改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度分析在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的運(yùn)用

孔海燕+趙穎+陳珂+孫燕+王建英

摘要：本文通過闡述灰色關(guān)聯(lián)度分析法及其在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中存在的弊端，介紹了學(xué)者們對(duì)傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度分析方法在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間、關(guān)聯(lián)系數(shù)、權(quán)重系數(shù)的改進(jìn)，最后探討了該法在水環(huán)境、大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

摘要：灰色關(guān)聯(lián)度分析；改進(jìn)方法；環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：X820 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2018）01-0109-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.01.063

Application of improved gray correlation analysis in environmental quality assessment

Kong Haiyan， Zhao Ying， Chen Ke， Sun Yan， Wang Jianying

（Henan Environmental Monitoring Center，Zhengzhou He&apos；nan 450004，China）

Abstract： This paper describes the gray correlation analysis method and its disadvantages in environmental quality assessment， introduces the scholars improvement on the traditional gray relational analysis method in quality standard interval， correlation coefficient and weight coefficient， and finally discusses the method Application in Water Environment and Atmospheric Environment Quality Evaluation.

Abstract： Gray Correlation Analysis； Improvement Method； Environmental Quality Assessment

影響環(huán)境的因素是多方面的，現(xiàn)在對(duì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)從以往的單因素評(píng)價(jià)向綜合評(píng)價(jià)發(fā)展。綜合評(píng)價(jià)法主要有：綜合污染指數(shù)法、模糊評(píng)價(jià)法、灰色評(píng)價(jià)法、物元分析法、層次分析法等。在對(duì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，我們獲取的信息不是完全的，既有已知信息（如采集樣品時(shí)記錄的信息），也有未知信息，灰色評(píng)價(jià)法非常適合這類情形。灰色評(píng)價(jià)法主要有灰色聚類法、灰色貼近度分析法、灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法。這三種方法利用信息效率高、分析結(jié)果準(zhǔn)確，在對(duì)水環(huán)境水質(zhì)界限模糊性處理好。在常用方法中，過于強(qiáng)調(diào)異常值的作用，灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法解決了這一問題，評(píng)價(jià)結(jié)果和實(shí)際情況符合度高。另外灰色關(guān)聯(lián)度分析是通過比較測(cè)量數(shù)據(jù)與環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的相似程度來對(duì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)環(huán)境治理具有指導(dǎo)意義。下文就灰色關(guān)聯(lián)度分析方法原理、存在的問題、做出的改進(jìn)以及在環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用予以介紹。

1 灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)法

灰色關(guān)聯(lián)度分析是研究兩參數(shù)序列的關(guān)聯(lián)度，若關(guān)聯(lián)度大，則兩參數(shù)序列表征的幾何曲線越相似，距離越??；若關(guān)聯(lián)度小，則兩參數(shù)序列表征的幾何曲線不相似，距離遠(yuǎn)。如在對(duì)水環(huán)境水質(zhì)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，將水體實(shí)測(cè)值作為參數(shù)序列A，水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為參數(shù)序列B，比較這兩對(duì)參數(shù)序列的關(guān)聯(lián)度，也即曲線相似度。如若它們的關(guān)聯(lián)度最大值對(duì)應(yīng)V級(jí)水質(zhì)，那么我們就說基于灰色關(guān)聯(lián)度分析水體被評(píng)價(jià)為V級(jí)水質(zhì)。

1.1 傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度分析

傳統(tǒng)的灰色評(píng)價(jià)法具體的操作步驟分為以下幾步：（1）選取評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；（2）建立評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)矩陣；（3）對(duì)矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理；（4）關(guān)聯(lián)度計(jì)算；（5）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.1 選取評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)價(jià)指標(biāo)根據(jù)研究區(qū)域地理環(huán)境、研究目的不同而區(qū)別選擇。[1]在對(duì)水磨河水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，因?yàn)樗ズ又饕糜谵r(nóng)業(yè)灌溉，就沒有選取那些常年監(jiān)測(cè)中都未超標(biāo)的指標(biāo)，其選擇的指標(biāo)有氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)、石油類等指標(biāo)因子。表1列舉了水環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的一些影響因子和影響大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)的因子。水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)一般選取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），大氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)一般選取《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）。

1.1.2 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)矩陣

以評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值作為序列序列A，記作{xi（k）}，其中K代表測(cè)定指標(biāo)，i代表測(cè)點(diǎn)。如將大氣環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為5類標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定其影響因子（表1），則K=1，2，3，4，5就分別代表清潔、輕污染、中污染、重污染、嚴(yán)重污染，i=1，2，3，4就分別代表TSP、SO2、NOX、F。然后將大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值作為序列，記作{xj（k）}，則：

