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城市空气质量分析
摘要环境污染问题是21世纪人类面临的重大挑战。本文运用层次分析法对亚洲11个城市的空气污染严峻程度给出分析和排名。
关键词环境污染,空气污染,SO2,SPM,NOх,CO,层次分析,推断矩阵,排名。
一背景及问题的提出
环境问题是当前世界各国普遍关注的问题之一,是21世纪人类面临的重大挑战。在社会的高速进展中,在人们不断的制造物质财宝,精神财宝的同时,人们忽视的自己赖以生存的环境。人们只知道肆意地向大自然索取,却不知道回报。大自然发怒了,它开头了向人类的报复。温室效应,大气污染,臭氧空洞,森林锐减,酸雨集中,土地荒漠化,水质污染,生物多样化和遗传多样性削减,气候现象变化特别……生态破坏和环境污染不仅给经济进展和人民生活带来损失,更严峻的是危害人民身体健康,并贻害子孙后代,破坏了人类赖以健康长久地生存的基本条件。
随着社会经济的快速进展,工业化水平的提高,人类活动对空气的污染越来越严峻,尤其是在城市集中了大量的工厂、车辆、人口。空气质量由于车辆、船舶、飞机的尾气、工业企业生产排放、居民生活和取暖、垃圾焚烧等的缘由,渐渐开头恶化。空气污染威逼着人类的日常生活,危害人体健康,给人们的工作带来不便,并影响或危害各种生物的生存,直接或间接地损害设备、建筑物……
空气中极其微少的污染物,都能对人体健康产生极大的影响,导致各种疾病的发生,甚至夺去人的生命。从1873~1973年这100年间,全世界已发生过19起重大空气污染大事,例如
1930年12月,在比利时马斯河谷工业区有害气体和粉尘污染空气,短短一周内就有60多人死亡。
1948年10月,美国宾夕法尼亚州多诺拉镇烟雾大事。由于空气污染致使43%的居民急呼吸道疾病。
1952年12月,英国伦敦光化学烟雾大事,两个月内死亡人数高达12000人!
1955年以后,日本四日市被硫酸雾掩盖。1964年该市市民哮喘病大发作,有人因气喘病而死亡。
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另一方面,亚洲是世界上进展相对比较落后的地区,人口众多,进展缓慢,为了加速经济的进展,各个国家大肆的对自然进行开发利用,对资源的利用量比较大,但同时对资源的有效利用率不高,对能源废弃物处理不够恰当充分,而且对环境污染给社会,给人类带来的影响生疏不够清楚充分。这样不仅损失了好多能源,还给环境带来了巨大的污染,尤其是空气污染。
亚洲虽然国家众多,城市众多,但是不同的国家引起空气污染的污染物种类和污染指数不同,所以各个国家的污染严峻程度不同。而且城市空气污染是多种不同污染物综合作用的结果。那么给出亚洲11个城市的空气质量调查状况(图表如下),如何依据所给数据,组建数学模型科学的对11个城市空气污染严峻程度排名呢。
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11城市空气质量
城市\污染物
SO2
SPM
NOх
CO
曼谷
!
!!!
!!
!
北京
!!!
!!!
!
!
加尔各答
!
!!!
!
!
德里
!
!!!
!
!
雅加达
!
!!!
!!
!!
卡拉奇
!
!!!
!!!
!
马尼拉
!
!!!
!!
!
孟买
!
!!!
!
!
汉城
!!!
!!!
!
!
上海
!!
!!!
!
!
东京
!
!
!
!
数据来源WHOUNEP1992
说明:
!!!格外严峻污染,超过WHO指标100%以上。
!!中度严峻污染,超过WHO指标,达到100%以下。
!低度污染,符合WHO指标或少量超过。
SO2二氧化硫,SPM悬浮颗粒物,NOх氮氧化物,CO一氧化碳。
WHO世界卫生组织
UNEP联合国环境规划署
以上摘自《全球环境展望2000》,联合国环境规划署,中国环境科学出版社2000。
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二数学建模
假设
在上面的表格中,我们可以看到有很多城市SO2,SPM,NOх,CO的各项指数都是相同的。虽然!,!!,!!!只是实际数据与WHO标准的比较所得到的,而这些原始数据并不肯定完全相同,但是为了简化问题,我们在这里做如下假设。
①表格中的数据具有权威性,值得信任,具有使用价值。
②不同城市的!,!!,!!!所代表的污染程度相同,不再加以区分。
这样问题就由11个城市的排名问题简化成6个城市的排名问题。新的表格如下:
城市\污染物
SO2
SPM
NOх
CO
曼谷
!
