基于灰色聚類白化改進(jìn)的西安浐灞生態(tài)區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

趙昱琨，裴 鈺

(1.陜西環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西省環(huán)境科學(xué)研究院，陜西 西安 710061)

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基于灰色聚類白化改進(jìn)的西安浐灞生態(tài)區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

趙昱琨1，裴 鈺2

(1.陜西環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西省環(huán)境科學(xué)研究院，陜西 西安 710061)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)灰色聚類白化函數(shù)導(dǎo)致非相鄰域權(quán)重疊加失效問(wèn)題，給出了一種基于正態(tài)分布的白化函數(shù)構(gòu)造方法，避免了零權(quán)重情況，并對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的步驟進(jìn)行了詳盡討論。結(jié)合西安浐灞生態(tài)區(qū)大氣環(huán)境調(diào)查項(xiàng)目，對(duì)11個(gè)采集點(diǎn)、5個(gè)大氣指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行了質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了該方法的有效性與客觀性。

關(guān)鍵詞：大氣環(huán)境；灰色聚類；白化函數(shù)；評(píng)價(jià)

1引言

隨著人民群眾對(duì)環(huán)境、生活質(zhì)量及城市宜居度等日益關(guān)注與重視，環(huán)境問(wèn)題已成為我國(guó)城市發(fā)展必須面對(duì)的重要課題之一[1]。大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)即利用實(shí)際采集的大氣指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)大氣環(huán)境性質(zhì)進(jìn)行定量與定性相結(jié)合的客觀分析與判定。進(jìn)行科學(xué)有效的大氣環(huán)境評(píng)價(jià)是了解污染現(xiàn)狀與規(guī)律、制定治理控制方案、開(kāi)展環(huán)境趨勢(shì)預(yù)測(cè)的基本前提，具有重要意義[2，3]。

從公開(kāi)文獻(xiàn)來(lái)看，常用的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法包括模糊綜合評(píng)判、灰色聚類、層次分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，對(duì)不同的評(píng)價(jià)應(yīng)用場(chǎng)景有著不同的適用性。大區(qū)域開(kāi)放環(huán)境的大氣環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)采集具有明顯的時(shí)空有限性，樣本信息表現(xiàn)出不完備性，這種先驗(yàn)信息的不完備性、不確定性是灰色聚類應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)所在，具有較強(qiáng)的靈活性與適應(yīng)性，已成為大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要方法[4～6]。同時(shí)，白化函數(shù)的權(quán)重處理保證灰色聚類法應(yīng)用有效性的重要環(huán)節(jié)，本文在文獻(xiàn)[4]、[5]的基礎(chǔ)上對(duì)白化函數(shù)構(gòu)造進(jìn)行了改進(jìn)，并運(yùn)用改進(jìn)模型對(duì)西安浐灞生態(tài)區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2灰色聚類評(píng)價(jià)方法與步驟

灰色聚類將評(píng)價(jià)對(duì)象與指標(biāo)通過(guò)白化函數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，進(jìn)而利用灰類完成歸納分類并最終判決。灰色聚類將對(duì)象、指標(biāo)、樣本測(cè)量值與等級(jí)四者結(jié)合起來(lái)，形成一種對(duì)部分信息未知系統(tǒng)的類別屬性處理方法[3，4]。在大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)用中，灰色聚類法主要包含以下4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1監(jiān)測(cè)樣本的白化矩陣

將評(píng)價(jià)對(duì)象的大氣指標(biāo)測(cè)量值作為樣本，構(gòu)成相應(yīng)的白化矩陣W，如式(1)所示。

(1)

W矩陣表面共有m組監(jiān)測(cè)樣本，樣本可以按空間域或時(shí)間域劃分，本文以不同地點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值構(gòu)造樣本；同時(shí)，每組樣本由包含n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，也可稱為污染因子。本文所用的監(jiān)測(cè)樣本為《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012)》規(guī)定的主要污染物質(zhì)量濃度值，第i組監(jiān)測(cè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)的白化函數(shù)值對(duì)應(yīng)(1)式中的xij，其取值范圍為：i∈[1，2，3，…，m]，j∈[1，2，3，…，n]。其中，一組樣本的每個(gè)指標(biāo)都可通過(guò)p(指數(shù)因數(shù)，對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)的類別數(shù))個(gè)大氣質(zhì)量類別來(lái)表征，即“灰類”，用k表示，k∈[1，2，3，…，p]。