1.1.3 對(duì)矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理

由于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)計(jì)量單位、數(shù)量級(jí)可能并不完全一致，這樣就會(huì)對(duì)各指標(biāo)之間的對(duì)比產(chǎn)生影響，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理。一般而言，數(shù)據(jù)的無量綱處理主要有以下集中方法：（1）極值化方法；（2）標(biāo)準(zhǔn)化方法；（3）均值化方法；（4）標(biāo)準(zhǔn)差化方法。傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度分析數(shù)據(jù)無量綱處理的方式是用實(shí)測(cè)值除以標(biāo)準(zhǔn)值的平均值，以此來反映實(shí)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)情況。

1.1.4 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

序列A與序列B的關(guān)聯(lián)度是它們各測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值。各測(cè)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)εi（k）定義為：

εi（k）=（Δmin+ρΔmax）/（︱x0（k）-xi（k）︱+ρΔmax） ①

①式中ρ分辨系數(shù)，x0（k）為待評(píng)價(jià)樣本第K項(xiàng)的無量化值，Δ為待評(píng)價(jià)序列與標(biāo)準(zhǔn)序列指標(biāo)值的絕對(duì)值。

1.1.5 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

顯然，如果{xi（k）}和{xj（k）}的關(guān)聯(lián)度最好（也即值最大），那么待評(píng)價(jià)樣本點(diǎn)i的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)即是j級(jí)別的。

1.2 改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度分析

1.2.1 數(shù)據(jù)無量綱處理改進(jìn)

改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度分析中將數(shù)據(jù)無量綱處理進(jìn)行了“中心化”，傳統(tǒng)方法考慮的僅僅是評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的臨界值，而改進(jìn)的方法考慮的是環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值的一個(gè)區(qū)間，更符合實(shí)際情況，更具代表性。具體方法是先計(jì)算評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中各評(píng)價(jià)因子的平均數(shù)值，然后計(jì)算某一評(píng)價(jià)因子與平均數(shù)值的差值，最后用所得差值除以評(píng)價(jià)因子樣本均方差。這樣處理之后，較之前方法更能體現(xiàn)研究因子之間的差特征。

1.2.2 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間改進(jìn)

傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)分析中絕對(duì)差值計(jì)算的是點(diǎn)到點(diǎn)的距離，但評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不是一個(gè)具體數(shù)值，它有一個(gè)范圍，如把空氣污染指數(shù)劃分為：0～50、51～100、101～200、201～300和大于300，其分別對(duì)應(yīng)的是 I級(jí)、II級(jí)、III級(jí)、IV級(jí)和V級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，這樣傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)分析中絕對(duì)差值計(jì)算就顯得不適宜。改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度分析計(jì)算的是點(diǎn)到距離的計(jì)算。其方法參考[2]的研究。

1.2.3 關(guān)聯(lián)系數(shù)的改進(jìn)

從①式中可以看出，關(guān)聯(lián)系數(shù)εi（k）與分辨系數(shù)ρ有關(guān)。傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度分析出常將分辨系數(shù)ρ定為0.5[3]。當(dāng)系統(tǒng)中某時(shí)刻受某個(gè)影響因子強(qiáng)烈時(shí)，會(huì)影響到分析結(jié)果，降低結(jié)果可信度，這時(shí)分辨系數(shù)ρ應(yīng)取較小值，以降低這種影響因子的影響。而當(dāng)系統(tǒng)中無異常因子時(shí)，分辨系數(shù)ρ應(yīng)取較大值。改進(jìn)的ρ取值規(guī)則參照朱利霞研究。

1.2.4 權(quán)重值的改進(jìn)

在傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度分析中，各評(píng)價(jià)指標(biāo)中的因子關(guān)聯(lián)系數(shù)沒有考慮給因子在指標(biāo)中所在權(quán)重，這樣得出的關(guān)聯(lián)度是有缺陷的，不能體現(xiàn)具體因子對(duì)環(huán)境指標(biāo)評(píng)價(jià)的影響。改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度分析設(shè)置了權(quán)重系數(shù)，能體現(xiàn)特定因子對(duì)環(huán)境的影響程度。權(quán)重系數(shù)是依據(jù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的上下限、實(shí)際指標(biāo)監(jiān)測(cè)值與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值關(guān)系而設(shè)置的[4]。

