基于姚氏指数法城市环境空气质量评价研究

安国安 史淑娟 申剑 邢昱

（河南省环境监测中心，河南郑州450004）

基于姚氏指数法城市环境空气质量评价研究

安国安 史淑娟 申剑 邢昱

（河南省环境监测中心，河南郑州450004）

依据城市环境空气环境质量监测结果进行年度定性评价，是对城市日定性评价及年度达标评价的延伸。而采用正确评价方法是保障年度定性结果是否合理的关键。研究选用上海姚氏指数法对各监测项目质量指数进行几何平均，同时结合环境空气质量指数（AQI）技术规定（HJ633-2012）和环境空气质量技术规范（试行）（HJ633-2013）要求，初步确定城市年度等较长时间段空气质量状况定性为“优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染”相应姚氏指数取值范围，结果表明，所选用的评价方法基本满足了城市年度、半年度、季度、月度等时间段城市环境空气质量定性评价的需求，具有广泛的应用价值。

城市环境；空气质量；姚氏指数；定性评价

2012年2月29日，《环境空气质量标准》（GB3095-2012）［1］及《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ633-2012）［2］环境保护部正式发布。前者规定了各污染物的浓度限值、分析方法及数据有效性，后者对AQI指数的定义、计算方法进行了描述，并规定了空气质量日报发布的新要求。2013年9月22日和2014年7月29日环境保护部又相继发布了《环境空气质量评价技术规范（试行）》（HJ633-2013）［3］和《城市环境空气质量排名技术规定》［4］，使城市环境空气质量监测及评价更加准确、可靠，为监测结论与人们感知一致性提高奠定了坚实的基础。

在工作中发现，目前国家对日城市空气质量指数类别以“优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染”6个类别评价［2］，以及年度以污染物年均浓度（CO和O3除外）和特定的百分位数浓度同时达标的评价比较全面［3］。但是，年度评价中缺乏像日环境空气质量评价一样的6个类别的定性评价，仅有是否达到一级、二级标准的达标评价，而对于超二级标准情况没有进一步分级评价，在我国目前北方大部分城市处于严重超二级环境空气质量标准的情况下，不足以反映污染程度差异，需进一步完善。同时，在国家74个城市空气质量排名中，仅以城市空气质量综合指数从低到高、空气质量由优到劣排序，缺乏定性含义。为此，尝试性地提出河南省城市年度及较长时间段定性评价方法，以期为同行业内进行城市环境空气年度、半年度、季度、月度定评价工作提供借鉴。

1　研究方法

1.1研究数据选取

河南省有18个省辖市、10个省直管县（市），国控、省控城市环境空气自动站99个。其中，郑州市等17个省辖市的75个自动站为国控点位，济源市及10个省直管县（市）的24个自动站为省控点位。2013年，郑州市开始按国家要求新标准进行监测，2014年开封、洛阳、平顶山、安阳、焦作和三门峡6个重点城市按新标准监测，2015年其他11个省辖市及10个省直管县（市）按新标准监测。2013、2014、2015年74个国家重点城市按照新标准监测数据。

1.2城市环境空气质量年度定性评价指数确定

在众多指数法中，选取了上海姚氏指数法对年度环境空气质量进行评价，该方法简单易操作，其含义与环境空气质量综合指数法相近，满足环境空气质量评价技术规范要求。需先对各项污染因子进行等标化处理，计算平均环境空气质量综合指数，然后与环境空气质量最大指数几何平均，兼顾了首要污染因子及各项污染因子的污染贡献比。显然该方法以环境空气质量综合指数法评价年度空气质量优劣为基础，同时能够反映各项污染物的平均负荷及首要污染物的污染贡献。

城市环境空气质量定性指数，结合环境空气质量标准（GB3096-2012）初步选取了二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5）6项污染物进行定性评价，将各污染物的浓度进行无量纲化处理，得到各项污染物的单项质量指数，然后将各单项质量指数处理得到城市环境空气质量定性综合指数。城市环境空气质量综合指数的计算方式见式（1）～（4）。

式（1）中：Ii为指标i的单项质量指数；Ci，a为污染物i的年均值浓度值，i包括SO2、NO2、PM10、PM2.5；Si，a为污染物i的年均值二级标准限值，i包括SO2、NO2、PM10、PM2.5；为污染物i的24平均浓度的特定百分位数浓度，i包括SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O（3对于O3，为日最大8h均值的特定百分位数浓度）；对于半年度、季度、月度评价以相应时间段数据替换年度Si，a即可；Si，d为污染物i的24平均浓度限值二级标准（对于O3，为日最大8h均值的二级标准）。

