模糊聚類法用于蘭州市西固區(qū)環(huán)境監(jiān)測的布點(diǎn)

【摘要】本文利用模糊聚類方法結(jié)合一組采暖期蘭州西固區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果，對西固區(qū)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。計算結(jié)果呈現(xiàn)出采暖期西固區(qū)空氣質(zhì)量的污染特征，超標(biāo)污染物主要是PM10，CnHm，以煤煙型污染為主，建議環(huán)境部門在這些污染區(qū)域設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】蘭州西固區(qū)；監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化；模糊聚類；煤煙型污染

1.引言

在環(huán)境監(jiān)測中，用盡可能少的觀測點(diǎn)的污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)，反映出盡可能完整、準(zhǔn)確地某區(qū)域的整體環(huán)境質(zhì)量，不僅滿足了環(huán)境監(jiān)測代表性的需求，而且能節(jié)省觀測所帶來的成本，這對于常規(guī)環(huán)境監(jiān)測有重要的意義[1]。楊曉華等[2]應(yīng)用物元關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行大氣環(huán)境的監(jiān)測優(yōu)化選點(diǎn)，該方法計算簡便，但是其中涉及的關(guān)聯(lián)函數(shù)的確定有一定的經(jīng)驗(yàn)性；彭荔紅和李祚泳[3]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對貴陽市1992-1993年期間的16個大氣環(huán)境測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)選，得到符合實(shí)際的結(jié)果，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的理論較為復(fù)雜。環(huán)境要素中的污染物受到多種因素的共同影響，例如氣象條件、污染源擴(kuò)散條件等等，其系統(tǒng)一般不是簡單的黑色系統(tǒng)或白色系統(tǒng)，而是灰色系統(tǒng)，在客觀上存在一定的模糊性，若通過數(shù)學(xué)中模糊聚類方法，對污染物不同對點(diǎn)位進(jìn)行聚類分析，從而劃分出不同區(qū)域。萬小卓和孫蕾[4]利用模糊聚類方法對鋁廠周圍環(huán)境的氟化物結(jié)合植物含氟量進(jìn)行了污染分區(qū)，結(jié)果顯示該方法可以客觀的反映鋁廠周圍環(huán)境的污染狀況。蘭州市西固區(qū)是我國西北石油化工基地[5]，早在上世紀(jì)70年代，蘭州西固工業(yè)區(qū)就爆發(fā)了光化學(xué)煙霧[6]，經(jīng)過一系列的研究治理工作，西固區(qū)的空氣質(zhì)量有明顯改善[6-8]，但是，該地仍然是蘭州市的重點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測區(qū)域。本文采用文獻(xiàn)[5]提供的甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站在西固區(qū)測得環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，結(jié)合模糊聚類分析法，對西固地區(qū)的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，時間段從2005年1月26日至2月2日。

2.模糊聚類分析基本數(shù)學(xué)原理

聚類分析是對一組不清楚類別的觀測對象根據(jù)彼此相似程度進(jìn)行分類，從數(shù)學(xué)的幾何角度分析，聚類分析是通過某種準(zhǔn)則將空間上某些相對接近的點(diǎn)聚為一類，而點(diǎn)與點(diǎn)之間的接近程度常常通過相似系數(shù)和距離兩種參量來表示[9]。而對于大多數(shù)污染物而言，由于其受到污染源排放、氣象擴(kuò)散條件等復(fù)雜、不確定因素的影響，污染物濃度是一個灰色系統(tǒng)，模糊數(shù)學(xué)的方法則能很好的建立相似矩陣進(jìn)行分類。

2.1模糊矩陣及其建立[8]

矩陣可稱為一個模糊矩陣，若對任意i=1，2，……n，j=1，2，……m都有rij∈[0，1]。通過模糊數(shù)學(xué)方法對事物進(jìn)行分類是建立模糊矩陣最關(guān)鍵的步驟。

2.2距離

在實(shí)際的操作中常采用“距離”的概念來度量不同樣本之間的相似度，距離常用符號d來表示，下面列出幾種常用的距離計算方法：歐幾里得距離，海明距離，明科夫斯基距離（其中，與之對應(yīng)p=1，2可得到不同距離度量）

