大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法綜述

1、大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法研究綜述孫靜 摘要介紹了目前大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法的種類和優(yōu)缺點(diǎn)，前瞻了將來能夠有所發(fā)展的大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)新方法。并運(yùn)用模糊集理論中的權(quán)距離和隸屬度概念推導(dǎo)出一種改進(jìn)的大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法，評價(jià)過程能充分利用實(shí)際數(shù)據(jù)所包含的各種信息。針對提出的方法進(jìn)行了一系列的實(shí)例驗(yàn)證，證明了其可行性與優(yōu)越性。關(guān)鍵詞 大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià) 模糊綜合分析法 分級標(biāo)準(zhǔn)一、引言大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)(atmosph ericenvironmental quality evaluation)是指根據(jù)不同的目的和要求，按照一定的原則和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，用一定的評價(jià)方法對大氣環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣進(jìn)行定性或定量的評估。大氣環(huán)境質(zhì)

2、量評價(jià)的目的是準(zhǔn)確闡明大氣污染的現(xiàn)狀和質(zhì)量水平，指出未來發(fā)展的趨勢和可能采取的最優(yōu)化對策或措施等。大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的主要內(nèi)容包括:第一，對污染源的調(diào)查與分析，從而確定主要的污染源和污染物，找出污染物的排放方式、途徑、特點(diǎn)和規(guī)律。第二，對大氣污染現(xiàn)狀的評價(jià)。根據(jù)污染源調(diào)查結(jié)果和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，確定大氣污染的程度。第三，對大氣自凈能力的評價(jià)。研究主要污染物的大氣擴(kuò)散、變化規(guī)律，闡明在不同氣象條件下對環(huán)境污染的分布范圍與強(qiáng)度。第四，對生態(tài)系統(tǒng)及人體健康影響的評價(jià)。通過環(huán)境流行病學(xué)調(diào)查，分析大氣污染對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康已產(chǎn)生的效應(yīng)。第五，對環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)的評價(jià)。通過因大氣污染所造成的直接或間接的經(jīng)濟(jì)損

3、失，進(jìn)行調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析。進(jìn)行大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)一般用大氣質(zhì)量指數(shù)來衡量與評定大氣污染的程度。二、常用的大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法常用的大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法有綜合指數(shù)法，主分量分析法，層次決策法，模糊集理論及灰色系統(tǒng)分析等。這些方法已用于大氣環(huán)境質(zhì)量分析與評價(jià)，其中以模糊集理論與指數(shù)法相結(jié)合的模糊指數(shù)分析法為應(yīng)用最廣泛的方法。2.1 模糊綜合分析法大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，且影響空氣質(zhì)量的因素較多，由于大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中存在著不確定性即模糊性，因此用模糊綜合評價(jià)方法更為合理。模糊綜合評價(jià)不僅考慮多因素的影響，而且評價(jià)結(jié)果包含較多的信息，利用級別特征值就可以判定評價(jià)結(jié)果的等級。大氣環(huán)境質(zhì)量的預(yù)測也

4、是一項(xiàng)比較復(fù)雜的問題，因?yàn)榭諝庵械母黜?xiàng)污染物的濃度不僅隨著一天時(shí)刻的變化而變化，而且還具有季節(jié)性，如一天當(dāng)中清晨的空氣質(zhì)量較好，一年當(dāng)中夏天的空氣質(zhì)量較好，所以選擇大氣環(huán)境質(zhì)量發(fā)展趨勢的預(yù)測指標(biāo)極為重要。隨著控制和治理大氣環(huán)境污染措施的逐步加大，大氣環(huán)境質(zhì)量呈逐步轉(zhuǎn)好趨勢。大氣環(huán)境質(zhì)量的摸糊綜合評價(jià)結(jié)果，即級別變量的特征值具有較好的規(guī)律性，基本呈現(xiàn)出逐年減少的趨勢，反映出大氣環(huán)境質(zhì)量的發(fā)展趨勢。因此，在大氣環(huán)境質(zhì)量趨勢預(yù)測時(shí)，可以選定每年的大氣環(huán)境質(zhì)量的模糊綜合評價(jià)指際作為基本數(shù)據(jù)，年大氣環(huán)境質(zhì)量作為預(yù)測對象。2.2 灰色系統(tǒng)理論大氣環(huán)境是一個(gè)多因素相互耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，各種污染物的時(shí)空分布受到

5、眾多因素的制約，而環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中所使用的監(jiān)測數(shù)據(jù)是在有限時(shí)間及空間內(nèi)獲得的，即所提供信息是灰色的。因此，灰色系統(tǒng)理論認(rèn)為，任何隨機(jī)過程都是一定時(shí)空區(qū)域變化的灰色過程。它以小樣本、貧信息的不確定性系統(tǒng)作為研究對象，將隨機(jī)過程看作是在一定時(shí)空區(qū)域變化的與時(shí)間有關(guān)的灰色過程，通過對已知信息的加工處理，挖掘其內(nèi)部隱含的有價(jià)值的信息，使灰色問題淡化或白化，從而對整個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)狀和未來實(shí)現(xiàn)更好的掌控。三、大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)新方法前瞻目前在國際上有所發(fā)展的大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (ANN)、物元可拓集 (MEES)、集對分析 (SPA)、遺傳算法 (GA)和投影尋蹤技術(shù)(PP)等。3.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

