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2008 年北京市大气质量的灰色预测 ＊ 刘学欣 薛 安 北京大学环境工程系水沙科学教育部重点实验室, 北京 100871 摘要 运用灰色关联分析方法对北京市大气主要污染物质进行了分析, 得出 PM10、TSP 和 SO2是主要污染因子。 在此 基础上, 运用灰色系统理论建模方法, 分别建立主要污染因子的预测模型。 运用该模型预测出到 2008年北京市的 TSP 和 P M10仍不能达到国家二级标准。 在今后几年内降低颗粒物的污染是北京市大气污染控制工作的首要任务。 关键词 大气质量 预测 灰色系统 模型 ＊国家自然科学基金资助项目 40301036 对于北京市到 2008 年期间的大气质量预测, 其 具有空间尺度大 、 时间跨度长、原始数据较离散等特 点,这决定了灰色理论模型是最合适的预测模型。而 目前应用灰色理论模型预测大气质量 [ 1,2] 已经取得 了较好的效果, 本文采用灰色 理论模型对 北京市 2008 年的大气质量进行预测。 1 灰色模型原理 灰色系统理论以“部分信息已知,部分信息未知” 的“小样本” 、 “贫信息”的不确定性系统为研究对象, 将一切随机变量看作在一定时空范围内变化的灰色 量,将随机过程看作在一定范围内变化的与时间有关 的灰色过程 ,主要通过对已知信息的加工和开发, 提 取有价值的信息 ,实现对系统演化过程的正确认识和 有效控制 [ 3] 。 灰色系统 GM 1,1 的建模方法是 首先将原始 数据序列进行累加生成处理, 以弱化其随机性 ,随后 采用一阶单变量微分方程对生成数列进行拟合,得到 灰色预测模型, 然后对方程求出离散解 , 在检验模型 的精度满足要求之后, 最终预测出系统未来发展趋 势。建立GM 1, 1 模型的具体过程如下 [ 2,3] 1 选取等时距连续的一组原始数据列 x 0 k{ x 0 1, x 0 2, x 0 3, , x 0 n} k 1,2,3 , , n 1 2 对原始数据做一次累加 ,得到生成数据列 x 1 k{ x 0 1, x 0 2, x 0 3, , x 0 n} x 1 1 x 0 1 x 1 2 x 0 1x 0 2 x 1 nx 0 1x 0 2x 0 3 x 0 n 2 3 采用一阶单变量微分方程进行拟合 ,得到白 化形式的灰色动态模型 dx 1 dt ax 1 u 3 式中 a 发展系数 ; u 灰色作用量。 记参数列为 a a u 微分方程的解为 x 1 te -at x 0 1- u a u a 4 方程 4 是连续时间响应函数,对其进行离散化 ,得到 微分方程的数值解 x 1 k 1e -ak x 0 1- u a u a 5 用最小二乘法得到参数列 a B T B - 1 B T yn 其中 yn x 0 2, x 0 3, , x 0 n T B -1 2 x 1 1x 1 21 -1 2 x 1 2x 1 31 -1 2 x 1 n- 1x 1 n1 2 主因子分析 由于大气环境质量的总体水平取决于最低的一 项污染物浓度指标 [ 4] , 所以在主要的大气污染物 SO2、 NO2、 TSP 、 PM10中找到最主要的影响因子, 对于北 京市大气污染的防治工作具有重要的指导意义。而 灰色关联分析正是找出系统中主要影响因子的一种 有效方法。 灰色关联分析是一种分析系统中各因素关联程 69 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 度的方法 ,根据因素之间发展态势的相似或相异程度 来衡量因素间的接近程度 [ 5] 。本文对于北京市大气 主要污染物 TSP 、 PM10、 SO2、 NO2应用灰色关联分析的 方法进行分析, 判别影响大气环境质量的主要污染 因子 。 具体分析过程为 首先计算出 1997 年 ～ 2003 年 的空气质量指数 [ 6] I 见表 1 , 作为参考数列 , 然后对 各污染物浓度数据进行无量纲初值化处理,得到比较 数列, 之后计算出比较数列对于参考数列的关联度 γ 1 0. 567, γ 2 0. 515, γ 3 0. 850, γ 4 0. 643。对比 关联度 γ 3γ 4γ 1 γ 2,得知颗粒物 PM10、 TSP 为 主要因子 ,SO2次之 。 表 1 北京市大气质量数据表mg m3 年份 年I X0SO2 X1 NO2 X2PM10 X3TSP X4 19972. 0020 . 1270 . 1340 . 378 19981. 7920 . 1200 . 0740 . 378 19991. 6410 . 0800 . 0770. 1800 . 364 20001. 5520 . 0710 . 0710. 1620 . 353 20011. 5880 . 0640 . 0710. 1650 . 370 20021. 6150 . 0670 . 0760. 1660 . 373 20031. 2720 . 0610 . 0720. 1410 . 252 国家二级标准0 . 0600 . 0800. 1000 . 200 WHO 指导值0 . 0500 . 0500. 1000 . 090 注 1997 年～ 2003 年北京市大气主要污染物年日均值统计数据引 自 1997 年～ 2003 年北京统计信息年鉴。国家空气质量二级标准引自 北京市环保局 2003年环境公报。世界卫生组织 WHO 指导值引自北 京市大气污染控制对策研究 2002年 。 3 灰色预测 3. 1 模型建立 根据上述灰色模型的建模过程 ,分别对北京市大 气污染的主要影响因子 PM10、 TSP 、 SO2建立GM 1,1 模型 见表2。 