基于复杂网络及其模体的京津冀及周边城市空气污染空间关联与城市协同治理.pdf
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1、为了探究京津冀及周边31个城市空气污染的空间关联与季节演化情况,于2 0 15年1月1日至2 0 2 1年12 月31日选取该区域的空气质量指数(AQI)日均值作为样本,首先对31个城市AQI的时间变化特征和空间分布特征进行了分析;然后计算不同城市AQI的皮尔逊相关系数,结合引力模型,构建了该区域空气污染空间关联网络;最后对网络的整体特征与季节演化情况进行了分析。结果表明,该区域空气污染空间关联网络密度较高,关联比较紧密,度值与中心性较高的城市对空气污染有更高的传输贡献,石家庄、邢台及邯郸的中心性最高,对其他城市空气污染传输的控制能力最强;网络共分为3个凝集子群,石家庄、邢台及邯郸位于子群发生
2、关联的中心位置;对4个季节空间关联网络图进行对比分析,春季网络密度更高,不同城市之间AQI的关联更为紧密;在模体A的四季关联网络中,石家庄、邢台和邯郸为主要传播城市;在模体B的四季关联网络中,邯郸和北京为枢纽城市,这些城市在空气污染的传播过程中起着重要作用。提出,加强石家庄、邢台、邯郸、北京这4个城市与其他城市空气污染协同治理力度,完善监督管理机制,促进环保产业发展;从行政、法律、经济等多方面人手,为解决京津冀大气污染问题提供充分保障;结合京津冀地区的季节气候条件,加强冬季煤改电、煤改气等管理力度,实行区域或集中采暖供热,减少燃料消耗和烟尘排放。关键词:复杂网络;模体;京津冀;空气污染;空间关
3、联;城市协同治理中图分类号:X511;X823Spatial Correlation and Urban Collaborative Governance of Air Pollution in Beijing-Tianjin-Hebei and Nearby Cities Based on Complex Network and Its MotifZHANG Cuizhil-2,AN Haigang.1*(1.Hebei University of Geosciences,Shijiazhuang,Hebei 050031,China;2.Hebei Oriental University,
4、Langfang,Hebei 065000,China)Abstract:In order to explore the spatial correlation and seasonal evolution of air pollution in Beijing-Tianjin-Hebei and itsnearby cities,the daily average AQI of Beijing-Tianjin-Hebei region and its nearby 31 cities from January 1,2015 to December 31,2021 was taken as a
5、 sample.Firstly,the regional air quality distribution characteristics are analyzed from the perspective of thetemporal and spatial distribution characteristics of the AQI index of 31 cities;Then,the Pearson correlation coefficient ofAQI in different cities is calculated,and the spatial correlation n
6、etwork of air pollution in this region is constructed based onthe gravity model;Finally,the overall characteristics and seasonal evolution of the network are analyzed.The results show thatthe spatial correlation network density of air pollution in this region is higher and the correlation is closer.
7、The cities withhigher degree and centrality have higher transmission contribution to air pollution.Shijiazhuang,Xingtai and Handan havethe highest centrality and the strongest control ability to other cities on air pollution transmission.The network was divided intothree agglutination subgroups,Shij
8、iazhuang,Xingtai and Handan were located in the center of the correlation of subgroups.A comparative analysis of the spatial correlation network maps of the four seasons shows that the network density is higher inspring,and the correlation between diferent cities is closer.In the four-season correla
9、tion network of model A,Shijazhuang,收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 9;修订日期:2 0 2 2-11-0 3基金项目:河北省高等学校人文社会科学研究项目(SD191006);河北省省级科技计划软科学研究专项(2 2 557 6 52 D)作者简介:张翠芝(19 9 5一),女,助教,硕士,主要研究方向为大数据分析。*通讯作者:安海岗E-mail:a n h a i g a n g 16 3.c o m一30 一文献标志码:A文章编号:16 7 4-6 7 32(2 0 2 3)0 4-0 0 30-0 8第15卷第4期张翠芝等基于复杂网络及其模体的京
10、津冀及周边城市空气污染空间关联与城市协同治理2 0 2 3年7 月Xingtai and Handan are the main transmission cities.In the four-season correlation network of model B,Handan and Beijing arethe hub cities,which play an important role in the transmission process of air pollution.It is suggested that we strengthenthe coordination of
11、air pollution control in Shijiazhuang,Xingtai,Handan and Beijing with other cities,improve thesupervision and management mechanism,promote the development of environmental protection industry,solve the Beijing-Tianjin-Hebeiregion air pollution problem from administrative,legal,economic and other asp
12、ects so as to provide long-termguarantee,strengthen the management of coal-to-electricity and coal-to-gas in winter by combining with the seasonal climateconditions in the Beijing-Tianjin-Hebei region,and implement regional or centralized heating to reduce fuel consumption and sootemissions.Key word
13、s:Complex network;Motif;Beijing-Tianjin-Hebei;Air pollution;Spatial correlation;Urban collaborative governance0引言京津冀地区人口较为密集,经济也比较发达,是目前我国北方地区最具经济活力的一个城市集群 。随着经济的快速发展,京津冀地区的空气污染问题也越来越严峻,引起了社会与政府的广泛关注。空气污染具有空间溢出性,某一地区的空气污染不仅与当地的能源消耗结构、经济结构、居民生活、交通结构等息息相关,而且还会受到附近区域的影响。近年来,国内外学者多运用空间计量经济学、多元统计、莫兰指数(Mo
14、ransI)及灰色关联模型等 2-3 对我国城市集群的空气污染与空间关联问题进行研究。2 0 14年,国家提出了京津冀协同发展战略。自此以后,国内外学者对京津冀地区的生态环境与协同发展问题进行了大量的研究。一些学者对京津冀地区的能源结构与能源消耗问题进行了研究,并对其与空气污染的关联性进行了分析 4-5;部分学者对京津冀地区空气污染的空间关联进行了统计分析,对其时空演化进行了系统论述,发现该地区不同城市的空气污染具有较强的空间溢出效应 6-10 。在研究方法方面,国内学者也进行了一定的创新。基于复杂网络理论,马宇博等 对京津冀雾霾污染网络进行了统计分析。基于权重综合指数,乔建刚等 12 对京津
15、冀地区不同污染物的重要性进行了排序。基于GIS空间技术和统计学方法,李慧杰等 13 对京津冀地区空气污染的影响因素进行了分析。“21世纪将是复杂性科学的世纪”,这是世界著名物理学家霍金对于复杂性科学的精彩论述。复杂网络是复杂性科学的核心内容,自从复杂网络的无标度特征和小世界性被提出以后 14-1,国内外掀起了研究复杂网络的热潮。当前,复杂网络的研究成果多集中于自然科学 16 、物理科学 17 、管理科学 18 、社会经济学 19-2 0 等领域。在生态环境领域,虽然有部分学者运用复杂网络理论对城市空气质量空间关联与演化进行了相应的研究,但是从模体 2 1视角出发对城市空气污染空间关联及其协同治
16、理进行的探讨还鲜有涉及。为了探求京津冀及周边城市空气污染的空间关联、季节演化情况及模体视角下的城市环境协同治理,本研究于2 0 15年1月1日至2 0 2 1年12 月31日,选取京津冀及周边共31个城市的空气质量指数(AQI)日均值作为样本,通过计算不同城市AQI的皮尔逊相关系数,结合引力模型,构建京津冀及周边城市的空气污染关联网络,并对网络的整体特征与季节演化情况进行了分析;构建了春、夏、秋、冬4个季节的模体关联网络图,对模体A及模体B随季节演化情况进行了分析,并基于模体演化情况,对京津冀及周边城市的环境协同治理提出了相应的对策与建议。1数据来源与研究方法1.1数据来源1.1.1AQI 日
