大氣環(huán)境評(píng)價(jià)模型的研究*

王玉雪，姜玉秋

(吉林師范大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130000)

大氣環(huán)境評(píng)價(jià)模型的研究*

王玉雪，姜玉秋

(吉林師范大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130000)

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)法和灰色聚類法分別對(duì)不同區(qū)域的大氣環(huán)境評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了分析.分別以不同區(qū)域的大氣環(huán)境的有關(guān)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及大氣的污染情況為例建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)大氣環(huán)境狀況進(jìn)行分析.并應(yīng)用上述兩種方法對(duì)其進(jìn)行深入的研究.通過對(duì)不同區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量實(shí)例的分析，說明了這兩種模型在實(shí)際生活中的應(yīng)用具有綜合、客觀等優(yōu)點(diǎn)，均是行之有效的方法.

大氣環(huán)境;統(tǒng)計(jì)分析;模糊數(shù)學(xué)法;灰色聚類法

1 大氣環(huán)境現(xiàn)狀及造成的危害

近年來隨著我國(guó)城市的機(jī)動(dòng)車數(shù)量逐年增加，致使機(jī)動(dòng)車尾氣的排放是城市空氣污染的主要原因.由于當(dāng)今社會(huì)面臨著非常嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，所以，有必要對(duì)大氣環(huán)境評(píng)價(jià)模型進(jìn)行探究.

大氣污染對(duì)人們健康的危害.一是當(dāng)人們吸入被污染的空氣后容易患上非常嚴(yán)重的疾病;二是當(dāng)人們的皮膚直接接觸被污染的空氣后也會(huì)有危害;三是人們攝入被大氣污染后的食物會(huì)造成食物中毒.大氣的污染會(huì)對(duì)生物的發(fā)育和生存造成危害.一是會(huì)減弱生物的抵抗能力;二是會(huì)導(dǎo)致生物中毒最終枯竭而死;三是影響生物的正常生長(zhǎng)速度，使其生長(zhǎng)速度變慢.大氣污染會(huì)對(duì)全球環(huán)境造成嚴(yán)重影響.其影響可分為酸雨腐蝕、全球氣溫升高、臭氧層被逐漸破壞等三個(gè)方面［1］.

2 大氣環(huán)境評(píng)價(jià)模型模糊數(shù)學(xué)法

所謂的模糊綜合評(píng)價(jià)，是指對(duì)于在多種因素影響下的現(xiàn)象或事物進(jìn)行總的評(píng)價(jià)，對(duì)涉及的模糊因素量化的評(píng)價(jià)過程［2］.

(1)建立因素集.對(duì)進(jìn)行評(píng)價(jià)的某一因素的影響因素(指標(biāo)因素)有m個(gè)，把它們記作u1，u2，…，um，則這個(gè)評(píng)價(jià)因素的有限集合U={u1，u2，…，um}便是由這m個(gè)指標(biāo)因素組合成的.

(2)建立評(píng)價(jià)等級(jí)集.評(píng)價(jià)等級(jí)集為評(píng)價(jià)過程中對(duì)因素可能做出的所有等級(jí)所組成的集合，設(shè)在評(píng)價(jià)等級(jí)集中有n個(gè)等級(jí)，分別記作v1，v2，…，vn，則評(píng)價(jià)等級(jí)集就是V=(v1，v2，…，vn)在應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際問題分別對(duì)其賦值.

(3)建立權(quán)重集.因?yàn)槊總€(gè)因素在評(píng)價(jià)過程中的重要程度不一樣，所以為了能夠?qū)⒚總€(gè)因素的重要性體現(xiàn)出來，并且能夠精確地對(duì)于某一現(xiàn)象或事物進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)各因素ui(i=1，2，…，m)賦予ai(i =1，2，…，m)等加權(quán)系數(shù)，各加權(quán)系數(shù)組成了權(quán)重集A=(a1，a2，…，am).其中a滿足ai=1且ai∈［0，1］(i=1，2，…，m).各因素ui(i=1，2，…，m)對(duì)“重要程度”的隸屬度就是各加權(quán)系數(shù)ai(i=1，2，…，m)，即權(quán)重集就是因素集合U這一論域上的一個(gè)模糊子集.

(4)建立隸屬矩陣R.因子集的監(jiān)測(cè)結(jié)果向量(x1，x2，…，xn)須首先確定每一因子對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，然后構(gòu)造隸屬矩陣R

則可以用第i個(gè)因素對(duì)第j評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度表示矩陣中的元素rij(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)，因此，第i個(gè)因素的評(píng)判模糊子集就可以用(ri1，ri2，…，rim)表示.

(5)建立模糊綜合評(píng)判的數(shù)學(xué)模型.將模糊評(píng)判矩陣與權(quán)重集相乘就可以得到模糊綜合評(píng)價(jià)模型，即B=A·R=(b1，b2，…，bn)，計(jì)算后的評(píng)價(jià)結(jié)果B為B=B'VT

3 實(shí)例分析

(1)某城區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量概況.對(duì)某個(gè)區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行評(píng)估時(shí)可以根據(jù)這個(gè)區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)定的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行，其大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)定的監(jiān)測(cè)情況如表1、表2所示.

表1 該評(píng)定項(xiàng)目現(xiàn)狀的檢測(cè)值

表2 空氣污染指數(shù)對(duì)應(yīng)的污染物濃度限值

(2)根據(jù)SO2監(jiān)測(cè)情況可作出隸屬函數(shù)Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

可以運(yùn)用同樣的方法計(jì)算出剩余的各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)，進(jìn)而得出矩陣R.