式（2）（3）中：Imax为环境空气质量最大指数；Isum为环境空气质量综合指数。

式（4）中：I为城市环境空气质量定性综合指数；n为评价污染物数。

1.3城市环境空气质量定性综合指数分级

姚氏指数作为一种无量纲指数，还存在自身局限性，环境意义直观性不强，只能用于环境污染程度的升高或减轻，无法对环境质量做出直观、明确的定性评价，不具备表征环境空气质量性状的意义。为此，需对姚氏指数赋值，增加环境质量的定性含义，根据其不同取值范围进行定性描述。本文依据环境空气质量标准及相关评价规范对姚氏指数进行分级赋值。

为了能形象地描述较长时间一个区域的环境空气质量，将《环境空气质量标准》（GB3095-2012）的质量级别细化和形象化十分必要，环境空气质量定性分级就是将环境空气质量的好坏分为“优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染”6个级别。但《环境空气质量标准》（GB3095-2012）只有2个级别，我们的做法是：结合标准的内涵，将一级、二级与优、良两个等级对应，对超二级再做细化，分出轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染4个级别。具体划分如下。

《环境空气质量标准》（GB3095-2012）将环境空气质量分为二个类区，在制定该标准时，将一类区作为“保护生态及公众福利”对象，主要是自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的区域，自然保护区为GB/T14529规定的，对有代表性的自然生态系统、珍稀濒危动植物物种的天然集中分布区，有特殊意义的自然遗迹等保护对象所在陆地、陆地水体或者海域，依法划出一定面积予以特殊保护和管理的区域。这些区域的空气中各要素的浓度值应该是自然背景值，低于该一级标准限值的环境质量的描述应为“优”。

二类区作为“保护人体健康”对象，主要为居住区、商业交通居民混合区、文化区、工业区和农村地区。无论人们短期或长期暴露于这一环境下，都不会引起急性和慢性的危害，也不会产生长期积累性危害。这些区域的空气中各要素的浓度值应该是安全值，低于该二级标准限值的环境质量的描述应为“良”。

参照老标准《环境空气质量标准》（GB3095-1996）中三级标准对应的区域应该是安全临界区，研究表明，二氧化硫在50～100μg/m3时，可以观察到植物生长率低，叶面出现轻度伤害的现象，也能引起呼吸道疾病增多的现象。而老标准中二氧化硫三级标准值与二级标准比值为1.7，可吸入颗粒物（PM10）三级标准值与二级标准比值为1.5，总悬浮颗粒物（TSP）三级标准值与二级标准比值也为1.5。我们将环境空气中各要素的浓度介于二级标准和1.5倍二级标准之间时的环境质量的描述为“轻度污染”。易感人群症状有轻度加剧，健康人群出现刺激症状。

原国家环保总局制定的《环境空气质量功能区划分原则与技术方法》中对划分特定工业区的规定为：工业集中区，其生产过程排放到环境空气中的污染物种类多、数量大，且其环境空气质量超过《环境空气质量标准》（GB3095-1996）中三级环境空气质量标准的浓度限值的区域。也就是说，这个区域的环境空气污染已经受到了污染，且其自净能力低。此环境下，心脏病和肺病患者症状显著加剧，运动耐受力降低，健康人群中普遍出现症状。

环境空气中各要素的浓度高于老三级标准1.5倍（近似二级标准的2.0倍），空气污染将会相当严重，将会对人体健康产生明显的作用，我们将环境空气中各要素的浓度高于2.0倍二级标准限值定级为“重污染”。此环境下，健康人运动耐受力降低，有强烈症状，提前出现某些疾病。

环境空气中各要素的浓度高于二级标准的3.0倍，空气污染将会更加严重，将会对人体健康产生更加明显的作用，我们将环境空气中各要素的浓度高于3.0倍二级标准限值定级为“严重污染”。此环境下，健康人运动耐受力将明显降低，有更加强烈症状，极易出现某些疾病。

2　结果与讨论

2.1计算结果

采用河南省18个省辖市、10个省直管县市2015年监测数据为依据，进行城市各种污染物单项质量指数及定性质量指数统计，结果见表1。

由表1可以看出，2015年河南省18个省辖市中，信阳市环境空气质量为轻度污染，南阳、商丘、周口、驻马店、漯河、开封、洛阳、三门峡、濮阳、许昌、鹤壁、平顶山、济源和焦作14个市环境空气质量为中度污染，郑州、新乡、安阳三市环境空气质量为重度污染。10个省直管县（市）中，永城、鹿邑、兰考、邓州、新蔡、长垣和固始7个县（市）环境空气质量为轻度污染，滑县、汝州、巩义3县（市）环境空气质量为中度污染。

