2018, Vol. 50
近年来，环境污染问题日趋严重，其中以颗粒物、二氧化硫、氮氧化物为主的大气环境问题越来越突出.大气颗粒物主要来源于工业生产、建筑施工、地表扬尘及汽车尾气的排放等[1].人体的呼吸系统、心血管系统疾病发病率以及人群死亡率等随着颗粒物浓度的增加而增高[2-3]，而且随着颗粒物粒径的减小，其对人体的危害也越来越大[4].此外，颗粒物附着的多环芳烃等多种有机物污染具有三致效应[5-8].大气中的SO2主要来自含硫能源的燃烧、金属的熔炼以及其他含硫原料的生产加工[9]，短时间接触或者完全暴露于高浓度的SO2中，对人体的呼吸道等都会造成严重的损伤[9-11]，长期暴露于SO2中会造成呼吸系统发病率的升高. NO2除来自自然源之外[12-14]，含氮物质的高温燃烧、汽车尾气及工业生产也可产生大量的NO2[13-14]，NO2对呼吸道和肺部造成损伤，甚至引发呼吸困难、咳嗽、发热哮喘等症状[15-17]. CO主要来自于工业燃烧排放以及机动车尾气等[18]. O3是光化学烟雾的代表性污染物[19]，高浓度的O3具有很强的氧化性，对眼睛和呼吸道有强烈的刺激性，损害人体心肺功能[20-21]，甚至导致死亡[22].
目前，研究者基于已发布的空气质量数据，对大气主要污染物的成分分析、来源解析等方面进行了研究[7, 23-30].常见的环境空气质量指数评价法，其计算量较大，并且分析比较复杂.因此本文采用主成分分析法对河南省的主要大气污染物之间的关系进行探究，计算过程运用SPSS软件进行简化，计算快捷、结果精确，从而为环保部门以及相关的科研工作者提供参考.
1 方法及数据 1.1 主成分分析法 1.1.1 基本原理主成分分析法从数学的角度来说，属于一种降维的数据处理技术.在计算大气污染物的主成分时，应把各大气污染物作为待求因子，然后建立各个因子及其浓度之间的数学模型，确定二者之间的数学关系式，进而得出系数矩阵以及初始因子载荷矩阵，最终得出大气主要污染物的类型及其对应的方差贡献率[31-32].
1.1.2 计算步骤根据常用的主成分分析方法，其主要计算步骤为：1)标准化原始数据；2)计算各污染指标相关性矩阵；3)依据R值，确定污染物的主成分；4)根据方差贡献率确定大气污染物主成分个数；5)计算初始因子载荷矩阵；6)计算主成分载荷值[33].
1.2 数据来源本文数据为2015年河南省的17个城市的大气污染物浓度.空气质量分析的大气污染物指标为6项(见表 1)，分别为PM10、SO2、NO2、PM2.5、O3和CO[34].数据来源于中国环境监测总站“全国城市空气质量实时发布平台”.采用SPSS 19.0对表 1中的6个指标进行主成分分析.经验证，KMO检验系数为0.629>0.5，适合进行主成分分析[35].标准化数据结果见表 2，其相关性系数矩阵、主成分贡献率分别见表 3和表 4.主成分载荷矩阵等于初始因子载荷矩阵中的数值除以主成分相对应的特征值的平方根，计算结果见表 5.
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表 1 河南省17个城市空气质量指标 Table 1 Air quality indexes of 17 cities in Henan Province |
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表 2 标准化数据 Table 2 Standardized data |
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表 3 相关性系数矩阵 Table 3 Matrix of correlation coefficients |
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表 4 特征值和主成分贡献率及累计贡献率 Table 4 Eigenvalues, contribution rates and accumulated contribution rates of principal components |
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表 5 主成分载荷值 Table 5 Loading values of principal components |
由表 1可得，河南省整体污染较为严重，其中颗粒物污染最为突出.河南省PM2.5的年均质量浓度为79.975 μg/m3，其中郑州市PM2.5的浓度值最大，是国家年均二级标准值(35 μg/m3)的2.73倍，浓度最小值是信阳市，是国家二级标准值的1.99倍；而PM10的年均质量浓度为135.598 μg/m3，其中郑州市PM10的浓度值是年均二级标准值(70 μg/m3)的2.39倍，信阳浓度值最小，超标1.61倍，表明河南省是粗细粒子共存的复合型污染；SO2的国家年均二级浓度值为60 μg/m3，河南省SO2的最大值为50.275 μg/m3，均未出超二级标准值，表明河南省SO2污染较轻；NO2的年均浓度值为40.757 μg/m3，除周口、商丘、漯河、南阳、驻马店、信阳外，其他各市均超出标准值(40 μg/m3)，其中郑州NO2浓度值最大，是标准值的1.4倍，表明NO2的排放源在河南省的分布并不均衡.综上可以发现，河南省经济在发展的同时，对环境也造成一定的污染，但是因各市的经济发展程度不同，其污染程度也不尽相同.
2.2 城市大气污染物的主成分分析由表 3的相关数据可以看出，O3与CO的相关性数值为-0.818**，绝对值较其他相关性数值大，这可能是由于CO是O3的前体物[12, 36]，又均参与了光化学反应过程，因而导致相关性较高，由此也证明河南省大气存在一定程度的光化学污染.
由表 4所示，前3个主成分的累积贡献率达到91.300%，其中第一主成分的贡献率达到总方差的1/2以上，所占比重较大，由此表明，河南省PM10和NO2污染物最严重，并且存在一定的光化学污染.这说明河南省空气质量污染主要是工业排放的废气、机动车尾气、道路扬尘等，所以相关部门要加强这方面的监督管理工作. PM2.5、PM10质量浓度与SO2、NO2质量浓度均呈现出显著性正相关，说明影响其质量浓度的污染源具有较强的相关性.工业污染以及机动车尾气排放、道路扬尘是影响以上指标质量浓度的重要来源[31].并且空气中的SO2和NO2通过气相或者多反应氧化成酸性气溶胶，再和大气中的NH3反应生成硫酸铵或者硝酸铵气溶胶粒子，最终转换成硫酸盐或者硝酸盐颗粒物，而硫酸盐和硝酸盐是PM2.5和PM10中的主要组成部分，所以PM2.5和PM10的质量浓度与SO2、NO2质量浓度的相关性显著[37-38].因而，工业企业、汽车尾气等排放的污染物以及不利的气象条件[39-41]都会严重影响着河南省的空气质量.
3 结论1) SO2、NO2与PM2.5和PM10的相关性显著，说明这几种污染物具有相似的来源.此外，河南省各市的颗粒物浓度均超出国家二级年均标准值一定的倍数，由此可以表明河南省是粗细粒子共存的复合型污染.
2) O3与SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10等均呈现一定的负相关性，并且CO和O3的浓度较高，表明河南省存在一定程度的光化学污染.
3) 河南省控制质量污染的第一主成分是PM10、NO2，第二主成分是CO、O3，第三主成分是SO2、PM2.5.其主成分贡献率分别为52.049%、25.306%、13.947%.
4) 第一主成分的贡献率达到总方差的1/2以上，可以得出河南省城市空气污染物最严重的是第一成分PM10和NO2.
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