6、理論較為常用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論有BP網(wǎng)絡(luò)和RBF網(wǎng)絡(luò)兩種，其中BP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用更為廣泛而簡便。兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最簡示意圖分別如下：在理論上，RBF網(wǎng)絡(luò)和BP網(wǎng)絡(luò)一樣能以任意精度逼近任何非線性函數(shù)。但由于它們使用的激勵(lì)函數(shù)不同，其逼近性能也不相同。Poggio和Girosi已經(jīng)證明，RBF網(wǎng)絡(luò)是連續(xù)函數(shù)的最佳逼近，而BP網(wǎng)絡(luò)不是。BP網(wǎng)絡(luò)使用的Sigmoid函數(shù)具有全局特性，它在輸入值的很大范圍內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都對輸出值產(chǎn)生影響，并且激勵(lì)函數(shù)在輸入值的很大范圍內(nèi)相互重疊，因而相互影響，因此BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程很長。此外，由于BP算法的固有特性，BP網(wǎng)絡(luò)容易陷入局部極小的問題不可能從根本上避免，并且BP網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)

7、點(diǎn)數(shù)目的確定依賴于經(jīng)驗(yàn)和試湊，很難得到最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。采用局部激勵(lì)函數(shù)的RBF網(wǎng)絡(luò)在很大程度上克服了上述缺點(diǎn)，RBF不僅有良好的泛化能力，而且對于每個(gè)輸入值，只有很少幾個(gè)節(jié)點(diǎn)具有非零激勵(lì)值，因此只需很少部分節(jié)點(diǎn)及權(quán)值改變。學(xué)習(xí)速度可以比通常的BP算法提高上千倍,容易適應(yīng)新數(shù)據(jù)，其隱層節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也在訓(xùn)練過程中確定，并且其收斂性也較BP網(wǎng)絡(luò)易于保證，因此可以得到最優(yōu)解。3.2 集對分析法集對分析是我國學(xué)者趙克勤提出的一種針對確定與不確定問題進(jìn)行定量分析的新理論，由于其數(shù)學(xué)表達(dá)簡單，物理意義明確，形象直觀，因而目前已在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)往往缺乏時(shí)間和空間的連續(xù)性，以及環(huán)境質(zhì)量標(biāo)

8、準(zhǔn)等級劃分的相對性，因此空氣環(huán)境是一個(gè)僅能明確部分信息的不確定性系統(tǒng)，從而使運(yùn)用集對分析法對空氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)成為一個(gè)可行的方法。因?yàn)榧瘜Ψ治鲋械牟町惗葮?biāo)示系數(shù)i不易確定，因此常將遺傳算法引入集對分析中，結(jié)合空氣質(zhì)量評價(jià)實(shí)例，對i值進(jìn)行優(yōu)化確定。四、改進(jìn)的大氣環(huán)境質(zhì)量的模糊評價(jià)模式4.1 研究目的與方法由于大氣環(huán)境污染程度由輕到重是逐漸過渡的，沒有明確的界限，因此對大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)時(shí)適宜應(yīng)用模糊集理論方法。近年來已有一些研究成果陸續(xù)發(fā)表 ,但目前大多運(yùn)用模糊綜合評判模型B=A·R，其中以M(,)模型最為普遍。此方法雖較簡便直觀 ,但運(yùn)用模糊綜合評判模型M (,)進(jìn)行評價(jià)時(shí)易

9、使評價(jià)結(jié)果分級不清甚至背離實(shí)際情況。因此，以模糊集理論中的權(quán)距離概念來表示待評價(jià)的大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測樣本與已知的大氣環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，提出一種改進(jìn)的大氣環(huán)境質(zhì)量模糊評價(jià)模式，評價(jià)過程能充分利用實(shí)際數(shù)據(jù)所包含的各種信息。與模糊綜合評判模型的同一應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行比較，結(jié)果表明應(yīng)用該方法得到的評價(jià)結(jié)果更為合理準(zhǔn)確。4.2 改進(jìn)的模糊評價(jià)模式的構(gòu)建已知分級數(shù)或分類數(shù)為的統(tǒng)一規(guī)定的大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其項(xiàng)評價(jià)因子即污染指標(biāo)所對應(yīng)的各級標(biāo)準(zhǔn)值構(gòu)成了大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣。設(shè)現(xiàn)有組大氣環(huán)境質(zhì)量狀況有待于根據(jù)上述評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級評價(jià) ,組成了評價(jià)樣本集，其相應(yīng)的項(xiàng)大氣環(huán)境污染指標(biāo)的監(jiān)測值構(gòu)成大氣環(huán)境質(zhì)量

