武汉市大气环境质量评价模糊数学模型研究.docx
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武汉市大气环境质量评价模糊数学模型研究
武汉市大气环境质量评价模糊数学模型研究
摘要
随着现代工业的不断发展，城市环境问题日趋严重。
直接影响人们的生存环境，影响经济、社会、环境的协调发展。
大气环境污染，已经成为人们倍受关注的城市环境污染问题之一。
为了有效地冶理大气环境污染，首先须对大气环境质量作出科学评价。
这对客观认识城市大气污染现状，预测其发展趋势，并有效地进行大气污染控制，实施可持续发展战略具有重要意义。
本文在收集武汉市大气监测数据及有关资料（如气候、地理、功能区的规划等）和分析研究大气环境质量评价方法的基础上，针对大气环境的多祸合性与复杂动态性，并考虑到环境质量评价中评价主体、监测资料、评价标准及环境要素的不确定性，提出用运模糊数学综合评判的方法进行大气环境质量评价。
本办法通过确定大气污染评价因子和其评价等级的界定，建立降半梯形隶属函数，运用超标倍数加权法计算权重并进行归一化处理，建立起加权平均型武汉市大气环境质量评价数学模型。
又进一步引入了数据库和C一语言计算机程序便于数据接口，避免了繁琐的人工计算。
结果表明:
此模型不仅注意到分级界限的模糊性，而且在信息利用率和判别精度上和别的评价方法相比有很大优势。
该方法科学、简便、精确、所得结果与武汉市大气环境质量现状相符合，具有较强的实际应用价值。
关键词:
大气环境质量评价模糊综合评判数学模型
隶属函数隶属度权重
AstudyonMathematicalmodelofAtmosphereEnvironmentalqualityAssessmentinWUhanCity
Abstract
Withthedevelopmentofmodemindustry，theenvironmentofcitybecomesmoreandmoreserious.ItdireetlyaffeetstheenvironmentofPeoPle，life，andthedevelopmentamongeconomysocietyandenvironment.Theairpollutionisonequestionofenvironmentineity，andismotionedbymoreandmorepeople.InordertoefficientlycontrolairPollution，weshouldmakesscientificassessmenttoairquality.Sotheresearchforitisveryimportantwhichweobjeetiveandaceurate
StudytheeurrentsitUationofairPollutionincityandPredietthedeveloPmenttrend，alsoeffieientlycontroloftheairpollutiontomakethestrategyofthesustainabledevelopment.
Basedoncolleetingtheairqualitydatesforweather，geography，thearrangementofcityandstudyingthemethodonatmospherieenvironmentqualityassessment，thepaperassessestheatmosphereenvironmentialqualitywiththemethodoffuzzycomprehensivejudgement.Consideringthatenvironmentalsystemiscomplicate，changeableandmultipleaffacted，onthebasisofthefuzzysetmachematiesprinciples，stimulatesassessmentgrade，thispaperdiscusseshowtoestablishjudgingmethodstandardandfactors，setsupfallingtraperiodsubordinatefunetionforthesystemAndratiooftheenvironmentialfactorskythemethodofoverstandardwithweight.Theweightingaveragemathematicmodelisfounded.Dadabaseandcomputerproeedureisalsointroducedinto
thismodelbyC++language，whichoffersthejudglneniaceesstodatabaseandavoidstroublesomeCalculatingbymanPower.
Theresultprove:
Thismodelnotonlyconsidersthefuzzinessofclassificationlimitbutalsohasbetterstrengthtoenhancestheprecisionandutilizationradioofinformationthanothermethod.
Therefore，themethodisseientifie、simPle、aceurate.Itissuccessfulappliedtoanalyzeandevaluatetheatmosphereenvironmentqualityinrentreality.yearsofWuhancity，Theconclusionisclosetothe
reality
keyword
Atmosphereenvironmentqualityassessmeni
Fuzzycomprehensivejudgement
Mathematicalmodel.
