模糊-主成分分析法在石化企業(yè)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

程欣

摘? 要：如果一個(gè)石油化工廠的生產(chǎn)過程缺乏防滲措施，就會(huì)導(dