近海沉積物環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的熵權(quán)屬性識(shí)別模型

劉付程，張存勇，張 瑞

（淮海工學(xué)院 測(cè)繪工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

沉積物是污染物的集散地，也是水體污染的指示劑［1－2］。開(kāi)展沉積物環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)于表征海洋環(huán)境質(zhì)量、鑒別海洋污染源和科學(xué)制定環(huán)保決策具有重要意義。目前有關(guān)沉積物環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法很多［3］，但基本上可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是以識(shí)別污染因子為目的的單因子評(píng)價(jià)法，如地累積指數(shù)法等；另一類(lèi)是以強(qiáng)調(diào)多指標(biāo)綜合效應(yīng)的多因子綜合評(píng)價(jià)法，如尼梅羅綜合指數(shù)法等。在單因子評(píng)價(jià)法中，各指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果在很多情況下是相互獨(dú)立且不相容的，因此它無(wú)法給出評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)信息，也不便于評(píng)價(jià)對(duì)象之間的相互比較。而在多因子綜合評(píng)價(jià)法中，指標(biāo)權(quán)重的確定至今還沒(méi)有一個(gè)能被廣為接受的方法，目前使用較多的專(zhuān)家打分法、AHP法等都在不同程度上帶有主觀性。近些年來(lái)，以毒性大小作為權(quán)系數(shù)的潛在生態(tài)危害指數(shù)法［4］受到很多環(huán)境工作者的青睞，被廣泛地應(yīng)用于近海沉積物重金屬污染的綜合評(píng)價(jià)中［5－7］，但該方法無(wú)法將那些毒性不明污染物質(zhì)（如有機(jī)碳）納入到評(píng)價(jià)體系中，因此其適用范圍尚有一定的局限性。

屬性識(shí)別模型是建立在屬性空間基礎(chǔ)上，以最小代價(jià)原則、最大測(cè)度準(zhǔn)則、置信度準(zhǔn)則和評(píng)分準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的新型綜合評(píng)價(jià)方法［8］。該方法不僅能對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行準(zhǔn)確合理的識(shí)別分類(lèi)，還可以對(duì)各評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行打分排序，有效地提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的分辨率，目前已成功地應(yīng)用于大氣環(huán)境和水土資源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)與決策分析中［9－11］，我們嘗試將其與客觀賦權(quán)法——熵權(quán)法相結(jié)合，用于評(píng)價(jià)連云港近海表層沉積物的環(huán)境質(zhì)量，以期能為近海沉積物環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供新的思路。

1 基于熵權(quán)的屬性識(shí)別模型

1.1 樣本單指屬性測(cè)度的計(jì)算

若研究對(duì)象空間X中有n個(gè)樣本x1，x2，…，xn，且各樣本的m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為I1，I2，…，Im，定義第i個(gè)樣本xi的第j個(gè)指標(biāo)Ij的測(cè)量值為xij，則第i個(gè)樣本xi可以表示為（xi1，xi2，…，xim），1≤i≤n。

設(shè)F為X中某類(lèi)屬性空間，（C1，C2，…，CK）為屬性空間F的有序分割類(lèi)，且滿(mǎn)足C1＞C2＞…＞CK。若各評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)已知，則分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)判斷矩陣可表示為：

式中，ajk為評(píng)價(jià)對(duì)象第j個(gè)指標(biāo)的第k個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值，且滿(mǎn)足aj1＜aj2＜…＜ajk或者aj1＞aj2＞…ajk，1≤j≤m，1≤k≤K。

利用屬性識(shí)別模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是計(jì)算每個(gè)樣本的單指標(biāo)屬性測(cè)度和綜合屬性測(cè)度。單指標(biāo)屬性測(cè)度就是要求xij具有屬性CK類(lèi)的程度μijk＝μ（xij∈CK）。為方便計(jì)算，不妨假定aj1＜aj2＜…＜ajk，則樣本的單指標(biāo)屬性測(cè)度可由下式計(jì)算：

在獲得樣本xi的所有m個(gè)指標(biāo)的屬性測(cè)度后，若要計(jì)算xi的綜合屬性測(cè)度，還需要確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。為避免評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定過(guò)程的主觀性，本研究采用信息熵法來(lái)求算各指標(biāo)的權(quán)重。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán)的計(jì)算

在信息論中，熵反映了信息的無(wú)序化程度，常用來(lái)度量信息量的大小。某項(xiàng)指標(biāo)攜帶的信息越多，其熵值就越小，從而對(duì)決策的作用也就越大，因此可用熵值來(lái)衡量該指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)效用的大?。?2］，即熵權(quán)。熵權(quán)可由評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值所構(gòu)成的判斷矩陣計(jì)算得到，具有客觀性［12－13］。其計(jì)算過(guò)程如下：

