基于非線性回歸和層次分析法的塑料污染研究

陳岸荻

摘?要：塑料工業(yè)的快速發(fā)展給人們帶來了許多便利和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但同時(shí)也伴隨著各種令人擔(dān)憂的生態(tài)問題。首先，我們采用一元非線性回歸模型，通過大量相關(guān)數(shù)據(jù)，考慮塑料廢棄物的來源、處理塑料所需資源的有效性和有效性等因素，以年份為自變量，通過多元擬合，我們估計(jì)一次性使用或處理塑料產(chǎn)品廢物的最高水平，這些廢物可以安全地減少，而不會(huì)對(duì)環(huán)境造成進(jìn)一步損害。然后，改進(jìn)傳統(tǒng)的層次分析法，研究政府的相關(guān)政策，建立環(huán)境安全指標(biāo)體系，并討論了利用它可以減少多少塑料廢棄物，達(dá)到環(huán)境安全水平。

關(guān)鍵詞：一元非線性回歸;層次分析法;環(huán)境安全;塑料污染

1 背景

目前，大多數(shù)塑料包裝材料都是100%聚烯烴材料，不采用可降解配方制成。由于其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，自然分解需要大約200年的時(shí)間[1]。因此，只有大約9%的塑料產(chǎn)品可以回收利用，每年大約有4-12噸塑料廢物進(jìn)入海洋[2]。顯然，塑料垃圾不僅會(huì)造成白色污染（視覺污染），還會(huì)造成水體污染，甚至危及海洋生物的生命安全。因此，加強(qiáng)對(duì)塑料制品的管理正逐漸成為人類的共識(shí)，也是全球塑料生產(chǎn)和使用面臨的重要現(xiàn)實(shí)問題。在這種情況下，為了解決塑料廢棄物的問題，我們將提出一種方法，以減緩塑料生產(chǎn)的流動(dòng)，改善我們?nèi)绾喂芾硭芰蠌U棄物。

2 基于一元非線性回歸的塑料環(huán)保產(chǎn)品產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型

歐美等國(guó)家被提名為亞洲國(guó)家，中國(guó)已成為全球最大的塑料生產(chǎn)國(guó)，占全球塑料產(chǎn)量的25%[4]，為此，本文將以中國(guó)為例詳細(xì)回答。

首先自變量設(shè)為“年”，因變量設(shè)為“中國(guó)塑料制品數(shù)量”。然后，根據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局提供的過去五年（2015-2019年）塑料制品數(shù)量數(shù)據(jù)，我們把這里生活垃圾的來源一般分為生活垃圾和工業(yè)垃圾。將自變量設(shè)為t年，將因變量設(shè)為可用土地資源L年，根據(jù)近5年垃圾無害化處理廠的數(shù)量和無害化處理工藝進(jìn)展的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到擬合數(shù)據(jù)的曲線，如下圖所示。

為了判斷擬合精度是否高，引入殘差范數(shù)對(duì)擬合效果進(jìn)行量化。一般來說，殘差范數(shù)越小，擬合效果越好。經(jīng)計(jì)算，兩個(gè)數(shù)字的殘差分別為1.03和1.49，說明我們的擬合是絕對(duì)準(zhǔn)確的。

最后，當(dāng)我們得到一階導(dǎo)數(shù)時(shí)，我們得到了原函數(shù)的變化程度，所以計(jì)算得到的是V1和V2，我們得到：

并對(duì)兩個(gè)因變量進(jìn)行比較，根據(jù)兩個(gè)第一素?cái)?shù)的特點(diǎn)：當(dāng)2020年≤x≤2030年時(shí)，我們得到：環(huán)境破壞率大于環(huán)境恢復(fù)率。相應(yīng)地，最大值等于人類處理的塑料垃圾的最大量，求出最大值的一階導(dǎo)數(shù)，大于零，所以：當(dāng)2020年≤x≤2030年時(shí)，最大值增加。當(dāng)x=2030時(shí)，最大水位取最大值6.23*t。

3 基于層次分析法減少塑料廢棄物模型

傳統(tǒng)AHP判斷矩陣的量化值采用Saaty提出的1-9標(biāo)度法。當(dāng)評(píng)價(jià)體系中指標(biāo)較多時(shí)，不僅選代次數(shù)較多，計(jì)算量較大，而且由于一致性差，判斷矩陣的可靠性較差。為此，本文采用改進(jìn)的層次分析法，將兩個(gè)指標(biāo)用三個(gè)尺度（0、1、2）進(jìn)行比較，建立比較矩陣，進(jìn)而確定判斷矩陣。IAHP的三個(gè)尺度意義是：0表示Ci比Cj重要，1表示Cj和Ci同等重要，2表示Ci比Cj重要。該方法具有自我調(diào)節(jié)功能，不需要一致性檢驗(yàn)。與層次分析法相比，尺度值具有合理性和良好的判斷溝通性，提高了比較判斷過程的準(zhǔn)確性。

