改進的灰色關(guān)聯(lián)度分析在環(huán)境質(zhì)量評價中的運用

孔海燕+趙穎+陳珂+孫燕+王建英

摘要：本文通過闡述灰色關(guān)聯(lián)度分析法及其在環(huán)境質(zhì)量評價中存在的弊端，介紹了學(xué)者們對傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度分析方法在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間、關(guān)聯(lián)系數(shù)、權(quán)重系數(shù)的改進，最后探討了該法在水環(huán)境、大氣環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用。

摘要：灰色關(guān)聯(lián)度分析；改進方法；環(huán)境質(zhì)量評價

中圖分類號：X820 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）01-0109-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.01.063

Application of improved gray correlation analysis in environmental quality assessment

Kong Haiyan， Zhao Ying， Chen Ke， Sun Yan， Wang Jianying

（Henan Environmental Monitoring Center，Zhengzhou He&apos；nan 450004，China）

Abstract： This paper describes the gray correlation analysis method and its disadvantages in environmental quality assessment， introduces the scholars improvement on the traditional gray relational analysis method in quality standard interval， correlation coefficient and weight coefficient， and finally discusses the method Application in Water Environment and Atmospheric Environment Quality Evaluation.

Abstract： Gray Correlation Analysis； Improvement Method； Environmental Quality Assessment

影響環(huán)境的因素是多方面的，現(xiàn)在對環(huán)境質(zhì)量評價從以往的單因素評價向綜合評價發(fā)展。綜合評價法主要有：綜合污染指數(shù)法、模糊評價法、灰色評價法、物元分析法、層次分析法等。在對環(huán)境質(zhì)量進行評價時，我們獲取的信息不是完全的，既有已知信息（如采集樣品時記錄的信息），也有未知信息，灰色評價法非常適合這類情形。灰色評價法主要有灰色聚類法、灰色貼近度分析法、灰色關(guān)聯(lián)評價法。這三種方法利用信息效率高、分析結(jié)果準(zhǔn)確，在對水環(huán)境水質(zhì)界限模糊性處理好。在常用方法中，過于強調(diào)異常值的作用，灰色關(guān)聯(lián)評價法解決了這一問題，評價結(jié)果和實際情況符合度高。另外灰色關(guān)聯(lián)度分析是通過比較測量數(shù)據(jù)與環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的相似程度來對環(huán)境質(zhì)量進行評價，對環(huán)境治理具有指導(dǎo)意義。下文就灰色關(guān)聯(lián)度分析方法原理、存在的問題、做出的改進以及在環(huán)境評價中的應(yīng)用予以介紹。

1 灰色關(guān)聯(lián)度評價法

灰色關(guān)聯(lián)度分析是研究兩參數(shù)序列的關(guān)聯(lián)度，若關(guān)聯(lián)度大，則兩參數(shù)序列表征的幾何曲線越相似，距離越小；若關(guān)聯(lián)度小，則兩參數(shù)序列表征的幾何曲線不相似，距離遠。如在對水環(huán)境水質(zhì)等級進行評價時，將水體實測值作為參數(shù)序列A，水質(zhì)等級標(biāo)準(zhǔn)作為參數(shù)序列B，比較這兩對參數(shù)序列的關(guān)聯(lián)度，也即曲線相似度。如若它們的關(guān)聯(lián)度最大值對應(yīng)V級水質(zhì)，那么我們就說基于灰色關(guān)聯(lián)度分析水體被評價為V級水質(zhì)。

1.1 傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度分析

傳統(tǒng)的灰色評價法具體的操作步驟分為以下幾步：（1）選取評價指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)；（2）建立評價指標(biāo)矩陣和評價標(biāo)準(zhǔn)矩陣；（3）對矩陣數(shù)據(jù)進行無量綱化處理；（4）關(guān)聯(lián)度計算；（5）評價標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.1 選取評價指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)

評價指標(biāo)根據(jù)研究區(qū)域地理環(huán)境、研究目的不同而區(qū)別選擇。[1]在對水磨河水質(zhì)進行評價時，因為水磨河主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，就沒有選取那些常年監(jiān)測中都未超標(biāo)的指標(biāo)，其選擇的指標(biāo)有氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)、石油類等指標(biāo)因子。表1列舉了水環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)中的一些影響因子和影響大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)評價的因子。水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)一般選取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），大氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)一般選取《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）。