从SO2的监测数据 见表1 可以看 出,1998 年以前北京市 SO2污染比较严重 , 但从 1998 年开始北京市采取紧急措施对 SO2污染进行了 控制,到 2003 年 SO2已基本达标 。为了保证用于模 型参数率定的数据的一致性, 最终选取的是 1999 年 以后 SO2的年日均浓度数据 。 表 2 PM10、TSP、SO2的灰色模型 污染物灰色模型 PM10 x 1 k 1-4 . 5223exp -0. 0378k 4. 7023 TSP x 1 k 1-8 . 7296exp -0. 0456k 9. 1076 SO2 x 1 k 1-1 . 7314exp -0. 0412k 1. 8114 3. 2 模型检验 对建立的灰色模型分别使用残差检验和后验差 检验 [ 7] 的方法进行检验。残差检验的结果见表 3, 后 验差检验的精度检验等级标准见表 4,后验差检验的 结果见表 5。 表3 中除个别数据外 , 相对误差均在 5以下。 这说明模型的精度能够满足预测的要求。表 5 的后 验差检验也表明, 这 3 个模型的精度是满足要求的。 这表明模型可以用于对北京市未来几年的大气质量 预测 。 3. 3 预测结果 大气污染物 PM10、 TSP 和SO2的灰色预测结果见 表6, 污染物质的监测数据与预测结果的拟和曲线如 图1 ～ 3 所示。可以看出 按照目前的发展趋势 , 到 2008 年, 北京市的 PM10和 TSP 仍无法达到国家二级 标准 见表 1 。 4 结果与讨论 利用灰色关联分析的方法对北京市主要大气污 染物进行了分析 ,确定出大气污染的主要影响因子依 次为PM10、 TSP 、 SO2。 这与“北京市大气污染控制对策 表 3 残差检验表mg m3 误差除外 年份 年 PM10 TSP SO2 监测值预测值残差相对误差 监测值预测值残差相对误差 监测值预测值残差相对误差 19970. 3780. 3780000 19980. 3780. 38913-0. 011132. 94 19990. 1800. 18000000. 3640. 38291-0. 018915. 200. 0800 . 0800000 20000. 1620. 16775-0. 005753. 550. 3530. 37413-0. 021135. 980. 0710 . 069880. 001121. 57 20010. 1650. 16728-0. 002301. 380. 3700. 360500. 009502. 570. 0640 . 06595- 0. 001953. 04 20020. 1660. 157820. 008184. 930. 3730. 314750. 00582515. 60. 0670 . 066300. 000701. 04 20030. 1410. 141590. 000590. 420. 2520. 251550. 000450. 180. 0610 . 06106- 0. 000060. 10 70 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 表 4 精度检验等级表 预测精度等级PC 好0 . 950 . 800 . 700 . 65 不合格≤0 . 70≥0 . 65 表 5 后验差检验表 污染物PC精度等级 PM10 10 . 366合格 TSP85. 70 . 597勉强 SO2 10 . 159好 表 6 PM10、TSP、SO2的预测结果表mg m3 年份 年PM10TSTSO2 20040 . 1450 . 2960 . 059 20050 . 1390 . 2830 . 057 20060 . 1340 . 2700 . 055 20070 . 1290 . 2580 . 052 20080 . 1240 . 2470 . 050 图 1 PM10拟和曲线 图 2 SO2拟和曲线 研究”项目中的建议以及“北京市政府控制大气污染 第十阶段的任务要求”是吻合的。 使用 1997～ 2003 年的历史数据, 对北京市大气 污染的主要影响因子 PM10、 TSP 和SO2分别建立灰色 系统理论模型。经检验, 模型的精度满足要求 。应用 模型预测出 2008 年北京市的 PM10、TSP 和 SO2的浓 度将分别为0. 124 mg m 3 、0. 247 mg m 3 、0. 050 mg m 3 。 根据北京奥运行动规划 , 到 2008 年北京市区大气 图 3 TSP 拟和曲线 污染物指标要达到世界卫生组织提出的指导值 。比 较指导值和预测结果可知 ,按照目前的发展趋势,在奥 运期间北京市的SO2可以达标,PM10和TSP 无法达标 。 对于 PM10的预测模型精度虽然很高 , 但是 PM10 是1999年才列入北京市大气主要污染物监测项目 的,原始数据较少, 通过模型预测的 PM10的浓度变化 趋势还有待于进一步验证 。 TSP 的预测值与监测值吻合程度不是十分理想, 主要原因是北京市政府在 2003 年加大了对 TSP 的控 制力度,使 TSP 的浓度下降幅度较大 与 2002 年相比 下降了 32. 7 。所以利用数学模型预测的只是年 平均浓度变化的大体的走势, 而要进行大气质量的长 期预测,必须重视分析社会、 经济、 政策等因素的发展 趋势以及它们对环境质量的影响。 参考文献 [ 1] 赵勇, 孙中党, 李有, 李小浩. 郑州市大气环境中的 NO2污染与 灰色预测. 安全与环境学报, 2002,2 4 38 -41. [ 2] 茅均标, 石健, 刘刚, 季继明. 灰色系统理论预测大气氮氧化物 污染的应用. 华东地质学院学报, 2003,26 1 38 -40. [ 3] 刘思峰, 郭天榜, 党耀国等. 灰色系统理论及其应用 第二版 . 北京 科学出版社, 1999 102 -150. [ 4] 吕应运, 佟庆, 徐滨, 仝德良. 