2.3聚類分析基本過程

首先將n個樣本各自間歸為一類，即n類；之后尋取最相似的為新一類，則此時的總類數(shù)已變?yōu)閚-1類；之后計算新的一類與其他n-2類之間的相似程度，選取最相似者在合并為一新類，則總類數(shù)改變?yōu)閚-2類；依此類推，一直到全部變量歸為一類為止。整個聚類過程可通過聚類圖譜呈現(xiàn)出來，同時在較合理選擇聚類距離與相似系數(shù)之后，最終得到聚類類別。

3.應(yīng)用實(shí)例

本節(jié)選用文獻(xiàn)[5]提供的單因子指數(shù)法對2005年蘭州西固區(qū)內(nèi)采暖期空氣質(zhì)量評價后的結(jié)果，詳見表1。

以下采用MATLAB中的內(nèi)置函數(shù)進(jìn)行模糊聚類分析。

（1）尋求數(shù)據(jù)中變量之間的相似程度，利用pdist函數(shù)計算各個變量之間的歐氏距離y=pdist（X，Euclid），其中X表示污染物指標(biāo)矩陣；

（2）用linkage函數(shù)來定義各個變量之間的連接：此函數(shù)通過pdist函數(shù)產(chǎn)生距離的信息，其中相近的成對變量將形成分類，再將新產(chǎn)生的類與其余變量連接產(chǎn)生更大的類，直至原始數(shù)據(jù)全部變量均被連接至系統(tǒng)聚類樹，z=linkage（y）；

（3）用cophenetic函數(shù)評價聚類信息即原始相似數(shù)據(jù)的相似程度，希望得到衡量聚類信息的有效性，c=cophenet（z，y）；

（4）利用pdist函數(shù)提供的五種計算距離的方法，得到的相關(guān)系數(shù)值見表2?？梢钥闯?，對于本例而言，以布洛克距離表征相似度最好。

（5）采用dendrogram（z）命令生成聚類樹，見圖1。本文指定類數(shù)以3類進(jìn)行聚類，結(jié)果見表3。

圖1 蘭州市西固區(qū)污染物聚類分析樹

表3 污染物聚類分類結(jié)果

聚類類別 監(jiān)測點(diǎn)

I 水上花園，蘭煉石油學(xué)校，蘭化賓館，蘭化職工醫(yī)院，蘭州第一水廠，蘭州第二水廠，桃園中學(xué)，蘭州齒輪廠

II 蘭州鋁廠，蘭煉賓館，東區(qū)污水廠

III 中川公路段

結(jié)合表1各污染物的評價結(jié)果，聚類分析的結(jié)果說明，組III的中川公路監(jiān)測點(diǎn)主要受PM10的污染，而蘭州鋁廠，蘭煉賓館，東區(qū)污水廠主要受CnHm的污染影響。實(shí)際上，文獻(xiàn)[5]已指出西固區(qū)在采暖期空氣質(zhì)量主要受到PM10，CnHm污染的影響，其濃度超過了國家規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，是污染空氣的主要污染物，這表明模糊聚類方法能較好的區(qū)分不同污染類型的區(qū)域。

4.結(jié)論

（1）利用MATLAB軟件中函數(shù)的模糊聚類分析功能，結(jié)合污染物類型分析，對蘭州市西固區(qū)污染物監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，中川公路段主要為PM10污染，蘭州鋁廠，蘭煉賓館，東區(qū)污水廠是典型的石油化工污染[5]，主要受CnHm污染物的影響。以上兩類污染區(qū)域都需重點(diǎn)監(jiān)控，而其他監(jiān)測點(diǎn)為輕污染區(qū)，監(jiān)測點(diǎn)可相應(yīng)減少。

（2）模糊聚類方法在環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)的優(yōu)化使用方面，可以減少單因子評價的信息損失，使評價結(jié)果更加客觀、真實(shí)，而且其理論和計算步驟較為簡單，易于推廣。

參考文獻(xiàn)

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[3]彭荔紅，李祚泳.應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的優(yōu)化布點(diǎn)[J].環(huán)境保護(hù)，2000（4）：17-19

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作者簡介

李卷耳（1998.8—），男，中國人民大學(xué)附屬中學(xué)，研究方向：環(huán)境與經(jīng)濟(jì)相關(guān)關(guān)系.