2.2樣本值的無(wú)量綱處理

分屬不同量綱的指標(biāo)測(cè)量值在進(jìn)行聚類計(jì)算前需要進(jìn)行歸一化處理，即數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理，使計(jì)算結(jié)果具有可比性。本文采用比重法進(jìn)行處理，式(2)、(3)給出了具體計(jì)算方法。

(2)

(3)

2.3利用正態(tài)分布構(gòu)造白化函數(shù)

相鄰灰度等級(jí)權(quán)重的異化是傳統(tǒng)直線梯形白化函數(shù)的重要缺陷，一次差值函數(shù)很難刻畫(huà)不同變量之間的相互影響，相鄰權(quán)重值的線性疊加與不相鄰權(quán)重值的趨零性使白化函數(shù)丟失很多數(shù)據(jù)信息，當(dāng)質(zhì)量等級(jí)分布較離散時(shí)，聚類計(jì)算的偏差更為明顯。針對(duì)上述問(wèn)題，本文借鑒文獻(xiàn)[4]、[5]的計(jì)算方法，利用正態(tài)分布構(gòu)造具有曲邊梯形結(jié)構(gòu)的非線性白化函數(shù)，利用指數(shù)刻畫(huà)等級(jí)權(quán)重之間的疊加關(guān)系，有效避免非相鄰等級(jí)權(quán)重的零值問(wèn)題，具體函數(shù)式如下。

第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的第1個(gè)灰類所對(duì)應(yīng)的白化函數(shù)可用分段函數(shù)表示，見(jiàn)(4)式：

xij>yj1

(4)

第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的第k個(gè)灰類的白化函數(shù)分為3段，見(jiàn)(5)式：

yjk-1

xij>yjk

(5)

第 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的第個(gè)灰類的白化函數(shù)分為兩段，見(jiàn)(6)式：

xij>yj(p-1)

(6)

其中，λj表示第j個(gè)大氣質(zhì)量指標(biāo)的參考值，本文用第j個(gè)指標(biāo)的p個(gè)等級(jí)的均值來(lái)設(shè)定，其計(jì)算方法見(jiàn)(7)式：

(7)

2.4聚類權(quán)與聚類系數(shù)的計(jì)算

聚類權(quán)用于表征指標(biāo)對(duì)應(yīng)某一灰類的權(quán)重，考慮到傳統(tǒng)的單一閾值計(jì)算法不能有效刻畫(huà)不同樣本指標(biāo)測(cè)量值在同一質(zhì)量等級(jí)范圍內(nèi)的幅度變化差異，本文在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)聚類權(quán)計(jì)算式進(jìn)行了改進(jìn)，以有效納入測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值，如(8)式：

(8)

聚類系數(shù)由白化函數(shù)與聚類權(quán)兩個(gè)因變量計(jì)算得到，用于描述評(píng)價(jià)對(duì)象隸屬于評(píng)價(jià)等級(jí)的程度，即樣本與灰類之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的強(qiáng)弱，也是最終評(píng)價(jià)結(jié)果的直接依據(jù)，(9)式給出了其計(jì)算式。

(9)

矩陣中組行向量的個(gè)指標(biāo)最大聚類系數(shù)所對(duì)應(yīng)的灰類表征所屬等級(jí)。

3灰色聚類評(píng)價(jià)算例與評(píng)述

2014年12月至2015年8月，對(duì)西安浐灞生態(tài)區(qū)的11個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行了為期9個(gè)月的大氣質(zhì)量監(jiān)控，各實(shí)測(cè)指標(biāo)的平均值如表1所示。

表1　浐灞生態(tài)區(qū)各大氣質(zhì)量采集點(diǎn)數(shù)據(jù)　mg/m3

通過(guò)2.2節(jié)所述方法，對(duì)表1進(jìn)行無(wú)量綱處理，限于篇幅，不再贅述。通過(guò)2.1節(jié)的白化函數(shù)構(gòu)造方法，對(duì)無(wú)量綱處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行白化，得到表2所示的結(jié)果，其中Ⅰ、Ⅱ分別對(duì)應(yīng)GB 3095-2012規(guī)定的污染物濃度等級(jí)。