北京远期能源需求与大气环境目 标及近期对策探讨. 清华大学学报 哲学社会科学版 , 2002, 17 6 86 -92. [ 5] 邓聚龙. 灰预测与灰决策 修订版 . 武汉 华中科技大学出版 社, 2002 204-206. [ 6] 吴鹏鸣等. 环境空气监测质量保证手册. 北京 中国环境科学 出版社, 1989 436. [ 7] 傅立. 灰色系统理论及其应用. 北京 科学技术文献出版社, 1992 58 -60. 作者通讯处 刘学欣 100871 北京大学环境工程系水沙科学教育 部重点实验室 电话 010 52767333 E -mail liuxuexin iee. pku. edu. cn 2005- 05-13 收稿 71 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 the optimal condition of extracting ligninis in pH3～ 4, extracting for 50 min at 80～ 90 ℃; the optimal condition for ligninsulfonated reaction is lignin Na2SO34∶ 3 w w, pH10. 5, reacting for 4 h at 80～ 90 ℃. The detection of the products shows that the surface activity of lignin has been improved obviously. Keywords paper mill sludge, lignin, sulfonation and water -reducing rate DETERMINATION OF COD IN HIGH SALINITY ORGANIC LIQUID WASTES BY HIGH -SPEED CATALYTIC Ma Jingying Ma Zengyi Yan Jianhua et al 64 Abstract Incineration is an ideal for high salinity organic liquid wastes. Determination of COD in these organic waste liquids is dominant for design of burmer and estimation of incineration efficiency. It is presented high-speed catalytic for oganic liquid with high concentration of chloride ion and organic compounds. Relative error is 0. 15～ 5. 8 when the concentration of Cl-is 20 000～ 60 000 mg L. Accuracy of the is good, the relative error of six measured results is less than 2 and the recovery is 98～ 102. There is no “ prominent difference” between standard and high-speed catalytic . Keywords COD, Cl-, high -speed catalytic, organic liquid wastes and incineration TESTING OF TOTAL PHOSPHORUS USING MODIFIED DISSOLVING PROCESS Zhang Fengru 66 Abstract It is studied that determination of total phosphorus in a water sample by hydrogen peroxide -boiling water bath dissolving process. The results show that the new process features simple operation, complete dissolution, which can be well compared with the traditional , whose precision and accuracy are satisfactory. Keywords total phosphorus, hydrogen peroxide -boiling water bath dissolving process, precision and accuracy ASSESSMENT ON TRAFFIC ATMOSPHERE ENVIRONMENTAL QUALITY BY EQUIVALENT NUMERICAL Qin Zhibin Bian Yaozhang Li Yuzhi 68 Abstract The model of equivalent numerical is established for atmosphere quality grade according to state standard for atmosphere quality, its use shows that it is a scientific and a new for uating traffic environmental atmosphere quality . Keywords quality standard, atmosphere