大氣環(huán)境質(zhì)量評價方法綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上大氣環(huán)境質(zhì)量評價方法研究綜述孫靜 摘要介紹了目前大氣環(huán)境質(zhì)量評價方法的種類和優(yōu)缺點，前瞻了將來能夠有所發(fā)展的大氣環(huán)境質(zhì)量評價新方法。并運用模糊集理論中的權(quán)距離和隸屬度概念推導(dǎo)出一種改進的大氣環(huán)境質(zhì)量評價方法，評價過程能充分利用實際數(shù)據(jù)所包含的各種信息。針對提出的方法進行了一系列的實例驗證，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 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(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標(biāo)準(zhǔn)，用一定的評價方法對大氣環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣進行定

2、性或定量的評估。大氣環(huán)境質(zhì)量評價的目的是準(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、特點和規(guī)律。第二，對大氣污染現(xiàn)狀的評價。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。研究主要污染物的大氣擴散、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度。第四，對生態(tài)系統(tǒng)及人體健康影響的評價。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)濟學(xué)的評價。通過因大氣污染

3、所造成的直接或間接的經(jīng)濟損失，進行調(diào)查與統(tǒng)計分析。進行大氣環(huán)境質(zhì)量評價一般用大氣質(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)量評價方法常用的大氣環(huán)境質(zhì)量評價方法有綜合指數(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，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)量評價是一項復(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)量評價中存在著不確定性即模糊性，因此用模糊綜合評價方法更為合理。模糊綜合評價不僅考慮多因素的影響，而且評價結(jié)果包含較多的信息，利用級別特征值就可以判定評價結(jié)果的

4、等級。大氣環(huán)境質(zhì)量的預(yù)測也是一項比較復(fù)雜的問題，因為空氣中的各項污染物的濃度不僅隨著一天時刻的變化而變化，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，可以選定每年的大氣環(huán)境質(zhì)量的模糊綜合評價指際作為基本數(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)境是一個多因素相互耦合的復(fù)雜系統(tǒng)

5、，各種污染物的時空分布受到眾多因素的制約，而環(huán)境質(zhì)量評價中所使用的監(jiān)測數(shù)據(jù)是在有限時間及空間內(nèi)獲得的，即所提供信息是灰色的。因此，灰色系統(tǒng)理論認為，任何隨機過程都是一定時空區(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，將隨機過程看作是在一定時空區(qū)域變化的與時間有關(guān)的灰色過程，通過對已知信息的加工處理，挖掘其內(nèi)部隱含的有價值的信息，使灰色問題淡化或白化，從而對整個系統(tǒng)現(xiàn)狀和未來實現(xiàn)更好的掌控。三、大氣環(huán)境質(zhì)量評價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

6、)等。3.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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)每個節(jié)點都對輸出值產(chǎn)生影響，并且激勵函數(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

7、上避免，并且BP網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點數(shù)目的確定依賴于經(jīng)驗和試湊，很難得到最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。采用局部激勵函數(shù)的RBF網(wǎng)絡(luò)在很大程度上克服了上述缺點，RBF不僅有良好的泛化能力，而且對于每個輸入值，只有很少幾個節(jié)點具有非零激勵值，因此只需很少部分節(jié)點及權(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行定量分析的新理論，由于其數(shù)學(xué)表達簡單，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)往往缺乏時間和空

8、間的連續(xù)性，以及環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級劃分的相對性，因此空氣環(huán)境是一個僅能明確部分信息的不確定性系統(tǒng)，從而使運用集對分析法對空氣環(huán)境質(zhì)量進行評價成為一個可行的方法。因為集對分析中的差異度標(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)量評價實例，對i值進行優(yōu)化確定。四、改進的大氣環(huán)境質(zhì)量的模糊評價模式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)量進行綜合評價時適宜應(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 ,但運用模糊綜合評判

9、模型M (,)進行評價時易使評價結(jié)果分級不清甚至背離實際情況。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，提出一種改進的大氣環(huán)境質(zhì)量模糊評價模式，評價過程能充分利用實際數(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)用實例進行比較，結(jié)果表明應(yīng)用該方法得到的評價結(jié)果更為合理準(zhǔn)確。4.2 改進的模糊評價模式的構(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)，其項評價因子即污染指標(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)上述評價標(biāo)準(zhǔn)進行分級評價 ,組成了評價樣本集，其相應(yīng)的項大氣環(huán)境污染指

10、標(biāo)的監(jiān)測值構(gòu)成大氣環(huán)境質(zhì)量監(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)越小時表明大氣環(huán)境質(zhì)量越好，則可規(guī)定第i項大氣環(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)下式將各個污染指

11、標(biāo)監(jiān)測值規(guī)格化為指標(biāo)隸屬度，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，因此項污染指標(biāo)在評價過程中的地位和重要程度有時并不相同，評價時應(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個樣本與評價標(biāo)準(zhǔn)的第h級別之間的差異可用考慮了評價指標(biāo)權(quán)重的廣義權(quán)距離來表達，其中p為距離參數(shù)，p=1時是海明距離，p=2是歐氏距離。則對于所有n個待評價的監(jiān)測樣

12、本和c級評價標(biāo)準(zhǔn)，可建立差異矩陣差異矩陣D反映了各個待評價監(jiān)測樣本對于各級評價標(biāo)準(zhǔn)的貼近程度，dhj越小表明第j個樣本越貼近于第h級標(biāo)準(zhǔn)，即第j個樣本隸屬于第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個隸屬程度值歸一化，得到第j個樣本對于第h級標(biāo)準(zhǔn)的分級隸屬度uhj，其計算模型為：只要已知待評價樣本中各項污染指標(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算模型就可以計算確定樣本對于各級評價標(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

13、例及分析分別將大氣環(huán)境質(zhì)量分級標(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算模型中，取距離參數(shù)p=2，計算得到宜賓市城區(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)的評價結(jié)果，如附表所示。距離參數(shù)p=1時，分級隸屬度值雖不同，但評價結(jié)果相同。附表宜賓市城區(qū)1985-1989年大氣環(huán)境質(zhì)量模糊評價結(jié)果由附表可知，運用模糊綜合評判模型得到的評價結(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1中均評為級。而實際上4項污染指標(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)即中污染更切合實際。導(dǎo)致模糊綜合評判模型評價結(jié)果均化和失真的根本原因在于一是模糊向量A限定了隸屬度取值的上限，不但沒