型，　选取变量的协方差矩阵Ａ最大与次大两个特征值　Ａ　与Ａ：，及相应特征向量ｅ　与ｅ　；对Ｑ型，选取样　品的协方差矩阵　最大与次大两个特征值Ａ　与　Ａ：，及相应特征向量　与　．将特征向量单位化　后，把ｅＩ￣／Ａ　和ｅ２￣／Ａ　分别记作　和Ｒ：，把”　√Ａ，　和１３２、／／Ａ。分别记作Ｑ　和Ｑ。，即得　型和Ｑ型因子　载荷矩阵．在Ｒ，一Ｒ：（即Ｑ　一Ｑ　）直角坐标系绘　制投影图，即得对应分析因子聚点图．并将邻近　的变量和样品点归为一类，从而对其进行解释和　推断．　２　七城市大气环境质量分析评价　２．１监测数据来源　本文所采用的大气监测数据取自文献［１４］．　表１列出了２０００～２００３年沈阳、广州、桂林、长　沙、武汉、太原和青岛七座城市环境空气质量监测　数据，主要大气污染监测指标为总悬浮颗粒物、可　吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化碳和氮氧化物，各　监测指标单位均为ｍｇ／ｍ　．　

表１七座城市大气环境主要污染因子监测数据ｍ　第１期　朱秀华，等：对应分析法在城市大气环境质量评价中的应用　９１　表１七座城市大气环境主要污染因子监测数据　“　（续）　

２．２对应分析法用于七城市环境质量评价　据表１中监测数据，对２０００～２００３年间沈　阳、广州、桂林、长沙、武汉、太原和青岛七座城市　环境质量按年份分别进行对应分析研究．其中，每　年监测变量数为５，每年监测样品数为７．计算得　出的特征值见表２．　表２特征值表　表２特征值表（续）　

按特征值的累计比率为０．８７选取主因子，则　选得主因子数Ｍ＝２．计算所选取主成分的　型　因子载荷矩阵和Ｏ型因子载荷矩阵，见表３和　表４．　

表３　Ｒ型因子载荷矩阵　大　连　交　通　大　学　学　报　第３ｌ卷　表４　Ｑ型因子载荷矩阵　城市　２０００　２ｏ０１　２ｏ０２　ｑ】　Ｑ２　Ｑ】　Ｑ２　Ｑｊ　ｑ２　Ｑ】　ｑ２　

据表３和表４中数据，将监测点沈阳、广州、　桂林、长沙、武汉、太原和青岛七座城市与２０００—　２００３年各城市的总悬浮颗粒物、可吸人颗粒物、　二氧化硫、二氧化碳和氮氧化物五个污染物监测　指标的主成分值同时绘制于相同因子平面上（见　／／　Ｊ／　、　／　附图），从图中可见，各监测点位与监测指标间的　对应关系．对附图进行分析，得出２０００～２００３年　各城市与各污染物监测指标间的对应关系，即得　出不同时间各城市的主要污染因子（见表５）．　

③　ｌ广州　）　＼、：茎竖．／　⑦　…　

附图各城市大气对应分析因子聚点图　表５

不同监测时间各城市主要污染因子　第１期　朱秀华，等：对应分析法在城市大气环境质量评价中的应用　９３　表５不同监测时间各城市主要污染因子（续）　

由表５分析可知：　（１）沈阳市的主要污染因子为二氧化碳、氮　氧化物、可吸入颗粒物．沈阳市是我国东北老工业　城市，工业发展历史悠久，建设了大量火力发电　厂、钢铁厂、炼焦厂、有色金属冶炼厂、石油化工厂　及水泥厂等，向大气环境中排放了较大量温室气　体和固体颗粒物．建议相关企业完成除尘器的改　造，政府相关单位对冒黑烟单位的进行污染治理，　拆除小吨位非工业生产燃煤锅炉，严格控制机动　车尾气达标率．沈阳市曾被列为世界十大污染城　市之一，但经过近些年的大力度环境治理，沈阳市　的大气环境质量已得到了较大改善；　（２）广州市的主要污染因子在２０００年到　２００２年之间是二氧化硫．广州市是我国工业发达　城市之一，消耗大量能源，其中煤炭资源的消耗是　大气环境主要污染因子为二氧化硫的主要原因．　经过政府相关部门对二氧化硫排放的控制后，　２００３年广州市的主要污染因子转变为氮氧化物．　广州市曾发生过光化学烟雾事件，而光化学烟雾　的元凶就是氮氧化物．随着城市的发展，机动车大　量出现，使氮氧化物成为广州市的主要污染因子．　建议政府大力发展公交事业，倡导市民使用清洁　能源和小排量汽车，减少汽车尾气排放；　（３）桂林的大气环境主要污染因子，综合来　说为可吸人颗粒物、二氧化碳、氮氧化物．桂林作　为旅游城市，交通繁忙，机动车数量较多，因此氮　氧化物排放较多．同时，丽江流域观光船只分散燃　烧能源，造成无组织非点源排放大量温室气体和　固体颗粒物情况出现．建议政府相关部门大力发　展公交事业，并改用天然气、液化气等清洁燃料．　同时，加强对丽江流域观光船只的管理，禁止分散　燃烧能源，杜绝无组织排放现象的发生；　（４）长沙和武汉的大气环境主要污染因子为　可吸人颗粒物、二氧化碳、氮氧化物．这主要是因　为这两座城市均属亚热带湿润季风气候，气候潮　湿，居于内陆，距海洋远，空气不易流通，排放到大　气中的污染物不易扩散．作为省会城市的长沙和　武汉，城市交通负担较重，汽车尾气成为影响空气　质量的一大重要污染源．并且建筑工地的扬尘控　制程度不够，致使可吸人颗粒物成为两地的主要　污染因子．因此，建议环保部门加大对公交、营运　机动车等高排放车型及用车大户的排气污染防治　工作．同时，从源头上严格控制扬尘产生，重抓建　筑施工工地，实施专人负责监督管理；　（５）太原市的大气环境主要污染因子为二氧　化硫和可吸人颗粒物．这主要与太原市为能源性　城市有关，全市的经济增长基本以冶金、化工、电　力、建材、煤炭等重污染行业的发展为主．建议企　业增设脱硫装置和除尘设备，做到达标排放。政　府相关部门淘汰和关停一批能耗高、污染重、效益　差的土小企业和国有企业，推动产业结构、能源结　构的调整，改善大气环境质量；　（６）青岛市的大气环境主要污染因子为总悬　浮物．青岛市的城市环境质量优良，可吸入颗粒　物、二氧化硫、氮氧化物等代表污染程度较高的污　染因子已不成为青岛市的主要污染因子．青岛地　处北温带季风区域，属温带季风气候，由于海洋环　境的直接调节，污染物可以快速扩散．同时，青岛　市大力发展轻工业和高新技术性产业，对环境污　染影响程度较小．　３　结语　对２０００～２００３年间沈阳、广州、桂林、长沙、　武汉、太原和青岛七座城市大气中总悬浮颗粒物、　可吸人颗粒物、二氧化硫、二氧化碳和氮氧化物五　个污染监测指标数据进行对应分析，研究表明：沈　阳市主要污染因子为二氧化碳、氮氧化物和可吸　人颗粒物；广州市主要污染因子由二氧化硫转变　为氮氧化物；桂林市主要污染因子为二氧化碳、氮　氧化物和可吸入颗粒物；长沙市和武汉市环境主　要污染因子为可吸人颗粒物、二氧化碳、氮氧化　物；