聚类分析方法在我国空气污染
区域划分中的应用
安徽大学 笪婷婷、邹委员、武锦
摘 要
随着我国工业化进一步的发展，人们的生活也进一步的提高。伴随着经济的发展，环境也受到了一定的影响，国家也相应的提出了人与自然和谐相处的可持续发展战略。本文基于国家的政策，考虑工业化过程中城市空气的污染情况，提出相应的合理建议，从而使工业化过程中我们的环境也能受到更好的保护！
聚类分析是目前最有前景的数据分析方法之一，它不仅能作为一个独立的工具来获得数据分布的情况，观察每一个簇的特点，还能集中地对某些特定的簇作进一步的分析。对空气污染区域划分的聚类分析，不仅能合理的分析我国各地区空气污染的情况，还可以对我们工业化发展的伟大蓝图提出我们瀚渺的建议，维护我们广大城市居民的切身利益！
本文首先对几种聚类方法进行了介绍和比较，然后在对我国空气污染现状分析中，运用了系统聚类分析方法。首先，我们采用了组内连接聚类分析方法对我国的空气污染区域按照污染程度的不同进行了划分；其次，我们又采用了中位数聚类分析法对我国的空气污染区域按照不同地区的废气处理情况进行了划分；最后我们又采用了质心聚类分析法对各污染区域按年度的不同进行划分。我们用所选的三种数据进行聚类，产生的七个类是在整体上是一致的。这就表明，空气污染程度与废气处理的力度是成正相关的。
为了说明系统聚类分析方法在我国空气污染区域划分中的合理性，我们又采用了k-means方法进行聚类，所得的聚类结果与运用系统聚类法的结果相似。从而进一步说明分类的合理性。
根据聚类结果，我们提出了一些相关的防治空气污染的建议。相关部门应该按照污染地区的分类有针对性的制定相关策略，因地制宜，对污染程度相近的地区采用合理的方式进行治理。
关键词：聚类方法；系统聚类法；中位数聚类分析；组内连接聚类分析；质 心聚类分析
1
The Application of Cluster Method in Air Pollution Regional
Division of Our Country
Abstract
With the further development of the industry in our country, people have undergone general improvement. However, the environment is accordingly suffering some attack from the progress of economy. The government has launched the strategy of sustainable development in order to build harmonious relationship between human and nature. Based on the policy of our government, taking the pollution in urban area into consideration, our article gives some corresponding advices to protect our environment in the industrialization.
Cluster method is one of the most promising methods in data analysis. Not only can it act as an independent tool to obtain the information of data distribution and observation of the characteristics of each cluster, but also do further analysis for some particular clusters. Using the cluster method in the analysis of division for polluted urban area, we can do reasonable analysis and get acquaintance of condition of air pollution in different places. Our trivial recommendations will be come up for the blue sky of our industry development and safeguarding the vital interests of the city dwellers.
At the beginning of this paper, more than one kind of cluster method will be introduced and compared in this paper. Furthermore, systematic cluster methods will be applied in the division of the current air pollution circumstances. Firstly, we use team linked cluster method to divide regions according to the pollution degree. Secondly, we use median cluster method in accordance with the pollutant disposal of different areas. Lastly, we use centroid cluster method by judging the annual condition of air pollution. We cluster these three kinds of data, finding that seven categories we produce are accordant on the whole, which suggests that pollution degree is positively related to the strength we depose. To illustrate the rationality of systematic cluster method applied in air pollution regional division, we utilize k-means to cluster. To our happiness, the result we obtain is quite similar to that of systematic cluster method, which shows the rationality.