!!!
!!
!
北京
!!!
!!!
!
!
加尔各答
!
!!!
!
!
雅加达
!
!!!
!!
!!
上海
!!
!!!
!
!
东京
!
!
!
!
变量
Z——目标,P——污染因素,C——排序城市,
P1——SO2,P2——SPM,P3——NOх,P4——CO,
C1——曼谷,C2——北京,C3——加尔各答,
C4——雅加达,C5——上海,C6——东京。
建模
㈠将争辩目标(Z),因素(P),对象(C)按相关关系分成最高层,中间层和最低层。
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层次结构图如下:
城市排名
最高层:
CO
NOх
SPM
SO2
中间层:
东京
上海
雅加达
加尔各答
曼谷
北京
最低层:
㈡给出SO2,SPM,NOх,CO两两成对比较的推断矩阵A。再进行层次单排序及其全都性检验。
A的给出主要是依据SO2,SPM,NOх,CO在空气污染中的重要程度及对人群的影响。在下表中列出了SO2,SPM,NOх,CO各自的性质,来源以及危害,加以比较。
性质
来源
危害
SO2
无色的中等刺激性气体。
很大部分来自发电过程,工业生产以及汽车、飞机所排放的尾气。
二氧化硫主要影响呼吸道,二氧化硫对人的结膜和上呼吸道粘膜具有猛烈刺激。长期接触低浓度二氧化硫,会消灭倦怠、乏力、鼻炎、咽喉炎、支气管炎、味觉障碍、感冒不易康复等症状。~。假如你能闻到二氧化硫的气味,空气中的二氧化硫浓度至少有3ppm。此时人就会猛烈咳嗽、打喷嚏,感觉嗓子痛、胸闷、吸呼困难。而且二氧化硫也是植物的死敌。在低浓底时就能造成植物生长缓慢、落叶、枯死等受害症状。实际上二氧化硫在空气存在时间很短,大约几小时后,二氧化硫就能同空气中的水气结合形成硫酸雾。二氧化硫形成酸雾或酸雨还会腐蚀金属、器材,沉降到地面会破坏土壤和水质。它的毒性比二氧化硫本身10倍多。
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SPM
以颗粒形式分散在气流和大气中的污染物质。
汽车排放的废气和燃料不完全燃烧所形成的烟雾,还有家庭厨房油垢,吸烟及某些建筑材料释放出的污染物等。
在颗粒物中,空气动力学当量直径≤10微米的,易被鼻和嘴吸入的那部分颗粒物,称为可吸入微粒物。可吸入颗粒物能经鼻和口腔吸入人体,它可通过人的呼吸按粒径大小沉积于呼吸道的各个部位。粒径大于10微米以上的颗粒物大部分能被鼻腔和咽喉部阻挡,粒径小于10微米的颗粒物则可穿过鼻、咽进入肺部。细小的颗粒物吸入肺内可产生刺激作用,消灭粘液,从而引起肺部疾患。当有些患心脏病的人呼吸困难时,可导致心脏损害,严峻者还有生命危急。微粒上附着的很多有害物质,微粒越小,所含的多环芳烃和杂环化合物越多,危害也越大,甚至可导致肺癌等疾患。颗粒物同气体污染物二氧化硫的协同影响,可以减弱了日光的照射和能见度,使空中多云、多雾、浑浊。
NOх
一氧化氮、二氧化氮和硝酸雾,以二氧化氮为主。一氧化氮是无色、无刺激气味的不活泼气体,可被氧化成二氧化氮。二氧化氮是棕红色有刺激性臭味的气体。
车辆废气、火力发电站和其他工业燃料燃烧以及硝酸、氮肥、炸药的工业生产过程。
氮氧化物中的一氧化氮与血液中血红蛋白的亲和力比一氧化碳还强。通过呼吸道及肺进入血液,使其失去输氧力量,产生一氧化碳相同的严峻后果,而呼吸系统有问题的人士如哮喘病患者,会较易受二氧化氮影响。氮氧化物侵入肺脏深处的肺毛细血管,引起肺水肿等。对儿童来说,氮氧化物可能会造成肺部发育受损。而且氮氧化物和空气中的水气结合形成硝酸和亚硝酸,是酸雨的主要成分。那么它也会腐蚀金属、器材,沉降到地面会破坏土壤和水质。影响人们的肺部功能,对人类的健康有所损害。
CO
无色,无嗅,无味,剧毒性气体。
室外主要于燃煤、汽车尾气。室内主要来源于人群吸烟、取暖设备及厨房。取暖设备和厨房产生的一氧化碳主要是燃料的不完全燃烧引起