Subordinatefunction
Subordinatedegree
weight
Thedesignofdatabase
目录
第一章绪论…………………………………………….……1
1.1日益严重的环境问题……………………………………………..1
1.2我国大气环境质量评价的发展和现状…………………………..2
1.3大气环境污染…………………………………………………….4
1.4大气环境质量评价的方法……………………………………….9
第二章模糊综合评判法的研究………………………..….14
2.1模糊综合评价的理论基础………………………………………14
2.2模糊综合评判法的基本原理……………………………………24
2.3模糊综合评判法数学模型的的建立………………………….27
第三章武汉市大气环境质量评价资料收集与分析研究….30
3.1武汉市大气环境资料的收集…………………………………30
3.2武汉市大气环境监侧资料的分析研究………………………33
第四章武汉市大气环境质通评价数学模型的建立……40
4.1综述……………………………………….………………………40
4.2数学模型的选择与建立…………………………………………41
4.3数学模型的建立步骤…………………………………………….42
第五章结论与建议…………………………………………56
5.1结论…………………………………………………………….56
5.2建议……………………………………………………………..58
参考文献………………………………………………………..58
致谢……………………………………………………………61
英文参考文献…………………………………………………62
英文翻译………………………………………………………87
第一章绪论
1.1日益严重的环境问题
20世纪后半期，人类历史进入了一个新纪元。
科学技术飞速发展，带动经济生产力得到极大扩展，交通通讯使整个地球越来越成为一体，由此，人民生活水平得到极大提高，社会生活也达到了一个前所未有的阶段。
但是，这一过程中，环境问题却作为人们谋求福利过程中的不和谐音符刺耳的回响在地球的上空，成为悬在人们头上的达摩斯剑而威胁到人类的生存。
全球意义上的环境质量问题以臭氧层的破坏，全球气候变暖和生物多样性的迅速丧失最为引人注目。
在区域范围内，普遍存在着自然资源的过度消耗，土地过度垦殖，草地过度放牧，林木过度砍伐，地下资源过度开采，人类以极快的速度消耗着需要上万年甚至上亿年才形成的资源。
过度消耗和由此造成的环境质量不断恶化的直接和间接后果是改变了地球的面貌，并引起了生态系统的变化。
另一方面，人类不适当的生活方式将大量的废弃物不负责任地排入自然环境中，各种废气，污水，固体废弃物四处飘散，流淌和堆积，有些甚至直接包含着放射性物质，严重污染了人类生存于其中的环境，反过来损害者人类的生活质量。
在现实生活中，我们已经亲身感受到了环境变化所引起的不良后果。
比如生态破坏所引起的干旱，洪涝，不洁净空气，它们引发的疾病，自然生态变化以及所导致的生物大量灭绝，等等。
许多人都知道前苏联切尔诺贝利核反应堆爆炸所造成的大范围核污染，在中国我们肯定对发生在1998年夏天的长江流域特大洪水灾害记忆犹新，为黄河这条母亲河的断流而痛心疾首。
为近年来在淮河，太湖滇池采取的“零点行动”所揭示的后果所震撼。
有估计表明，在中国的主要城市中，每年有17.8万人由于大气污染的危害而过早的死亡；每年因大气污染致病而造成的工作日损失达740万人年；截止到1995年全国135条受监测的城市河段中有52条已受到严重的污染，其水质连灌溉的标准都达不到，成千上万的城市居民的未来生活饮用水源遭到威胁；中国南部和西南部高硫煤大区的酸雨影响已经危及全国百分之十的土地面积，使受影响地区的农作物及林业生产率平均下降了3%；在沈阳，上海及其其他一些城市，受调查的儿童血液中铅含量平均超过对智力发展不利水平的80%左右。
中国的大气和水污染，尤其是细微颗粒物对人体健康对人体健康的危害每年至少达540亿美元，几乎是1995年中国国内生产总值的8%。
我国是发展的中国家，实现社会主义现代化必须坚持经济发展、人口增长和环境保护协调发展的方针、走可持续发展的道路。