對(duì)n個(gè)樣本m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣R＝（xij）n×m（i＝1，…，n；j＝1，…，m）進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣B，其中B中的第i行第j列的元素bij由式（3）計(jì)算得到

式中，xmax和xmin分別為同一指標(biāo)下不同樣本中的最優(yōu)和最劣值（如越大越優(yōu)或越小越優(yōu)）。

根據(jù)熵的定義，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵由式（4）計(jì)算得到

式中，fij由式（5）來(lái)求得

由各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵，按照式（6）求取各指標(biāo)的熵權(quán)：

式中，wj為第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

1.3 樣本綜合屬性測(cè)度的計(jì)算、識(shí)別和比較

根據(jù)樣本單指標(biāo)屬性測(cè)度和各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)，由式（7）計(jì)算各樣本的綜合屬性測(cè)度［8］：

據(jù)此可進(jìn)一步按照置信度準(zhǔn)則和評(píng)分準(zhǔn)則對(duì)樣本進(jìn)行識(shí)別和比較分析。

按照置信度準(zhǔn)則，對(duì)于置信度λ（0.5≤λ≤1），如果

則認(rèn)為xi綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Cki類(lèi)［8］。

按照評(píng)分準(zhǔn)則，根據(jù)式（9）可計(jì)算樣本xi的綜合評(píng)價(jià)得分，據(jù)此可對(duì)所有樣本進(jìn)行質(zhì)量排序［8］。

式中，nl為屬性集Cl的分?jǐn)?shù)，nl＝K＋1－l，l為等級(jí)。

2 熵屬性識(shí)別模型在連云港近海沉積物環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

2.1 區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)域?yàn)檫B云港港口及其周邊海域，分布有連云港堿廠(chǎng)、港口及核電站等大型國(guó)有工程項(xiàng)目。2005－10對(duì)該海域開(kāi)展了生態(tài)環(huán)境調(diào)查研究，共采集了28個(gè)表層沉積物樣本，采樣站位見(jiàn)圖1。樣品的采集、預(yù)處理、制備和保存均按照GB17378.5－1998《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行［14］。所有沉積物樣品均分析了硫化物、石油類(lèi)、有機(jī)碳、As，Pb，Cd，Cu，Hg共8項(xiàng)污染指標(biāo)，其中硫化物、油類(lèi)和有機(jī)碳分別采用亞甲基藍(lán)分光光度法，紫外分光光度法和重鉻酸鉀氧化－還原容量法測(cè)定，重金屬Pb，Cd，Cu均采用陽(yáng)極溶出伏安法測(cè)定，As由原子熒光法分析，Hg采用冷原子吸收分光光度法分析。各指標(biāo)的分析結(jié)果見(jiàn)表1。本研究以這8項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，嘗試運(yùn)用熵權(quán)屬性識(shí)別模型對(duì)該海域表層沉積物的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

圖1 沉積物采樣站位分布圖Fig.1 The distribution map of sediment sampling stations

表1 連云港海域表層沉積物污染物的描述性統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of pollutants concentrations in Lianyungang coastal surface sediments

2.2 沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合中國(guó)東部沿海沉積物的環(huán)境背景值和海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB18668－2002）［15］，本研究將沉積物質(zhì)量分成4個(gè)等級(jí)，分別為C1＝｛清潔｝，C2＝｛較清潔｝，C3＝｛輕度污染｝，C4＝｛污染｝，各等級(jí)的參考標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表2，其中C1級(jí)“清潔”的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值取王菊英等［16］研究中的中國(guó)東海、黃海沉積物環(huán)境背景值，其它3個(gè)級(jí)別的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值分別為海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB18668－2002）中的一、二、三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值［15］。

表2 沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation criteria for marine sediment quality

2.3 沉積物樣本的綜合屬性測(cè)度

根據(jù)式（2），可分別計(jì)算出各沉積物樣本的單指標(biāo)屬性測(cè)度，表3為第J01號(hào)樣本8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的屬性測(cè)度值。限于篇幅，文中對(duì)其它27個(gè)樣本的單指標(biāo)屬性測(cè)度未列出。根據(jù)沉積物樣本各指標(biāo)的實(shí)測(cè)值，按式（3）～（6）計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)（表3），據(jù)此進(jìn)一步按式（7）計(jì)算各樣品的綜合屬性測(cè)度值，表4給出了各樣本綜合屬性測(cè)度的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