2 改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)在環(huán)境中的應(yīng)用

2.1 在水環(huán)境中的應(yīng)用

在對(duì)北京市主要湖泊水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)[5]，對(duì)傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度分析數(shù)據(jù)無量綱處理時(shí)進(jìn)行了“中心化”，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間也進(jìn)行了改進(jìn)，研究結(jié)果表明改進(jìn)的灰色評(píng)價(jià)關(guān)聯(lián)度方法與運(yùn)用SVM、模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，結(jié)合北京市主要湖泊特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)的灰色評(píng)價(jià)關(guān)聯(lián)度方法與實(shí)際結(jié)果更符合。[6]在評(píng)價(jià)丹江口流域地表水的環(huán)境質(zhì)量時(shí)，也是就數(shù)據(jù)無量綱處理和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間進(jìn)行了與徐紅敏[5]相同的處理，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)方法與傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)方法、單項(xiàng)因子評(píng)價(jià)法水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果大致相同，但有一些指標(biāo)（如氨氮、COD、石油類）超出實(shí)際結(jié)果，作者認(rèn)為這是因?yàn)槠渌梅椒]有對(duì)權(quán)重值進(jìn)行改進(jìn)，水體各影響因子權(quán)重都是一樣的，這樣就無法區(qū)分水體主要的污染因子。汪萬芬對(duì)六安市淠河水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果可靠，另外還能反映出各污染物對(duì)水質(zhì)的影響程度，對(duì)不同月份、年份環(huán)境質(zhì)量差異也能反映，與實(shí)際情況相符。朱利霞[4]對(duì)傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度分析方法的改進(jìn)包括數(shù)據(jù)無量綱處理、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間改進(jìn)、權(quán)重設(shè)置，應(yīng)用這種方法評(píng)價(jià)焦作市地下水發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)的方法評(píng)價(jià)焦作市第二水廠水質(zhì)為Ⅲ級(jí)，不同于傳統(tǒng)灰色評(píng)價(jià)把焦作市第二水廠水質(zhì)定位Ⅱ級(jí)，作者認(rèn)為改進(jìn)的評(píng)價(jià)方法更符合實(shí)際情況，這種方法對(duì)地下飲用水的評(píng)價(jià)客觀、準(zhǔn)確。

2.2 在大氣環(huán)境中的應(yīng)用

對(duì)哈爾濱空氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，將傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度的關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行了加權(quán)改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)方法相比，監(jiān)測(cè)結(jié)果有差異較大，作者認(rèn)為是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法均等的對(duì)待各污染因子，導(dǎo)致了對(duì)空氣質(zhì)量的“誤判”，應(yīng)用灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度法能對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行有效評(píng)價(jià)[7]。姚桂瑩對(duì)某市大氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)也是采取了改進(jìn)加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度的分析方法，結(jié)果表明與傳統(tǒng)方法相比評(píng)價(jià)結(jié)果有所差異，如果考慮到各污染物的權(quán)重，改進(jìn)加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)方法更符合實(shí)際。[8]運(yùn)用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度分析方法對(duì)北京石景山景區(qū)大氣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，該方法除了能準(zhǔn)確辨別大氣質(zhì)量等級(jí)，還能對(duì)大氣質(zhì)量變化趨勢(shì)予以判斷，該法可以廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境質(zhì)量研究。[9]將改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度分析方法應(yīng)用到室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢查中去，發(fā)現(xiàn)該方法不僅可以應(yīng)用到水環(huán)境、大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)中去，對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量也可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這為改善室內(nèi)空氣質(zhì)量提供了重要依據(jù)，拓寬了該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 結(jié)語

在對(duì)傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度分析方法進(jìn)行質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間、關(guān)聯(lián)系數(shù)、權(quán)重系數(shù)的改進(jìn)后，新的方法對(duì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確、可靠。對(duì)水環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，有些研究對(duì)傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度分析只進(jìn)行了數(shù)據(jù)無量綱處理和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間改進(jìn)，沒有進(jìn)行權(quán)重設(shè)置，會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)偏差，在以后的研究中要予以重視。改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度分析法可以應(yīng)用到大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中，另外該法對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)也符合實(shí)際情況，拓寬了該法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]吳梅，錢翌.灰關(guān)聯(lián)分析法在水磨河水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程，2006（01）：26-29.

[2]沈珍瑤，謝彤芳.一種改進(jìn)的灰關(guān)聯(lián)分析方法及其在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].水文，1997（03）：14-16.

[3]汪萬芬，錢東升，譚綠貴.改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)分析法在淠河水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2009，20（02）：57-59.

[4]朱利霞，賀玉曉，宋小紅.改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度分析法在飲用地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].黑龍江水專學(xué)報(bào)，2009，36（02）：79-81.

[5]徐紅敏，劉靜，毛紅健，陳亞，盧靜，王雪.改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度分析在地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，18（02）：55-58.

[6]申劍，史淑娟，周揚(yáng)，張亞麗，姚志鵬.基于改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)分析法的丹江口流域地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].中國環(huán)境監(jiān)測(cè)，2014，30（05）：41-46.

[7]劉芳，呂曉瑩，孟憲林.改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)度法在環(huán)境空氣質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（03）：11-14.

[8] 袁秀娟，毛顯強(qiáng).用改進(jìn)的灰色識(shí)別法評(píng)價(jià)大氣環(huán)境質(zhì)量——以北京市石景山區(qū)為例[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006（09）：71-73+119.

[9] 許鳳.改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析法在室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].制冷與空調(diào) （四川），2009，23（02）：25-28.

收稿日期：2017-11-20

作者簡(jiǎn)介：孔海燕（1969-），女，本科，工程師，研究方向?yàn)榈乇硭h(huán)境質(zhì)量綜合分析。