随着现代工业的发展，城市环境问题日趋严重，直接影响着人们的生存环境和经济、社会、环境的协调发展，引起了人们的普通关注。
武汉市作为华中第一大城市和最大工业中心，其城区主要特征是人口密集，工商业分布相对集中。
随着工业化的不断发展，武汉市每年排放的废气超过1000亿立方米，其中城区就占80%以上，对大气环境造成了严重污染。
对武汉市大气环境评价现状进行准确的评价并预测其发展趋势，是城市环境管理和规划工作的基础。
根据实际监测的结果对大气环境质量进行客观的综评价，对于正确认识大气环境污染现状及其趋势，从而有效地进行大气污染的控制和治理以及实施可持续发展战略具有十分重要的意义。
1.2我国大气环境质量评价的发展和现状
环境质量评价从辞义上讲是对环境质量优劣的定量描述和评定，它是认识和研究环境的一种科学方法.在1983年召开的第二次全国环境保护会议上，把环境保护确立为我国的基本国策，并提出了“预防为主，防治结合、综合治理”的基本方针，实现这一方针的重要手段是开展环境质量评价。
环境质量评价是环境科学的分支学科。
60年代以来，世界各国都注意到了环境质量的研究工作。
我国的环境质量评价起源于70年代初期，几十年来大致经历了准备、发展、完善三个阶段。
1.2.1准各阶段（1972一1979）
这是我国环境保护事业创业阶段。
1972年中国派团出席斯德哥尔摩人类环境会议，接着在1973年召开了全国第一次环境保护会议。
随后环境保护工作在全国范围内开展起来。
环境保护的第一步是了解环境状况，因此，从1973年起中国陆续开展了环境质量评价工作。
1979年9月，中国环境学会在南京召开了学术座谈会，总结了这一阶段环境质量评价工作的经验，编写了“环境质量评价参考提纲”，为各地环境质量评价研究提供了方法学。
.1.2.2发展阶段（1980-1990）
自从1979年9月《中华人民共和国环境保护法（试行）））颁发以来，环境评价工作进入了一个全新的发展阶段。
队伍日益壮大，法规逐步完善、评价范围不断扩大。
评价方法学研究进展较快。
公众健康评价、风险评价等开始引入我国的评价领域。
环保法规形成体系，大大推动了环境评价制度的发展。
1.2.3完善阶段（1991一至今）
进入90年代，我国的环境评价工作随着改革开放的迅速发展开始与国际接轨，其特点是:
环境评价范围进一步扩大，已经从单一的工程项目评价过渡到区域评价。
不久的将来，还将逐步过渡到战略环境评价，即对将出台的法规、政策等进行环境评价:
环境评价与国际接轨，引进必要的国际通用的规程、规范，特别是要引进国际金融组织（世界银行、亚洲开发银行）的环境评价规范;重视公众参与、环境监测与环境管理等评价内容与方法。
1.3大气环境污染
通常所说的的环境污染，是指大气中有害物质的数量，浓度和存留时间超过大气环境所允许的范围。
即超过了空气的扩散能力，使大气质量恶化，给人类和生态环境带来了直接或间接地不良影响。
1.3.1大气污染源
定义与分类：
造成大气污染的空气污染物的发生源称之为空气污染源。
可分为自然员和人为源两大类。
自然源包括风吹扬尘，火山爆发产生的气体与尘粒，闪电产生的气体如臭氧和氮氧化物，植物和动物腐烂产生的气体，森林火灾造成的烟气与飞灰，自然放射性源和其他产生的有害物质并向大气排放的源。
人为源是形成大气污染问题，尤其是局部的空气污染的主要原因。
它们是从人们的生产和生活过程中产生的。
污染物排放量与源强：
污染物排放污染物的数量的概念以源强或排放速率表示，点源是以单位时间排放的物质量，或者以单位时间排放污染物的体积表示；线源源强是以单位时间，单位长度表示的；面源是以单位时间，单位面积上排放的污染物的量表示的。
以上三种形式的源强都指连续排放而言的，对于瞬时源则是以一次施放的污染物的总量表示的。
1.3.2大气污染物
（1）主要空气污染物种类：
研究表明，大气中有上百种物质可以认为是空气污染物。
对污染物有多种分类烦恼广发，若根据它们的化学成分，则可以归纳为如下几种：
（a）含硫化合物：
主要是二氧化硫，二氧化硫，二甲基硫和硫化氢等；
（b）含氮化合物：
主要是二氧化氮，氨和硝酸盐，铵盐等；
（c）含碳化合物：
主要有一氧化碳和烃类，即碳氢化合物；
（d）卤代化合物：
