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)量評價

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)量評價

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，并對大氣環(huán)境質(zhì)量評價的步驟進(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11個采集點(diǎn)、5個大氣指標(biāo)的監(jiān)測值進(jìn)行了質(zhì)量等級評價，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)；評價

1引言

隨著人民群眾對環(huán)境、生活質(zhì)量及城市宜居度等日益關(guān)注與重視，環(huán)境問題已成為我國城市發(fā)展必須面對的重要課題之一[1]。大氣環(huán)境質(zhì)量評價即利用實(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)境評價是了解污染現(xiàn)狀與規(guī)律、制定治理控制方案、開展環(huán)境趨勢預(yù)測的基本前提，具有重要意義[2，3]。

從公開文獻(xiàn)來看，常用的環(huán)境質(zhì)量評價方法包括模糊綜合評判、灰色聚類、層次分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，對不同的評價應(yīng)用場景有著不同的適用性。大區(qū)域開放環(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)量評價的重要方法[4～6]。同時，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)模型對西安浐灞生態(tài)區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價。

2灰色聚類評價方法與步驟

灰色聚類將評價對象與指標(biāo)通過白化函數(shù)關(guān)聯(lián)起來，進(jìn)而利用灰類完成歸納分類并最終判決。灰色聚類將對象、指標(biāo)、樣本測量值與等級四者結(jié)合起來，形成一種對部分信息未知系統(tǒng)的類別屬性處理方法[3，4]。在大氣環(huán)境質(zhì)量評價應(yīng)用中，灰色聚類法主要包含以下4個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1監(jiān)測樣本的白化矩陣

將評價對象的大氣指標(biāo)測量值作為樣本，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)測樣本，樣本可以按空間域或時間域劃分，本文以不同地點(diǎn)的監(jiān)測值構(gòu)造樣本；同時，每組樣本由包含n個評價指標(biāo)，也可稱為污染因子。本文所用的監(jiān)測樣本為《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)測樣本的第j個指標(biāo)的白化函數(shù)值對應(yīng)(1)式中的xij，其取值范圍為：i∈[1，2，3，…，m]，j∈[1，2，3，…，n]。其中，一組樣本的每個指標(biāo)都可通過p(指數(shù)因數(shù)，對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)的類別數(shù))個大氣質(zhì)量類別來表征，即“灰類”，用k表示，k∈[1，2，3，…，p]。

2.2樣本值的無量綱處理

分屬不同量綱的指標(biāo)測量值在進(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)量等級分布較離散時，聚類計(jì)算的偏差更為明顯。針對上述問題，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)刻畫等級權(quán)重之間的疊加關(guān)系，有效避免非相鄰等級權(quán)重的零值問題，具體函數(shù)式如下。

第j個評價指標(biāo)的第1個灰類所對應(yīng)的白化函數(shù)可用分段函數(shù)表示，見(4)式：

xij>yj1

(4)

第j個評價指標(biāo)的第k個灰類的白化函數(shù)分為3段，見(5)式：

yjk-1

xij>yjk

(5)

第 個評價指標(biāo)的第個灰類的白化函數(shù)分為兩段，見(6)式：

xij>yj(p-1)

(6)

其中，λj表示第j個大氣質(zhì)量指標(biāo)的參考值，本文用第j個指標(biāo)的p個等級的均值來設(shè)定，其計(jì)算方法見(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)算法不能有效刻畫不同樣本指標(biāo)測量值在同一質(zhì)量等級范圍內(nèi)的幅度變化差異，本文在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對聚類權(quán)計(jì)算式進(jìn)行了改進(jìn)，以有效納入測量值與標(biāo)準(zhǔn)值，如(8)式：

(8)

聚類系數(shù)由白化函數(shù)與聚類權(quán)兩個因變量計(jì)算得到，用于描述評價對象隸屬于評價等級的程度，即樣本與灰類之間對應(yīng)關(guān)系的強(qiáng)弱，也是最終評價結(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指標(biāo)最大聚類系數(shù)所對應(yīng)的灰類表征所屬等級。

3灰色聚類評價算例與評述

2014年12月至2015年8月，對西安浐灞生態(tài)區(qū)的11個采集點(diǎn)進(jìn)行了為期9個月的大氣質(zhì)量監(jiān)控，各實(shí)測指標(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2.2節(jié)所述方法，對表1進(jìn)行無量綱處理，限于篇幅，不再贅述。通過2.1節(jié)的白化函數(shù)構(gòu)造方法，對無量綱處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行白化，得到表2所示的結(jié)果，其中Ⅰ、Ⅱ分別對應(yīng)GB 3095-2012規(guī)定的污染物濃度等級。

表2　監(jiān)測樣本組各指標(biāo)對應(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)而得出各等級的隸屬度值，結(jié)果如表3所示。

在評價等級為Ⅰ類的區(qū)域中，大氣環(huán)境質(zhì)量優(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；評價等級為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)論壇會址、歐亞1號橋廣場、長安塔、浐灞大道2號橋、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)散對園區(qū)內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生一定影響，被評為Ⅱ類；歐亞1號橋廣場比浐灞大道2號橋等靠近浐灞三角洲地帶，沿河綠地面積逐步增加、平均車流量減小、人口密度下降，空氣質(zhì)量狀況好轉(zhuǎn)。

表3　監(jiān)測樣本灰色聚類系數(shù)與評判

4結(jié)語

結(jié)合對西安浐灞生態(tài)區(qū)11個區(qū)域近一年的大氣監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文運(yùn)用改進(jìn)的灰色聚類方法對11組監(jiān)測樣本進(jìn)行了質(zhì)量評價，并進(jìn)行橫向比較討論。評價結(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)境等級較低，交通、商業(yè)等人類活動影響的明顯；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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[2]張?jiān)坪＃R雁軍，孫財(cái)濤，等.灰色聚類評價在經(jīng)濟(jì)區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010(S1):426～428.

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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：1674-9944(2016)02-0089-03

中圖分類號：X823

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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

作者簡介：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