一氧化碳进入肺泡后很快会和血红蛋白(Hb)产生很强的亲合力,使血红蛋白形成碳氧血红蛋白(COHb),阻挡氧和血红蛋白的结合,减弱血红蛋白向人体各组织输送氧的力量,影响对供氧不足最为敏感的中枢神经(大脑)和心肌功能,造成组织缺氧,从而使人产生中毒症状。不同程度的中毒会消灭不同的反应,头痛、头昏、心悸、恶心、呕吐、四肢乏力、意识模糊,甚至昏迷,长时间的吸入一氧化碳还会影响孩子的智商。
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。
在争辩中发觉二氧化硫亦会导致死亡率上升,尤其是在悬浮颗粒物的协同作用下。
1989年,争辩人员对北京的两个居民区作了大气污染与死亡率的相关值争辩。争辩结果表明,大气中二氧化硫的浓度每增加1倍,总死亡率增加ll%;总悬浮颗粒物浓度每增加1倍,总死亡率增加4%。由此可以说明二氧化硫的影响较颗粒物的影响大很多。
SO2,SPM,NOх都会引起呼吸系统疾病,而且SO2和NOх的水溶物还是酸雨的主要成分。所以SO2和NOх对空气质量的影响比SPM的影响大。再从SO2和NOх的来源来比较,可以看出城市中的SO2和NO的污染水平相当。SPM的污染水平次之,但也是紧随其后。而SO2,SPM,NOх,CO中CO对环境的影响最小。
据此给出SO2,SPM,NOх,CO两两成对比较的推断矩阵。由Perron-Frobenions定理,非负矩阵存在正的最大模特征值,对应着正的特征向量。借助Matlab软件进行求取最大模特征根及相应特征向量的计算(计算过程见程序清单),再将所求的特征向量单位化后得到的就是因素P对目标Z相对重要性的权重,记为W。
Z——P
Z
P1
P2
P3
P4
W
P1
1
3
1
4
P2
1/3
1
1/3
2
P3
1
3
1
4
P4
1/4
1/2
1/4
1
λmax=
CI=
RI=
CI/RI=
CR<
由于CI/RI<,所以此排序有满足的全都性,这就是说W可以真正反映P:{P1,P2,P3,P4}在目标Z中所占的比重。
㈢给出最低层对中间层的各个因素的推断矩阵并进行分析。
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由于各个城市只存在污染程度的不同,所以只需给出!,!!,!!!之间的关系即可。我所给出的关系是!/!=1,!!/!!=1,!!!/!!!=1,!!!/!=5,!!!/!!=4,!!/!=3。
在这个关系的基础上,给出了最低层C:{C1,C2,C3,C4,C5,C6}对于中间层p:{P1,P2,P3,P4}各个因素的推断矩阵,并用MATLAB进行了类似的计算,显示出了对P1,P2,P3,P4的权重。结果如下,从结果中我们清楚地看到对这四个因素的排序都有满足的全都性,真正的反映了C在P1,P2,P3,P4中所占的比重。
P1——C
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P1
C1
C2
C3
C4
C5
C6
W1
C1
1
1/5
1
1
1/3
1
C2
5
1
5
5
4
5
C3
1
1/5
1
1
1/3
1
C4
1
1/5
1
1
1/3
1
C5
3
1/4
3
3
1
3
C6
1
1/5
1
1
1/3
1
λmax=
CI=
RI=
CI/RI=
CR<
P2——C
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P2
C1
C2
C3
C4
C5
C6
W2
C1
1
1
1
1
1
5
C2
1
1
1
1
1
5
C3
1
1
1
1
1
5
C4
1
1
1
1
1
5
C5
1
1
1
1
1
5
C6
1/5
1/5
1/5
1/5
1/5
1
λmax=
CI=
RI=
CI/RI=
CR<
P3——C
P3
C1
C2
C3
C4
C5
C6
W3
C1
1
3
3
1
3
3
C2C
1/3
1
1
1/3
1
1
C3
1/3
1
1
1/3
1
1
C4
1
3
3
1
3
3
C5
1/3
1
1
1/3
1
1
C6
1/3
1
1
1/3
1
1
λmax=
CI=
RI=
CI/RI=
CR<
P4——C