quality assessment and equivalent numerical GREY PREDICTION OF AIR QUALITY IN THE YEAR OF 2008 IN BEIJING Liu Xuexin Xue An 69 Abstract A result is obtained that PM10, TSP and SO2are the main factors of the atmospheric pollutant in Beijing by grey relational analysis. Based on the result, a forecasting modelof main pollution factor is established by using grey systems. The forecasting result is thatTSP and PM10will exceed the national standard Ⅱ in the year of 2008 in Beijing. In the next years, the most important tasks of air pollution control in Beijing are to reduce the particulate pollution. Keywords air quality , prediction, grey systems and model ENGINEERING DESIGN OF WASTEWATER TREATMENT IN A SMALL PHARMACEUTICAL FACTORYLiu Wei Chen Minghui Shang Jincheng 72 Abstract The wastewater from a small pharmaceutical factory features large flucluation in its quality and quantity. Using popular technology is hardly fit for the great change. The technology of hydrolytic acidificationbiocontact oxidization has higher resistance to shock load. The results of engineering examples show that the equipment with the procedure can be operated stably for a long time; the effluent can reach standard of discharging. Keywords hydrolytic acidification, bio -contact oxidization, small scale and wastewater of pharmacy THE INFLUENCE OFREACTOR TEMPERATURE ON AUTOTHERMALTHERMOPHILIC AEROBIC DIGESTIONCheng Jiehong Feng Lei Yin Binkui et al 74 Abstract Biosolidswas produced by sewage plant in the course of treatment urban sewage. A pilot scale facility of atuothermal thermophilic aerobic digestion ATADwas designed for stabilization of the biosolid. The affect of reactor temperature on stabilization of the biosolid and main factors affecting reactor temperature increasing were studied by the way of batch operation. The results showed a. the remarkable effects of reactor temperature on the removal of volatile suspended solid VSSwere obtained. And a higher reactor temperature produces a higher removal of VSS. b. Factors of reactor temperature were Influencedby influenttotal suspended solid, digestion time and aeration rate. Biosolidwasstabilizedwhen the highest reactor temperature and the removal of VSS were 49 ℃ and 41. 7 respectively under the conditions of 37. 2 g L of influent VSS and 14 ～ 17 d of digestion time. Keywords biosolids stabilization, ATAD, reactor temperature and removal of VSS 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 2,Apr. ,2006