2015年河南省18个省辖市及10个省直管县市中，每个城市6项污染物总体评价结论均为超二级，不能进一步区分污染程度差异。而利用定性评价指数可将超二级城市进行不同污染程度区分。

在计算可吸入颗粒物、细颗粒物、二氧化硫、二氧化氮4项污染物单项质量指数时，由于需分别计算年均值质量指数和百分位数质量指数，发现：18省辖市中，可吸入颗粒物中，仅安阳1个城市年均值指数低于百分位数指数，其他17市年均值质量指数均大于百分位数指数；细颗粒物中，平顶山、许昌、漯河、南阳、商丘和驻马店6市年均值指数大于百分位数指数，其他12市均值指数小于百分位数指数；二氧化硫中，平顶山、漯河、南阳、信阳和济源5市年均值指数大于百分位数指数，其他13市年均值指数小于百分位数指数；二氧化氮中，郑州、平顶山、焦作、许昌4市年均值指数大于百分位数指数，其他14市年均值指数小于百分位数指数。可吸入颗粒物、细颗粒物、二氧化硫、二氧化氮4项污染物年均值指数大于百分位数指数的城市个数呈减少趋势。因此，仅用年均值计算年度综合指数将比百分位数也参与计算取二者中较大值会略低。

不同城市之间环境空气质量排序，首先，以定性评价指数I确定空气质量定性级别由好到劣排序；其次，在同一环境质量级别内按照综合指数Isum由低到高（由好到劣）排序。由表1可以看出，在同一定性级别中，排在靠前的城市，存在其定性指数略高于后面城市的情况。如同为中度污染的几个城市中，排在第4名的周口市定性评价指数I为1.68略高于排在第5名、第6名、第7名、第8名的驻马店、漯河、开封、洛阳市的城市定性指数1.60、1.67、1.67、1.60。主要是由于周口、驻马店、漯河、开封和洛阳5市综合指数Isum比较接近的情况下，而周口最大污染指数Imax（2.47）较大，导致周口定性指数较高。

2.2结果验证

2.2.1污染较重的城市空气质量排名靠后。2015年74个新标准第一阶段实施监测城市的监测结果显示，空气质量相对较好排在前10名的城市（第1名至10名）为海口、厦门、惠州、拉萨、舟山、福州、深圳、昆明、丽水和珠海。空气质量相对较差10个城市（第74名至65名）为保定、邢台、石家庄、衡水、邯郸、郑州、廊坊、北京、哈尔滨和唐山。与2015中国环境状况公报［5］相比较，环境质量较好的10名基本一致，但排序略有差异；环境质量较差的10城市中，有8个城市都在后10名中。

基本上体现城市环境空气质量较好的城市排在靠前，而污染较重的城市排在较靠后的位置，可以区分不同城市环境空气质量污染程度。2015年74个城市中有21个城市空气质量为良，33个城市空气质量为轻度污染，11个城市空气质量为中度污染，9个城市空气质量为重度污染。没有环境空气质量为优或严重污染的城市。污染较重城市集中在京津冀及其周边城市。

表1　2015年河南省18个省辖市及10个省直管县（市）各项污染物单项质量指数及城市定性级别统计

2.2.2城市环境空气质量改善，定性级别也相应改善。统计2013-2015年74个新标准第一阶段实施监测城市监测结果显示（见表2），3年中城市环境空气质量为优的城市个数均为0；城市环境空气质量为良的城市个数依次增加，分别为8、13、21个；城市环境空气质量为轻度污染的城市个数呈先增加后减少趋势，分别为21、35、33个；城市环境空气质量为中度污染的城市个数依次减少，分别为27、18、11个；城市环境空气质量为重度污染的城市个数呈先减少后增加趋势，分别为15、5、9个；城市环境空气质量为严重污染的城市个数呈减少趋势，分别为3、3、0个，其中2013、2014年为严重污染的3个城市均为石家庄、邢台、保定。

随着我国自2013年“大气十条”颁布实施，全国城市环境空气质量总体呈逐步改善趋势，虽然目前还没有达到优的城市，但是，74个城市中环境空气质量达到良的城市个数在逐步增加，重度污染及严重污染的城市个数在呈明显下降趋势，尤其是严重污染的城市到2015年已下降为零。本评价方法结论与中国工程院编制的《〈大气污染防治行动计划〉实施情况中期评估报告》［6］中“环境空气质量改善已经显现”基本一致。