表2　監(jiān)測(cè)樣本組各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的白化函數(shù)值

根據(jù)GB 3095-2012環(huán)境空氣功能區(qū)質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)極限濃度值，計(jì)算出式(8)的聚類權(quán)，再結(jié)合表2計(jì)算出式(9)所定義的聚類系數(shù)，進(jìn)而得出各等級(jí)的隸屬度值，結(jié)果如表3所示。

在評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ類的區(qū)域中，大氣環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣順序依次是濕地公園、桃花潭景區(qū)、浐灞半島、繞城高速灞河大橋；評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅱ類的區(qū)域中，優(yōu)劣順序依次是世博園區(qū)、歐亞經(jīng)濟(jì)論壇會(huì)址、歐亞1號(hào)橋廣場(chǎng)、長(zhǎng)安塔、浐灞大道2號(hào)橋、北辰立交。其中濕地公園位于灞河與渭河交界河口地帶南端，遠(yuǎn)離主城區(qū)，且距離涇渭工業(yè)園也較遠(yuǎn)，水資源充沛、生態(tài)環(huán)境良好；世博園區(qū)雖然具有一定的綠地面積與水域，但其與東郊電廠、三環(huán)交通線、部分人口密集商住區(qū)毗鄰，外部大氣擴(kuò)散對(duì)園區(qū)內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生一定影響，被評(píng)為Ⅱ類；歐亞1號(hào)橋廣場(chǎng)比浐灞大道2號(hào)橋等靠近浐灞三角洲地帶，沿河綠地面積逐步增加、平均車(chē)流量減小、人口密度下降，空氣質(zhì)量狀況好轉(zhuǎn)。

表3　監(jiān)測(cè)樣本灰色聚類系數(shù)與評(píng)判

4結(jié)語(yǔ)

結(jié)合對(duì)西安浐灞生態(tài)區(qū)11個(gè)區(qū)域近一年的大氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本文運(yùn)用改進(jìn)的灰色聚類方法對(duì)11組監(jiān)測(cè)樣本進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)，并進(jìn)行橫向比較討論。評(píng)價(jià)結(jié)果表明浐灞生態(tài)區(qū)大氣質(zhì)量呈明顯不均衡性，特別是生態(tài)區(qū)南部，與主城區(qū)相重疊部分、與一些工業(yè)、基建污染源相臨近的區(qū)域大氣環(huán)境等級(jí)較低，交通、商業(yè)等人類活動(dòng)影響的明顯；浐河、灞河沿岸綠地屏障作用不明顯，仍需進(jìn)一步建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

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AtmosphereEnvironment Quality Assessment of ChanbaEcological District in Xi′an Based on Whitening Modified Grey Clustering Method

Zhao Yukun1， Pei Yu2

(1.ShaanxiEnvironmentalProtectionIndustryGroupCo.，Ltd.，Xi′an710054，China;2.ShaanxiProvincialAcademyofEnvironmentalScience，Xi′an710061，China)

Abstract:To deal with theproblem of nonadjacent domainweighted superposition failure caused by the traditional gray clustering whitening function，the article proposes a construction method of whitening function based on normal distribution，which avoids the condition of zero weight and makes a detailed discussion on the steps of atmosphere environment quality assessment.Combining with the survey projectof atmospheric environmentin Chanbaecological district in Xi′an，the article conducts aquality grade of evaluationof the monitoring value in11 sampling points and 5 atmospheric indexes，which verify the validity and objectivity of the method described in the article.

Key words:atmospheric environment;grey clustering;whitening function;evaluation

文章編號(hào)：1674-9944(2016)02-0089-03

中圖分類號(hào)：X823

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

通訊作者：裴鈺(1980—)，女，陜西西安人，工程師，主要從事智能檢測(cè)技術(shù)與環(huán)境綜合評(píng)價(jià)方面的研究工作。

作者簡(jiǎn)介：趙昱琨(1984—)，女，陜西韓城人，助理工程師，主要從事環(huán)境質(zhì)量控制方面的研究工作。

收稿日期：2015-10-21