即由氟氯溴碘与烃类结合的化合物，亦称卤代烃；
（e）放射性物质和其他有毒物质：
如过氧酰基硝酸酯等致癌物质。
按照污染物的形态，则可分为气体，固体和液体污染物。
根据空气污染物形成的方式，则可以分为一次性污染物和二次性污染物，前者是从污染源直接生成并排放进入大气的，在大气中保持其原有的化学物质；后者则是在一次污染物之间或大气中非污染物之间发生化学反应而形成的。
主要的一次污染物有二氧化硫，氮氧化物和颗粒物等；二次污染物有光化学烟雾，酸性沉积物，臭氧等。
（2）大气组成与空气污染物成分：
大气由多种气体混合而成，可以分为恒定成分，可变成分和不定成分。
恒定成分有氮.氧.氩.氪等气体；可变成分有二氧化碳和水汽，它们的含量随季节，地区，气象条件等因素的变化而变化；不定成分有氮氧化物，二氧化硫，硫化氢，臭氧等。
表1—3—1列出了洁净大气的组成和城市环境污染空气中一些成分的含量（浓度表示）。
表1—3—1洁净大气组成和污染空气一些成分含量
化学成分
洁净大气
污染空气
氮
78.09%
氧
20.94%
氩
0.93%
氖
18.18x10-6
氪
5.24x10-6
氙
1.14x10-6
氡
0.08x10-6
二氧化碳
0.033%
（350---700）x10-6
甲烷
1.40x10-6
氢
0.50x10-6
一氧化碳
0.10x10-6
（5---200）x10-6
臭氧
（0.02—0.8）x10-6
（0.1---0.5）x10-6
二氧化氮
0.001x106
（0.05---0.25）x10-6
一氧化氟
0.006x10-6
（0.05---0.75）x10-6
二氧化硫
（0.001—0.01）10-6
（0.02----2）x10-6
1.3.3大气扩散过程
在大气污染检测工作中，常常会发现，在同一地点并针对来自同一污染源的某种空气污染物，有时可以测到很高的浓度，有时却测不出来，不同时间的测量值具有很大的差异。
这固然与污染源排放条件的变化以及采样点位置的选取有关，但主要是气象条件的影响所致。
大气扩散的理论研究和实验研究表明，在不同的气象条件下，同一污染源排放所造成的地面污染物浓度可相差几十倍乃至几百倍。
这是由于大气对污染物的稀释扩散能力随着气象条件的不同而发生巨大的变化的缘故。
日常观察经验也发现，有时烟囱排出的烟流像一根带子那样飘向远方而迟迟不散开，另一些时候，烟气一排入大气就很快散布开来与周围空气混合。
由此可见大气扩散过程直接影响到大气环境污染的程度。
下面的基本概念是理解大气扩散过程所必需的。
（1）大气湍流
湍流是一种不规则的运动，其特征量是时空随即变量。
在大气中，由于受各种大气尺度的影响的结果，导致三维空间的风向，风速发生连续的随即涨落，这种涨落是大气中污染物质扩散过程的一种特征。
由机械或动力作用生成机械湍流，如近地面风切变，地表非均一性和粗糙度均可产生这种机械湍流活动。
由各种热力因子诱生的湍流称热力湍流，如太阳加热地表导致热对流泡向上运动，地表受热不均匀或气层不稳定等都可引起热力湍流。
一般情况下，大气湍流的强弱取决于热力和动力两因子。
在气温垂直分布呈强递减时，热力因子起主要作用，而在中性层结情况下，动力因子往往起主要作用。
（2）大气稳定度和污染
大气稳定度是表示气团是否易于发生垂直运动的判据。
用气体的垂直分布表征大气层结的稳定度，直接影响湍流活动的前因。
支配空气污染物的散布。
气温日变化可以影响到离地500m至1000m的范围。
低层的日出后和日落前，近地面气层会出现等温过程。
用气温的垂直递减率γ与干绝热递减率γd可以比较方便地判断气层的稳定度（静力稳定度）。
见表1—3—2
表1—3—2判断近地面稳定度的条件
稳定
γ<γd
中性
γ=γd
不稳定
γ>γd
大气湍流结构与大气层温度分布密切相关，所以在研究大气扩散时，大气层的稳定度是很重要的因子。
当大气层处于不稳定层结时会促使湍流运动的发展，使大气扩散稀释能力加强；反之当大气处于稳定层结时，则对湍流起抑制作用，减弱大气的扩散能力。
（3）影响大气污染的其因素
风：