10、監(jiān)測值矩陣X。其中yih>0，xij<0，i=1，2，m；j=1，2，n；h=1，2，c。大氣環(huán)境質(zhì)量評價(jià)是分析大氣污染程度的過程，而污染屬于模糊概念，可用模糊集合論中的隸屬度來描述。由于分級數(shù)越小時(shí)表明大氣環(huán)境質(zhì)量越好，則可規(guī)定第i項(xiàng)大氣環(huán)境污染指標(biāo)的第1級標(biāo)準(zhǔn)值對于模糊子集“污染”的隸屬度si1=0，而第c級標(biāo)準(zhǔn)值yic的隸屬度sic=1；介于1級與c級之間的第h級標(biāo)準(zhǔn)值yih的隸屬度sih可按線性內(nèi)插公式來確定顯然0sih1。則由上式可將評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣變換為大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值模糊矩陣由于污染指標(biāo)監(jiān)測值越大表明大氣環(huán)境污染越嚴(yán)重，可根據(jù)下式將各個(gè)污染指標(biāo)監(jiān)測值規(guī)格化為指標(biāo)隸屬度

11、，從而將大氣環(huán)境質(zhì)量檢測值矩陣變換為大氣環(huán)境質(zhì)量檢測值模糊矩陣從毒理學(xué)和衛(wèi)生學(xué)角度考慮，不同大氣環(huán)境污染指標(biāo)對人類健康和生態(tài)環(huán)境的危害性有所差異，因此項(xiàng)污染指標(biāo)在評價(jià)過程中的地位和重要程度有時(shí)并不相同，評價(jià)時(shí)應(yīng)考慮其危害性權(quán)重。設(shè)污染指標(biāo)的危害性權(quán)向量為根據(jù)大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值模糊矩陣S，第h級別標(biāo)準(zhǔn)可用向量表示類似地，由大氣環(huán)境質(zhì)量檢測模糊矩陣R，第j個(gè)樣本可用向量表示根據(jù)模糊集理論中權(quán)距離的定義和概念，第j個(gè)樣本與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的第h級別之間的差異可用考慮了評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的廣義權(quán)距離來表達(dá)，其中p為距離參數(shù)，p=1時(shí)是海明距離，p=2是歐氏距離。則對于所有n個(gè)待評價(jià)的監(jiān)測樣本和c級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可建立差

12、異矩陣差異矩陣D反映了各個(gè)待評價(jià)監(jiān)測樣本對于各級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的貼近程度，dhj越小表明第j個(gè)樣本越貼近于第h級標(biāo)準(zhǔn)，即第j個(gè)樣本隸屬于第h級標(biāo)準(zhǔn)的程度vhj越大。也就是說，隸屬程度vhj與貼近程度dhj成反比關(guān)系即為直觀和便于比較，將同一樣本的c個(gè)隸屬程度值歸一化，得到第j個(gè)樣本對于第h級標(biāo)準(zhǔn)的分級隸屬度uhj，其計(jì)算模型為：只要已知待評價(jià)樣本中各項(xiàng)污染指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果，根據(jù)大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)通過上述分級隸屬度的計(jì)算模型就可以計(jì)算確定樣本對于各級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的分級隸屬度。然后依據(jù)隸屬度最大原則，可直接確定該監(jiān)測樣本的評價(jià)結(jié)果為最大分級隸屬度所對應(yīng)的大氣環(huán)境質(zhì)量級別。4.3 應(yīng)用實(shí)例及分析分別將大氣環(huán)境質(zhì)量

13、分級標(biāo)準(zhǔn)模糊矩陣S、污染指標(biāo)監(jiān)測值模糊矩陣R和指標(biāo)危害性權(quán)向量代入分級隸屬度計(jì)算模型中，取距離參數(shù)p=2，計(jì)算得到宜賓市城區(qū)1985年1989年各年度的大氣環(huán)境質(zhì)量對5級大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的分級隸屬度和相對應(yīng)的評價(jià)結(jié)果，如附表所示。距離參數(shù)p=1時(shí)，分級隸屬度值雖不同，但評價(jià)結(jié)果相同。附表宜賓市城區(qū)1985-1989年大氣環(huán)境質(zhì)量模糊評價(jià)結(jié)果由附表可知，運(yùn)用模糊綜合評判模型得到的評價(jià)結(jié)果各級隸屬度值比較均化，區(qū)別不是很明顯。特別是對1985年度的大氣環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)結(jié)果，其隸屬于級和級大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度均為0.38，難以做出明確判斷。而應(yīng)用本文提出的模糊評價(jià)方法所得到的結(jié)果比較離散，可明確判斷其應(yīng)屬于級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。另值得一提的是，1986年度和1989年度的大氣環(huán)境質(zhì)量文獻(xiàn)1中均評為級。而實(shí)際上4項(xiàng)污染指標(biāo)中只有SO2的監(jiān)測濃度略小于級標(biāo)準(zhǔn)，其它3項(xiàng)的監(jiān)測值均低于級或級標(biāo)準(zhǔn)，因此綜合評判為級大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)論顯然是不合理的，二者均屬于級標(biāo)準(zhǔn)即中污染更切合實(shí)際。導(dǎo)致模糊綜合評判模型評價(jià)結(jié)果均化和失真的根本原因在于一是模糊向量A限定了隸屬度取值