在這個(gè)問題上，我們首先利用改進(jìn)的層次分析法建立了環(huán)境安全評(píng)價(jià)體系，從而找出環(huán)境安全水平。首先，選取影響因素建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的思路和步驟如下：

生態(tài)環(huán)境安全評(píng)價(jià)一般遵循四個(gè)原則：一是綜合性原則，評(píng)價(jià)指標(biāo)反映生態(tài)環(huán)境的整體性和綜合性特征;二是主導(dǎo)因素原則，選擇代表性原則，領(lǐng)先最能反映生態(tài)環(huán)境的本質(zhì)特征;第三，可操作性原則，指標(biāo)的量化數(shù)據(jù)應(yīng)便于獲取和更新;第四，原則簡(jiǎn)單，指標(biāo)選擇有針對(duì)性，評(píng)價(jià)指標(biāo)盡量少，以及盡可能簡(jiǎn)單的評(píng)估方法。

因此，在環(huán)境生態(tài)安全概念和相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，探索并構(gòu)建了由目標(biāo)層、系統(tǒng)層和指標(biāo)層（表1）組成的層次結(jié)構(gòu)的環(huán)境安全水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。系統(tǒng)層由大氣系統(tǒng)、土壤環(huán)境和水環(huán)境系統(tǒng)三個(gè)生態(tài)環(huán)境安全要素組成;指標(biāo)層由大氣中二氧化碳含量、PM2.5含量、水資源中污染物含量等代表性指標(biāo)因子組成，以及土壤所能容納的垃圾量等本模型基于指標(biāo)的易取性、獨(dú)立性、針對(duì)性和可比性等原則，在一些有代表性的地方查詢了經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利等相關(guān)部門的大量數(shù)據(jù)資料，通過對(duì)數(shù)據(jù)和資料的篩選和選擇，選擇容易獲得、反映環(huán)境實(shí)際情況、便于研究區(qū)縱向比較、便于與同類地區(qū)比較的區(qū)域，以區(qū)域橫向比較指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化之前，使用自然對(duì)數(shù)變換來縮小變化范圍。為了消除量綱差異，使數(shù)據(jù)具有可比性，進(jìn)一步規(guī)范了數(shù)據(jù)范圍。10年13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)矩陣經(jīng)自然對(duì)數(shù)變換后為，數(shù)據(jù)矩陣為。安全趨勢(shì)指數(shù)為正值，數(shù)值越大，水環(huán)境安全，范圍標(biāo)準(zhǔn)化處理如下：

其次，確定各指標(biāo)在指標(biāo)體系中的權(quán)重，確定方法如下：通過計(jì)算和整理，各體系層環(huán)境與生態(tài)安全體系比較見表2-6（見附件：表2-6），并對(duì)系統(tǒng)層和指標(biāo)層的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了合理的權(quán)重分配。得到了環(huán)境生態(tài)安全系統(tǒng)的比較矩陣A-B、B1-C、B2-C和b3-C。環(huán)境生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)的單級(jí)排序和總級(jí)排序見表7，各指標(biāo)權(quán)重為Wi。

結(jié)果表明：13項(xiàng)指標(biāo)中，污水排放總量權(quán)重為0.2579，一次成型塑料生產(chǎn)量權(quán)重為0.1641，垃圾處理量權(quán)重為0.1216，污染治理資金權(quán)重為0.1172，污水處理能力權(quán)重為0.086，土壤自恢復(fù)力權(quán)重為0.0729，排名前5位;二氧化碳等三種物質(zhì)的重量較小。在對(duì)環(huán)境與生態(tài)安全進(jìn)行量化時(shí)，可以剔除權(quán)重較小的三個(gè)因素，從而簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)過程。

4 小結(jié)

根據(jù)環(huán)境生態(tài)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和水平，我國(guó)正處于總體狀態(tài)，環(huán)境系統(tǒng)的服務(wù)功能可能退化，環(huán)境可能受到一定程度的破壞，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化。一般來說，生態(tài)系統(tǒng)很可能保持其基本功能，但受到干擾后容易惡化，出現(xiàn)生態(tài)問題，并會(huì)出現(xiàn)階段性的生態(tài)災(zāi)害。如果我們想使中國(guó)的生態(tài)環(huán)境總體上達(dá)到一個(gè)相對(duì)安全和良好的狀態(tài)，并想使中國(guó)的環(huán)境系統(tǒng)在模式上達(dá)到第二個(gè)層次（環(huán)境服務(wù)功能基本完善，環(huán)境干擾較小，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍然完整，即使總體上是受干擾，易恢復(fù)，生態(tài)問題不明顯，生態(tài)災(zāi)害少，至少提高0.2855。

參考文獻(xiàn)

[1]?BARRA R，LEONARD S A.Plastics and the circular economy：a stapdocument[R].Viet Nam：Global Environment Facility Council Meeting，2018：1-23.

[2]?Ma Yanru，White Pollution and Plastic Packaging，Environmental Protection，2000.03