1.1.2 建立評價指標(biāo)矩陣和評價標(biāo)準(zhǔn)矩陣

以評價指標(biāo)的實測值作為序列序列A，記作{xi（k）}，其中K代表測定指標(biāo)，i代表測點。如將大氣環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)分為5類標(biāo)準(zhǔn)，測定其影響因子（表1），則K=1，2，3，4，5就分別代表清潔、輕污染、中污染、重污染、嚴(yán)重污染，i=1，2，3，4就分別代表TSP、SO2、NOX、F。然后將大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值作為序列，記作{xj（k）}，則：

1.1.3 對矩陣數(shù)據(jù)進行無量綱化處理

由于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)計量單位、數(shù)量級可能并不完全一致，這樣就會對各指標(biāo)之間的對比產(chǎn)生影響，需要將數(shù)據(jù)進行無量綱處理。一般而言，數(shù)據(jù)的無量綱處理主要有以下集中方法：（1）極值化方法；（2）標(biāo)準(zhǔn)化方法；（3）均值化方法；（4）標(biāo)準(zhǔn)差化方法。傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度分析數(shù)據(jù)無量綱處理的方式是用實測值除以標(biāo)準(zhǔn)值的平均值，以此來反映實測值和標(biāo)準(zhǔn)值的相對情況。

1.1.4 關(guān)聯(lián)度計算

序列A與序列B的關(guān)聯(lián)度是它們各測點關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值。各測點的關(guān)聯(lián)系數(shù)εi（k）定義為：

εi（k）=（Δmin+ρΔmax）/（︱x0（k）-xi（k）︱+ρΔmax） ①

①式中ρ分辨系數(shù)，x0（k）為待評價樣本第K項的無量化值，Δ為待評價序列與標(biāo)準(zhǔn)序列指標(biāo)值的絕對值。

1.1.5 評價標(biāo)準(zhǔn)

顯然，如果{xi（k）}和{xj（k）}的關(guān)聯(lián)度最好（也即值最大），那么待評價樣本點i的環(huán)境質(zhì)量評價即是j級別的。

1.2 改進的灰色關(guān)聯(lián)度分析

1.2.1 數(shù)據(jù)無量綱處理改進

改進的灰色關(guān)聯(lián)度分析中將數(shù)據(jù)無量綱處理進行了“中心化”，傳統(tǒng)方法考慮的僅僅是評價標(biāo)準(zhǔn)的臨界值，而改進的方法考慮的是環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)值的一個區(qū)間，更符合實際情況，更具代表性。具體方法是先計算評價標(biāo)準(zhǔn)中各評價因子的平均數(shù)值，然后計算某一評價因子與平均數(shù)值的差值，最后用所得差值除以評價因子樣本均方差。這樣處理之后，較之前方法更能體現(xiàn)研究因子之間的差特征。

1.2.2 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間改進

傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)分析中絕對差值計算的是點到點的距離，但評價標(biāo)準(zhǔn)不是一個具體數(shù)值，它有一個范圍，如把空氣污染指數(shù)劃分為：0～50、51～100、101～200、201～300和大于300，其分別對應(yīng)的是 I級、II級、III級、IV級和V級標(biāo)準(zhǔn)，這樣傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)分析中絕對差值計算就顯得不適宜。改進的灰色關(guān)聯(lián)度分析計算的是點到距離的計算。其方法參考[2]的研究。

1.2.3 關(guān)聯(lián)系數(shù)的改進

從①式中可以看出，關(guān)聯(lián)系數(shù)εi（k）與分辨系數(shù)ρ有關(guān)。傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度分析出常將分辨系數(shù)ρ定為0.5[3]。當(dāng)系統(tǒng)中某時刻受某個影響因子強烈時，會影響到分析結(jié)果，降低結(jié)果可信度，這時分辨系數(shù)ρ應(yīng)取較小值，以降低這種影響因子的影響。而當(dāng)系統(tǒng)中無異常因子時，分辨系數(shù)ρ應(yīng)取較大值。改進的ρ取值規(guī)則參照朱利霞研究。

1.2.4 權(quán)重值的改進

在傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度分析中，各評價指標(biāo)中的因子關(guān)聯(lián)系數(shù)沒有考慮給因子在指標(biāo)中所在權(quán)重，這樣得出的關(guān)聯(lián)度是有缺陷的，不能體現(xiàn)具體因子對環(huán)境指標(biāo)評價的影響。改進的灰色關(guān)聯(lián)度分析設(shè)置了權(quán)重系數(shù)，能體現(xiàn)特定因子對環(huán)境的影響程度。權(quán)重系數(shù)是依據(jù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的上下限、實際指標(biāo)監(jiān)測值與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值關(guān)系而設(shè)置的[4]。