空气相对于地面的水平运动称为风，它有大小和方向之分，排入到大气中的污染物在风的作用下，会被输送到其他地区，风速愈大，单位时间内污染物被输送的距离愈远，输入的空气量愈多，污染物浓度愈低，所以风不但对污染物进行水平搬运，而且有稀释冲淡的作用，同时污染物总是分布在污染源的下风向，于是在考虑风速和风向和风速对污染物浓度的影响时，常引入污染系数的概念：
污染系数=风向频率/平均速度
由式可知，风频低，风速高，污染系数小，意指空气污染程度轻。
另外，风随高度的变化亦有影响。
辐射和云：
太阳辐射是地球大气的主要能量来源，地面和大气层一方面接受太阳辐射能，另一方面放出辐射能。
地面及大气的热状况，温度的分布和不均制约着大气运动状况，影响着云与降水的形成，对空气的污染起着一定的作用。
在晴朗的白天，太阳辐射首先加热了地面，近地层的空气温度升高，使大气处于不稳定状态；夜间地面辐射失去热量，使近地层气温下降，形成逆温，大气稳定。
由于太阳的辐射有反射作用，它的存在会减少到达到地面的直接辐射，同时云层又加强大气逆辐射，减少地面的有效辐射，因此云层的存在可以减少气层随高度的变化。
有探测结果表明某些地区冬季阴天时，温度结层几乎没有昼夜变化。
天气形势：
天气现象与气候状况都是在相应的天气形势背景下产生的。
一般情况下，阻碍低气压控制下，空气有上升运动，云量较多，假若风速再稍大，大气多为中性或不稳定状态，有利于污染物的的扩散。
相反，在高气压控制下，一般天气晴朗，风速较小，并伴有空气的下沉运动，往往在一两百米或几千米的高度上形成下沉逆温，抑制湍流的向上发展。
夜间有利于形成辐射逆温阻止污染物扩散，容易造成地面污染。
下垫面条件：
地形和下垫面的非均匀性，对气流运动和气象条件会产生动力和热力的影响，从而改变空气污染物的扩散条件。
其中山区地形，水陆界面和城市热岛效应是是三个最典型的下垫面对大气污染的影响。
城市上空的热岛效应和粗糙效应，有利于污染物的扩散，但在一些建筑物背后居地气流的分流和滞留则会是污染物积聚。
由于地形的影响会使地表受热不均匀，从而形成山谷风，以及由于地表性质不均而形成的海陆风等，都会改变大气流场和温度场的分布，从而影响空气污染物的散布。
1.4大气环境质量评价的方法
目前在实际环境质量评价中,环境质量指数的分级方法主要有积分值法、加权求和法等，它们简单易行。
但在很多情况下,评价等级难以用一个简单的数值表示,对大气环境质量综合评价的分级同样存在这样的要求。
例如，SO2的空气质量标准（日平均），一级标准为0.05mg/m3,二级标准为0.15mg/m3，若实测值是0.11mg/m3，那么应将其归为一级还是归为二级?
确切地讲，它介于一级、二级之间。
如果有另一个因子，如HF浓度介于二级和三级之间，这时又如何判定空气质量的级别?
因此,这时采用模糊数学的综合评定法则更全面、更客观。
1.4.1大气环境质量评价的概念和特点
环境质量评价的本质在于环境质量评价是环境质量价值的反映。
环境质量的价值是客观的，而人对这一价值的反映则是主观的，价值评价要以科学认识为前提和基础，但不能用科学认识来代替价值评价。
环境质量评价是一个过程，在这个过程中作为环境质量评价的主体—人类社会认识到自己的需要和环境在现有条件下对这需要的满足程度，同时还对满足自己需要的理想环境质量形成了概念.在评价的进程中，不仅要熟知客观存在的环境质量，而且要判断这种环境质量对自己需要来说有什么问题。
环境质量评价的本质决定了环境质量的基本特点:
（l）环境质量评价随评价主体的变化而变化。
环境质量评价的结果是以环境质量对人类生活和工作特别是对人类健康的适应适度为依据的。
因此在评价的过程中必然要折射出人的态度、意志和选择.而人是社会的人，是具体的、历史的、不断变化着的，因此环境质量评价的一大特点是把一定的或变化着的环境状态，同不断发展着的人及其需要联系起来加以判断。
（2）环境质量评价随道德准则的不同而不同。
环境质量评价的结果要受到道德准则的制约和影响。
而人的道德准则因人而异，既不能以少数人的眼前利益为主体需要，又不能对其简单粗暴地加以否决。
1.4.2大气环境质量评价方法的评述
根据实际监测的结果对大气环境质量进行客观的综合评价，对于正确认识大气环境污染现状,从而有效进行大气污染的控制与
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