水泥企业空气污染评估研究与应用

摘要： 本文阐述了水泥企业生产过程中产生空气污染物的组分和数值分析，运用环境质量指数法和聚类分析法构建起了水泥企业空气污染评估的模型，以采集的10家企业的数据进行实证分析。通过运算得到这些污染组分对空气污染的程度既评估值，从环保角度将水泥企业分为警告、整改和达标3个等级，旨在为政府部门、环保部门及水泥企业自身的整改提供合理的科学依据。

关键词： 水泥企业； 空气污染； 环境质量指数； 聚类分析； 评估

中图分类号： x823 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2013）02-0015-02

1引言

今年初雾霾天气使近七分之一国土面积被灰霾笼罩。为应对雾霾天气，北京103家重点排污企业涉及到化工、建材、冶金等行业的大中型企业已经停产。

水泥行业作为建材行业的支柱产业，对雾霾天气的产生承担着重大的责任。在水泥的生产过程中对环境的影响主要是生产过程中排入大气中的氮氧化物、二氧化硫、固体颗粒物及氟化物，而细颗粒物是产生雾霾天气的必要条件。因此，构建科学的评估体系，对水泥生产过程中产生的空气污染物进行客观的评估，不仅对考察水泥企业的优劣有重要的理论意义和现实意义。

2模型构建及实例分析

2.1模型简介

对环境评估主要方法有模糊综合评判法[1]、层次分析法[2]和环境质量指数法[3]。环境质量指数评估法指数评估法是最早用于环境评估的一种方法，应用也最广泛，它具有一定的客观性和可比性，它是环境质量参数和环境质量标准的复合值。环境质量指数法广泛应用于污染物排放评估、污染源控制或治理效果评估、环境污染程度评估以及某些环境影响评估等方面。聚类分析法[4]是对多个样本进行定量分类的统计分析方法。其过程是把一些相似程度较大的样品聚合为一类，把另外一些彼此之间相似程度较大的样品又聚合为另一类，直到把所有的样品聚合完毕。

2.2环境质量指数模型及求解

2.2.1确定要评估的环境要素及评估因子

水泥厂的主要污染物有粉尘、二氧化硫、氮氧化物和氟化物。水泥生产中，在煤燃烧过程中产生大量的二氧化硫、氮氧化物等大气污染物。二氧化硫和氮氧化物是酸雨形成的必要条件，危害植物的正常生长及人类的正常生活，固体颗粒物是造成雾霾天气的主要元凶。

2.2.2水泥企业各评估因子数据收集及预处理

通过现场采集、网查、统计局年报等相关查询，得到了ZH水泥等10家企业污染物排放数据如表2.1所示。

由于各指标间，数据差异较大，一些指标值较小的数据对评估值的贡献将会被忽略，因此，将以上数据归一化处理，以便消除量纲影响。得到预处理数据结果，如表2.2所示。

2.2.3评估因子权重确定及极值的取舍

权重确定分为主观法、客观法及主观客观相结合法。主观权重系数是指人们对分析在对影响对象的各个因素分析后，按其重要程度，依照经验，主观确定的系数。客观权重系数是指经过对实际发生的资料进行整理、计算和分析，从而得出的权重系数，这类方法研究较晚，但是发展迅速。本文采用的权重确定方法为差异驱动法，是一种客观的权重确定方法。其优点是避免了主观赋权重的随意性。差异驱动法原理是根据指标的标准差越大小，得出指标值的变异程度越大小，进而确定其权重的大小。其计算权重的步骤为：

得到颗粒物排放浓度、二氧化硫排放浓度、氮氧化物排放浓度的权重分别为：0.3220，0.2665，0.4115。由各污染物所占权重可以看出，在污染物排放中，氮氧化物所占权重最大。因此，要提高企业环境竞争力，企业首先要减排氮氧化物。

根据相关标准[5]，水泥生产中，各污染物排放均有排放上限，其中颗粒物排放最高浓度不得超过250mg/m3，二氧化硫最高排放浓度不能超过400mg/m3，氮氧化物排放浓度上限为800mg/m3。若排放浓度大于最大排放浓度的企业则列为第一类整改企业。结合表1数据可以看出，RR水泥的二氧化硫排放和氮氧化物排放都超标，TR水泥的固体颗粒物排放超标，因此，把RR水泥和TR水泥作为第一类整改企业。

2.2.4评估指数确定

排除整改企业后，其它企业各指标进行加权求和，计算其综合得分。其综合得分计算方法为：

得出各企业评估指数为0.111，0.431，0.433，0.346，0.428，0.352，

0.541，0.282，0.472 ，0.078。

2.2.5水泥企业进行等级划分

聚类分析法

Step1：计算两个企业综合得分之间的绝对值距离{dij}，记矩阵为D=（dij）m×n距离为：

d1（x，y）=■xk-yk

Step2：构造3个类，每个类包含一个样本点，每一类平台高度为0。

Step3：合并距离最近的两类为新类，并以两类之间的距离作为聚类图中的平台高度。逐渐升高平台高度，直到类的个数为1。

Step4：利用MATLAB[6]编程，作出水泥企业生产中产生空气污染物评估聚类图，如图2.1所示。

由图2.1可以看出，RN水泥、TR水泥排放不达标，应为警告（或处罚）企业，HR水泥、YJ水泥、XT水泥中等企业，应为整改企业，ZH水泥、QY水泥企业排放达标，应为达标（优秀）企业。

3结论

3.1当今人类对环境的破坏已经超出了环境的自净能力，需要依靠法律法规来制止乱排现象。科学的构建评估模型进行的评估将是必然趋势。

3.2环境质量指数法并结合聚类分析法建立的数学模型的综合运用，是客观方法演算得出各水泥企业对空气污染影响的评估值，从影响环境指标角度将水泥企业分为若干等级，应用客观负权重法，消除了人为因素产生的一些片面影响，能够更科学、客观的评估水泥企业生产过程中对环境的影响。结果真实、客观、可靠。

3.3利用MATLAB软件编程并进行实例论证，不仅检验了水泥企业对环境的影响评估体系的可行性，还具有良好的可操作性。

参考文献：

[1] 司守奎，孙玺菁.数学建模算法与应用[M].北京：国防工业出版社，2012；353-355

[2] 韩中庚.数学建模方法及其应用[M].北京：高等教育出版社， 2005.6；84-99

[3] 郭天配.中国环境质量评估方法及实证研究[J].东北财经大学，2010，5

[4] 赵东方.数学模型与计算[M]，北京：科学出版社，2007；192-206.

[5] GB4915-2004，《水泥工业大气污染物排放标准》

[6] 美国MathWork公司.MATLAB7.8[CP/DK]2009（3）