17、均值2015年1月1日至2 0 2 1年12 月3 1日京津冀及周边31个城市的AQI日均值从中国空气质量在线检测平台(https:/wwwa q i s t u d y c n/historydata/)获取。31个城市包括北京、石家庄、天津、唐山、沧州、廊坊、邯郸、邢台、秦皇岛、保定、衡水、郑州、濮阳、鹤壁、安阳、焦作、开封、新乡、晋城、朔州、大同、晋中、忻州、济南、德州、长治、承德、太原、阳泉、张家口、聊城。1.1.2城市空间距离2个城市之间的空间直线距离利用Python软件通过经纬度计算获取。1.2研究方法1.2.1空气质量空间关联网络的建立为了使用复杂网络可视化软件Gephi构建一一
18、31一第15卷第4期张翠芝等基于复杂网络及其模体的京津冀及周边城市空气污染空间关联与城市协同治理2 0 2 3年7 月个较为健壮的空气质量空间关联复杂网络,首先应用SPSS软件计算出31个城市中任意2 个城市的皮尔逊相关系数,构建了一个3131的相关矩阵。参考马宇博 2 2 研究中的使用方法,以所有相关系数的平均值作为阈值,如果2 个城市之间的相关系数大于阈值,则2 个城市之间存在1条边,如果2个城市之间的相关系数小于值,则边不存在。对于2 个城市之间的边的权重,除了考虑相关系数外,还应当考虑空间距离。权重由于受到量纲的影响,差异较大,需要进行归一化处理。1.2.2关联网络节点的度与中心性度是
19、度量网络中节点重要性的最重要的指标。在无向网络中,度表示与这个节点直接相连的节点的数目。在构建的京津冀及周边城市空气质量空间关联网络中,如果1个节点度值越高,代表与这个城市节点空气质量存在空间关联的城市数量越多。节点的度的计算公式见式(1)。k=Zfermjjev式中:k;节点名称为i的度值;i和j任意节点,对应文中表示城市;V一一节点集合;m;节点i和j之间是否存在连边,若存在连边,则m;记为1,否则记为0。度量节点重要性的指标除了度以外,还有中介中心性与接近中心性。中介中心性 2 3 是度量网络中的某个节点的中心性的重要指标,代表该节点在多大程度上位于网络图中其他节点对的中间位置。如果1个
20、节点处于多对节点对之间,那么该节点的度值一般比较低,但这个节点可能在网络连接中起到重要的“中介作用”。中介中心性的计算公式见式(2)。d,(i)BE;=Zd.r式中:BE,一一节点i的中介中心性;d.(i)一节点s到r的最短路径中经过i节点的数量;dsr一一节点s到r的最短路径数量。接近中心性 2 4 也是度量节点重要性的重要指标,一般用来度量网络中的某个节点到其他节点的最短路径的平均长度。即在复杂网络中,如果1个节点离其他节点距离越近,那么它的接近中心性就越高。接近中心性的计算公式见式(3)。n-1CL;=一3 2 一式中:CL;一一节点i的接近中心性;n节点数量;d一一节点i与i之间的最短
21、距离。1.2.3季节关联网络及其模体演化分析为了清晰地展示京津冀及周边城市空气污染空间关联随季节演化的情况,构建了31个城市的空气质量空间关联四季网络图,并对网络图的度、平均度、网络密度及关键城市关联情况进行分析。为了揭示4个季节关联网络的构建模式,引入了“模体”的概念,使用fanmod软件对四季关联网络中反复出现的局部结构进行统计分析,,探究了季节关联网络模体的存在情况及其演化特征。模体是1种特殊的网络结构,通常由少数节点组成,是在复杂网络中出现多次的具有同样结构的网络子图。复杂网络分为有向图与无向图,在有向图中,如果模体由3个节点构成,共包含13种网络结构;如果模体由4个节点构成,共包含1
22、9 9 种网络结构。无向图中的模体结构则较为简单,由3个(1)节点构成的模体只包含2 种网络结构,见图1。图1无向图中3个节点的模体示意在复杂网络中,模体的频率是指该模体在复杂网络中出现的次数,计算公式见式(4)。n(V)f(V)=N式中:(V)一模体V在网络中出现的次数,即频率;n(V)一一由n个节点组成的模体V在网络中存在的次数;N1个网络中所有的由n个(2)节点组成的模体出现的总次数。2结果与分析2.131个城市空气质量分布特征2.1.131个城市AQI时间变化特征2015一2 0 2 1年京津冀及周边31个城市AQI季度均值时序变化见图2。由图2 可见,AQI总体上呈下降趋势,说明各个
23、城市整体环境质量有所改善。从季节上看,冬季的AQI均值最大,随着气温上升,AQI均值逐渐呈现下降趋势,并在夏季或秋(3)季达到最低值。之后随着温度下降,AQI值又逐渐呈现上升趋势,并在冬季达到最高值。不同季节的(4)第15卷第4期张翠芝等基于复杂网络及其模体的京津冀及周边城市空气污染空间关联与城市协同治理2 0 2 3年7 月AQI均值对应的空气质量等级大部分集中在良(A Q I 值为50 10 0),说明2 0 15一2 0 2 1年该区域大气环境质量得到显著改善。呈现这种变化规律的原因可能是该区域冬季气温低,空气流通速度慢,不利于大气污染物扩散,而夏季气温高,降雨量大,秋季冷暖空气对流速度
24、快,有利于污染物的沉降和扩散 2 160140105.989410080F60LRAR年份/季节图2 2 0 152 0 2 1年京津冀及周边31个城市AQI季度均值时序变化2.1.231个城市AQI空间分布特征2015一2 0 2 1年京津冀及周边31个城市AQI年均值变化见图3。由图3可见,空气质量整体呈现出北部区域较好,南部区域较差的现象。将31个城市按照AQI年均值分为3类:以承德、张家口、大同、秦皇岛为代表的北部地区,AQI年均值 10 0,对应空气质量等级为轻度污染,空气质量相对较差。这可能是因为北部地区重工业较少,污染物排放量较低,且北部地形较高,处于上风向,有利于大气污染物的扩
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