2 改進的灰色關(guān)聯(lián)評價在環(huán)境中的應(yīng)用

2.1 在水環(huán)境中的應(yīng)用

在對北京市主要湖泊水質(zhì)進行評價時[5]，對傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度分析數(shù)據(jù)無量綱處理時進行了“中心化”，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間也進行了改進，研究結(jié)果表明改進的灰色評價關(guān)聯(lián)度方法與運用SVM、模糊數(shù)學(xué)評價結(jié)果基本一致，結(jié)合北京市主要湖泊特點發(fā)現(xiàn)，改進的灰色評價關(guān)聯(lián)度方法與實際結(jié)果更符合。[6]在評價丹江口流域地表水的環(huán)境質(zhì)量時，也是就數(shù)據(jù)無量綱處理和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間進行了與徐紅敏[5]相同的處理，發(fā)現(xiàn)改進灰色關(guān)聯(lián)方法與傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)方法、單項因子評價法水質(zhì)評價結(jié)果大致相同，但有一些指標(biāo)（如氨氮、COD、石油類）超出實際結(jié)果，作者認(rèn)為這是因為其所用方法沒有對權(quán)重值進行改進，水體各影響因子權(quán)重都是一樣的，這樣就無法區(qū)分水體主要的污染因子。汪萬芬對六安市淠河水質(zhì)進行評價，結(jié)果顯示改進的灰色關(guān)聯(lián)分析法對水質(zhì)評價結(jié)果可靠，另外還能反映出各污染物對水質(zhì)的影響程度，對不同月份、年份環(huán)境質(zhì)量差異也能反映，與實際情況相符。朱利霞[4]對傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度分析方法的改進包括數(shù)據(jù)無量綱處理、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間改進、權(quán)重設(shè)置，應(yīng)用這種方法評價焦作市地下水發(fā)現(xiàn)，改進的方法評價焦作市第二水廠水質(zhì)為Ⅲ級，不同于傳統(tǒng)灰色評價把焦作市第二水廠水質(zhì)定位Ⅱ級，作者認(rèn)為改進的評價方法更符合實際情況，這種方法對地下飲用水的評價客觀、準(zhǔn)確。

2.2 在大氣環(huán)境中的應(yīng)用

對哈爾濱空氣質(zhì)量進行評價時，將傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度的關(guān)聯(lián)系數(shù)進行了加權(quán)改進，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)方法相比，監(jiān)測結(jié)果有差異較大，作者認(rèn)為是因為傳統(tǒng)方法均等的對待各污染因子，導(dǎo)致了對空氣質(zhì)量的“誤判”，應(yīng)用灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度法能對空氣質(zhì)量進行有效評價[7]。姚桂瑩對某市大氣質(zhì)量的監(jiān)測也是采取了改進加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度的分析方法，結(jié)果表明與傳統(tǒng)方法相比評價結(jié)果有所差異，如果考慮到各污染物的權(quán)重，改進加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度評價方法更符合實際。[8]運用改進的灰色關(guān)聯(lián)度分析方法對北京石景山景區(qū)大氣質(zhì)量進行評價發(fā)現(xiàn)，該方法除了能準(zhǔn)確辨別大氣質(zhì)量等級，還能對大氣質(zhì)量變化趨勢予以判斷，該法可以廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境質(zhì)量研究。[9]將改進的灰色關(guān)聯(lián)度分析方法應(yīng)用到室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢查中去，發(fā)現(xiàn)該方法不僅可以應(yīng)用到水環(huán)境、大氣環(huán)境的監(jiān)測中去，對室內(nèi)空氣質(zhì)量也可以進行監(jiān)測，這為改善室內(nèi)空氣質(zhì)量提供了重要依據(jù)，拓寬了該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 結(jié)語

在對傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度分析方法進行質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間、關(guān)聯(lián)系數(shù)、權(quán)重系數(shù)的改進后，新的方法對環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果更準(zhǔn)確、可靠。對水環(huán)境進行評價時，有些研究對傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度分析只進行了數(shù)據(jù)無量綱處理和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間改進，沒有進行權(quán)重設(shè)置，會導(dǎo)致評價結(jié)果出現(xiàn)偏差，在以后的研究中要予以重視。改進的灰色關(guān)聯(lián)度分析法可以應(yīng)用到大氣質(zhì)量監(jiān)測中，另外該法對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測也符合實際情況，拓寬了該法在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。

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收稿日期：2017-11-20

作者簡介：孔海燕（1969-），女，本科，工程師，研究方向為地表水環(huán)境質(zhì)量綜合分析。