According to the clustering results, we put forward some relevant suggestions for the prevention and control of air pollution. Relevant departments should formulate relevant strategies based on the classification of pollution areas, and take suitable measures for local conditions. Also we should depose the pollution in similar levels in a reasonable way.
Keywords: : cluster system clustering method; median cluster analysis; connection cluster
analysis within the group; a centroid cluster analysis
2
一.研究背景
我国经济的快速增长，工业化、城市化的发展使得GDP年增长率达到8％～9％。改革开放以来，我国的城市化进程加快，城市人口比例从1978年的18％增加到2000年的34％，这一时期的增长速度是世界平均增长速度的3倍。20世纪末，经济的剧增使得我国成为世界上第二大能源消费国，能源的消耗已成为我国空气污染的主要来源。我国的总能源消耗已经从1978年的571万吨标准煤增加到2002年的15亿吨标准煤，其中作为主要能源的燃煤占总能源消耗的60％ 以上。燃煤是空气污染物产生的重要原因。此外，随着汽车消费量的快速增加，燃油消耗年平均增长达6％，使得空气的污染物浓度不断上升。我国的空气污染状况不容乐观。
（一）导致空气污染的原因
造成我国空气污染的原因是非常多的，但纵观所有的污染成因，以下原因应该是最具有普遍性的。
城市人口爆炸性增长。城市强大的经济活力，丰富的物质文化条件和就业机会，对农村人口有具大的吸引力，进入20世纪以来，人口城市化加速发展，城市人口急剧增长。我国城市化虽然起步较晚，但城市人口增加速度却十分惊人，例如1980年我国城市人口有 1.3亿，占全国总人数的13.6％；1990年增加到近3亿，占全国总人口的 26.2％。城市个数由1983年的289个，到1993年增到570个，几乎增加了一倍，而城市人口大于100万的大型城市就有42个之多。我国大城市人口密度平均每平方公里 1万人以上，是郊区人口平均密度的22－96倍。城市中人口数量巨大的工矿企业，单位面积上具有高投资、高能耗的特点。由于城市处于高密度、超负荷运转状态，因此城市空气、水、土地及一切基础工程设施都承受着超载的负担，引起了一系列环境问题。城市空气污染、缺电、缺水，城市环境脏、乱、差。
不同地区能源消耗类型又决定了不同地区污染的差异。空气污染可以按照能源消耗的不同分为煤烟型、石油型、扬尘型和复合型等。煤烟型污染的特征是空气污染物中总悬浮颗粒物和二氧化硫所占的比例较大；石油型污染主要是来自石油燃烧、石油化工和汽车尾气产生的二次污染，发达国家多属此类污染，污染严重时可形成光化学烟雾，并在5-9月浓度较高，我国甘肃省兰州市就是属于这种类型；扬尘型污染是以二次扬尘、建筑垃圾扬尘、机动车污染以及沙尘天气所造成的总悬浮颗粒物污染为主的非燃煤粉尘污染；以石油型污染、二次扬尘、建筑扬尘及机动车排放污染为代表的污染称为复合型污染，此类污染是以煤烟型污染为主导的，主要形成于煤烟型污染向石油型污染转化的工业发达城市，有煤烟型污染与石油型污染的共同特征。
气象条件对空气污染产生的影响。空气污染主要取决于两方面：一是与污染源排入空气中污染物的多少有关；二是取决于各地区上空边界层大气对污染物的稀释扩散能力──
3
大气环境容量。就某一有限时段而言，地区各污染源的排放总量可能没有多大变化，但污染浓度的日际变化或月际变化很明显，主要是由天气过程和天气系统影响各地区大气边界层对污染物的稀释扩散能力所致。
（二）空气污染情况值得关注
图1.2.1 2001-2009全国二氧化硫排放量折线图
上图是2001年至2009年全国二氧化硫排放量的折线图（所用数据见附录A中的表3）。由图可以看出，自2006年开始，我国二氧化硫排放量有明显的下降趋势，但是直至2009年，二氧化硫排放量仍处于较高水平。这就表明，近年来我国空气中的二氧化硫治理水平有所提高，但是仍需要继续加大整治力度，使二氧化硫排放量继续减少。
虽然二氧化硫的排放量并不能完全反应我国的空气污染状况，但是也能在很大程度上反映出空气质量的变化。
目前，我国正处在经济高速发展阶段，工业、农业、交通运输业等发展迅速，人们向往已久的“小康生活”逐渐成为现实，但是伴随而来的是人们的生存环境受到污染。我国的空气污染情况仍旧值得关注，我们每一个人都有职责来改善空气质量，营造一个健康舒适的生活环境。
4
（三）空气污染的不利影响
毫无疑问，大气环境的不断恶化，其后果之一是使人们自身的健康受到严重威胁，造成某些疾病发病率和死亡率的不断上升。据联合国环境规划署统计，全世界每年约有120万人成为新的皮肤癌患者，呼吸系统和心血管疾病患者也呈增加趋势。诚然，这些不能全部归咎于空气污染，但有理由认为，这与当前的大气环境恶化密切相关。这就提醒我们，在尽情享受大自然恩惠和现代化成果的同时，也该认真、冷静地思考一下由于人类自身行为而导致大气环境不断恶化、自身健康受到损害的严峻现实。
空气污染也会对农业造成危害。空气污染对农作物的危害分三种类型：一是急性危害，在污染物高浓度时，短时间内对农作物造成危害，使之叶面枯萎脱落，直至死亡，造成农作物减产；二是慢性危害，在污染物低浓度时，因长时间作用所造成的危害，使农作物叶绿素褪色，影响生长发育；三是不可见危害，指污染物质对农作物造成生理上的障碍，抑制生育发展，造成产量下降。
空气污染物对天气和气候的影响是十分显著的，可以从以下几个方面加以说明： 1．空气污染使得到达地面的太阳辐射量减少。从工厂、发电站、汽车、家庭取暖设备等向大气中排放的大量烟尘微粒，使空气变得非常浑浊，遮挡了阳光，减少了到达地面的太阳辐射量。据观测统计，在大工业城市烟雾不散的日子里，到达地面的太阳辐射量比没有烟雾的日子减少近40％。在空气污染严重的城市，天天如此，就会导致人和动植物因缺乏阳光而生长发育受到阻碍。
2．空气污染增加了大气降水量。在大工业城市的空气中有很多微粒，其中有很多具有水气凝结核的作用。因此，如果再有其他一些降水条件与之配合，就会出现降水天气，尤其在大工业城市的下风地区，降水量更多。
3．空气污染会导致下酸雨。有时候，在空气污染地区所下的雨水中含有硫酸。这种酸雨是空气中的污染物二氧化硫经过氧化形成硫酸，随自然界的降水下落形成的。酸雨的危害很大，它能使大片森林和农作物毁坏，能使纸品、纺织品、皮革制品等腐蚀破碎，能使金属的防锈涂料变质而降低保护作用，还会腐蚀、污染建筑物。
4．空气污染能增高大气温度。大气中的二氧化碳可以使大量的太阳辐射能通过大气层辐射到地球表面，吸收从地球表面辐射出的红外线。二氧化碳在吸收热量后，再将吸收的辐射能逆辐射到地球表面，形成多次辐射，使近地层大气增温。大气中的二氧化碳好像是一个屏蔽，就像农业所建的温室一样，所以把大气中的二氧化碳所产生的效应叫做温室效应。由于温室效应，有人估算如果大气中二氧化碳浓度为420ppm时，地球上所有的冰雪将融化，反之，若二氧化碳浓度减小为150ppm时，温室效应减弱了，地球就可能完全被冰雪所覆盖。
除此之外，空气污染还会带来很多其他不利影响。在这些问题更加严重之前，我们应该尽全力做好空气污染的防治工作。
5