從表4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，均值屬于前2個(gè)等級(jí)C1（清潔）和C2（較清潔）的屬性測(cè)度占總屬性測(cè)度的99.4%，說(shuō)明單從屬性測(cè)度的分布狀況來(lái)看，絕大部分采樣點(diǎn)所代表海域的沉積物質(zhì)量都在“較清潔”以上水平。

表3 第J01號(hào)樣本單指標(biāo)屬性測(cè)度及評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)Table 3 The attribute measure values for the indexes of sample J01and their entropy weights

表4 沉積物各樣本綜合屬性測(cè)度值的描述性統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of integrated attribute measure values of the sediment samples

2.4 沉積物環(huán)境質(zhì)量的屬性識(shí)別

根據(jù)各樣點(diǎn)沉積物的綜合屬性測(cè)度，按照置信度準(zhǔn)則對(duì)各樣本進(jìn)行評(píng)價(jià)等級(jí)識(shí)別。依據(jù)式（8），取置信度λ＝0.75，可得各站位沉積物的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)，表5給出所有樣本綜合評(píng)價(jià)等級(jí)劃分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表5可以看出，所有樣本的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)均為C1、C2級(jí)，即為“清潔”和“較清潔”等級(jí)，表明研究區(qū)域沉積物的環(huán)境質(zhì)量整體較好。

表5 沉積物環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等級(jí)劃分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Statistics for grading evaluation results of surface sediments

由于同一級(jí)別不同樣本沉積物的質(zhì)量仍然存在一定差異，為提高評(píng)價(jià)結(jié)果的分辨率，便于相互比較，按照評(píng)分準(zhǔn)則，采用式（9）對(duì)各樣點(diǎn)進(jìn)行評(píng)分。圖2為各樣點(diǎn)得分結(jié)果的kriging插值分布圖。表6為堿廠(chǎng)、港口和核電站海區(qū)各樣點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)得分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表6 研究區(qū)不同海區(qū)沉積物綜合評(píng)價(jià)得分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 6 Statistics of evaluation scores of surface sediments in different sea areas

從圖2可以直觀的看出，港口及連島北部海區(qū)的沉積物綜合評(píng)價(jià)得分相對(duì)較低，表明其環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較差，表6的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也反映了這一特點(diǎn)。堿廠(chǎng)、港口、核電站海區(qū)按得分的平均值排序是：核電站海區(qū)＞堿廠(chǎng)海區(qū)＞港口海區(qū)，說(shuō)明核電站海區(qū)的沉積環(huán)境質(zhì)量最好，而港口海區(qū)的沉積物環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較差。這一結(jié)論與張存勇等［5］得出的結(jié)論存在著一定的差異。張存勇等［5］認(rèn)為沉積物質(zhì)量的優(yōu)劣排序是核電站海域＞港口海域＞堿廠(chǎng)海域，這是因?yàn)槠溲芯康脑u(píng)價(jià)體系中只包含重金屬指標(biāo)，而沒(méi)有包含硫化物、石油類(lèi)、有機(jī)碳等指標(biāo)。事實(shí)上，連云港港區(qū)為一個(gè)半封閉的海域，容易匯集來(lái)自地表徑流和船舶上的大量污染物（如生活垃圾及廢油），這些污染物長(zhǎng)期積聚并成為港口海域的重要致污因子，因此將硫化物、石油類(lèi)、有機(jī)碳等指標(biāo)納入評(píng)價(jià)體系是必要的，包含有機(jī)污染物在內(nèi)的評(píng)價(jià)結(jié)論也更為合理。

圖2 沉積物評(píng)價(jià)得分分布圖Fig.2 Evaluation distribution of surface sediments

3 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用熵值法與屬性識(shí)別模型相結(jié)合的方法來(lái)構(gòu)建沉積物環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)模型，在一定程度上也豐富和發(fā)展了近海沉積物評(píng)價(jià)方法。該模型含義明確，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，不僅能對(duì)沉積物環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確合理的識(shí)別分類(lèi)，還可對(duì)其進(jìn)行打分排序，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的分辨率，可為環(huán)境管理部門(mén)進(jìn)行定量分析提供依據(jù)。

應(yīng)用熵權(quán)屬性識(shí)別模型對(duì)連云港近海表層沉積物的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，該海域表層沉積物的環(huán)境質(zhì)量總體較好，未出現(xiàn)明顯污染現(xiàn)象，但不同海區(qū)的沉積物環(huán)境質(zhì)量存在一定差異，按從優(yōu)到劣的排序?yàn)椋汉穗娬竞Ｓ颍緣A廠(chǎng)海域＞港口海域。

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