表2　2013-2015年74个新标准第一阶段监测实施城市不同定性级别城市个数统计

2.2.3定性级别评价用于月度、季度、半年度城市质量评价。城市环境空气质量定性评价也可以用于月度、季度、半年度城市环境空气质量评价，进行同一时间段不同城市之间的比较以及同一城市不同时间段空气质量的比较。以2016年1-7月郑州市监测数据为例，评价各月定性级别情况（见表3）可以看出，郑州市1-7月，各月份环境空气质量定性级别依次由严重污染到轻度污染变化，呈逐渐改善趋势。7月与1月相比，空气质量级别明显改善，综合质量指数由20.12降至5.46，降幅高达72.9%，郑州市环境空气质量明显改善，除7月气象条件有利于污染物扩散外，还与7月4日河南省开始打响打赢大气污染防治攻坚战，污染源控制更加严格、污染物排放明显减少有关。

表3　2015年郑州市1-7月环境空气质量定性评价统计

3　结论

通过实施新标准监测，按照国家新的评价规范进行日环境空气质量评价，其结论与大众感受基本一致。但对于较长时间段环境空气质量评价，除进行污染物浓度达标评价外，按照姚氏指法进一步分级评价，更能反映城市环境空气质量污染程度的差异。

第一，将月度、季度、半年度、年度城市环境空气质量按照从好到劣以“优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染”进行定性类别分级，与日报环境空气质量指数（AQI）分级契合，可以对城市较长时间段环境空气质量进行比较评价分析。尤其对于超二级空气质量标准可以进一步比较污染程度差异。

第二，在进行环境空气质量单项指数测算时，对于在计算可吸入颗粒物、细颗粒物、二氧化硫、二氧化氮4项污染物单项质量指数时，需分别计算均值质量指数和特定百分位数质量指数，仅用时间段污染物浓度均值计算综合指数将比特定百分位数浓度也参与计算取二者中较大值会略低。不将特定百分位数浓度参与评价，不能体现浓度均值和特定百分位数浓度双达标理念。

第三，在进行城市环境空气质量排序时，首先按照空气质量定性分级由好到劣排序，其次在同一级别内按照综合指数排序，可以较好地反映同一时间段不同城市之间污染程度差异。

第四，定性级别评价用于月度、季度、半年度城市质量评价，可以较好反映同一城市不同时间段环境空气质量污染程度差异。

［1］环境空气质量标准［S］.GB3095-2012.

［2］环境空气质量指数（AQI）技术规定［S］.HJ633-2012.

［3］环境空气质量评价技术规范（试行）［S］.HJ633-2013.

［4］环保部办公厅.城市环境空气质量排名技术规定［S］.2014.

［5］中华人民共和国环境保护部.2015中国环境状况公报［EP/ OL］.http://www.mep.gov.cn/hjzl/,2016-06-04

［6］中国工程院.《大气污染防治行动计划》实施情况中期评估报告［EP/OL］.http://www.mep.gov.cn/xxgk/hjyw/201607/t20160706_357205.shtml，2016-07-06.

Research of City Environmental Air Quality Assessment Based on Yao Shi Index Method

An GuoanShi ShujuanShen JianXing Yu
（Henan Provincial Environmental Monitoring Center，Zhengzhou Henan 450004）

Based on the monitoring results of environmental air quality，the annual qualitative evaluation is conducted，which is the extension of city day qualitative evaluation and the annual target evaluation.Using correct evaluation method is the key to secure whether the annual qualitative result is reasonable.Research chooses Shanghai Yao Shi index method to make a geometric average of various monitoring project quality indexes，at the same time，combined with environmental air quality index（AQI），technical regulations（HJ633-2012）and technical specification of air environmental quality（trial）（HJ633-2013）requirements，to determine the corresponding Yao Shi index value ranges in urban years and a relatively long time with air quality as"excellent，good，light pollution and moderate pollution，severe pollution and serious pollution"，the results show that the selected evaluation method basically meets the requirements of urban environment air quality qualitative evaluation during the city annual，semiannual，quarterly，and monthly periods，which has extensive application value.

urban environmental；air quality；Yao Shi index；qualitative evaluation

X824

A

1671-0037（2016）08-28-5

2016-7-15

安国安（1963-），男，本科，高级工程师，研究方向：环境质量评价与管理。