(3)權(quán)重系數(shù)的確定.單因子權(quán)重的系數(shù)可以根據(jù)下面的式子計(jì)算得出

根據(jù)公式計(jì)算可以得出此區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果是:Ⅰ級(jí)的隸屬度是0.49，Ⅴ級(jí)隸屬度是0.12，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級(jí)隸屬度均是0.13，根據(jù)隸屬度可以看出對(duì)于該區(qū)域的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為優(yōu)秀［3］.

4 大氣評(píng)價(jià)模型灰色聚類法

在評(píng)價(jià)大氣環(huán)境質(zhì)量中，有限的數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)次數(shù)所能提供的信息均是非確定和不完整的.因此，可以說大氣環(huán)境質(zhì)量系統(tǒng)是一個(gè)灰色系統(tǒng).基于這一認(rèn)識(shí)，應(yīng)用灰色聚類法對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的效果是十分有效的.在灰色系統(tǒng)中區(qū)分聚類元素在聚類指標(biāo)下的所屬類別就是所謂的灰色聚類.

(1)聚類樣本的構(gòu)成.假設(shè)每一個(gè)檢測(cè)年份的聚類樣本均為m;每一項(xiàng)污染參數(shù)的聚類指標(biāo)為n 個(gè);由m個(gè)樣本n個(gè)指標(biāo)的白化數(shù)組成的矩陣p的每個(gè)指標(biāo)有p個(gè)灰類(即環(huán)境質(zhì)量等級(jí))，該矩陣如下.

A是以Xij為元素的樣本矩陣;xij為m個(gè)樣本n個(gè)指標(biāo);i=1，2，….m;j=1，2，…，n.

(2)白化函數(shù)的確定.灰色聚類主要是利用白化函數(shù)來反應(yīng)聚類指標(biāo)對(duì)灰類的親屬關(guān)系.所以，白化函數(shù)的確定在灰色聚類模型的建立中起著至關(guān)重要的作用.

屬于第1級(jí)大氣的隸屬函數(shù)為

屬于第k級(jí)大氣的隸屬函數(shù)

其中，fik為參數(shù)i對(duì)k級(jí)大氣的隸屬度;Si，k為參數(shù)i的第k級(jí)大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值;xi為參數(shù)i的監(jiān)測(cè)濃度值［4］.

(3)確定聚類權(quán)系數(shù)Wik.將傳統(tǒng)的灰色聚類法的加權(quán)公式加以改進(jìn)得到更為合理的計(jì)算聚類權(quán)系

數(shù)的計(jì)算公式Wik

(4)確定聚類系數(shù).聚類系數(shù)Aik體現(xiàn)了聚類樣本與灰類的接近程度Aik

(5)確定綜合評(píng)價(jià)等級(jí).A*ik=max{Ai1，Ai2，…，Aip}，其中k*表示聚類樣本的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)［5］.

(6)研究實(shí)例.以某區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)為實(shí)例來說明模糊聚類法在實(shí)際生活中有著重要的應(yīng)用.各監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物的日平均濃度如表3所示.

(1)計(jì)算聚類權(quán)系數(shù).按計(jì)算公式求得W11= 0.429，W21=0.214.

(2)計(jì)算聚類系數(shù).通過公式計(jì)算得出A11= 0.412.

表3 大氣污染監(jiān)測(cè)值

表4 大氣污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

通過上述計(jì)算表明，監(jiān)測(cè)點(diǎn)I的污染等級(jí)為尚清潔，監(jiān)測(cè)點(diǎn)Ⅱ的污染等級(jí)為污染，監(jiān)測(cè)點(diǎn)Ⅲ的污染等級(jí)為重污染，監(jiān)測(cè)點(diǎn)Ⅳ的污染等級(jí)為清潔.

5 結(jié)論

模糊數(shù)學(xué)法和灰色聚類法對(duì)于大氣質(zhì)量的評(píng)定都具有可行性和可比性，而且具有綜合、客觀等優(yōu)點(diǎn).這樣在生活中對(duì)于大氣環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)可以根據(jù)相應(yīng)的情況來選擇具體的評(píng)價(jià)方法，以便更好地評(píng)價(jià)當(dāng)前的大氣環(huán)境.同時(shí)也要意識(shí)到生活環(huán)境已經(jīng)嚴(yán)重地影響了我們的生活質(zhì)量.所以，我們應(yīng)該對(duì)自己負(fù)責(zé)，大家共同努力，創(chuàng)造出一個(gè)美好的生活環(huán)境.

［1］陶志華.空氣污染指數(shù)計(jì)算的改進(jìn)［J］.環(huán)境監(jiān)測(cè)管理于技術(shù)，2006，18(1):49.

［2］季奎，戴曉蘭.模糊數(shù)學(xué)在大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2006(9):1672－1212.

［3］楊英.模糊數(shù)學(xué)法在大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用方法探討［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，28(6):646－649.

［4］鄧新民.灰色聚類法在大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，1989，12(4):396－404.

［5］卓倩，陳光偉.改進(jìn)灰色聚類法在大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2004(5):1674－6139.

(責(zé)任編輯:陳衍峰)

O175.13

:A

:1008－7974(2016)06－0046－03

10.13877/j.cnki.cn22－1284.2016.12.015

2016－03－20

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“土壤殺蟲劑高效低毒誘殺施用技術(shù)研究”(20130412003XH)

王玉雪，女，吉林榆樹人，吉林師范大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院在讀碩士.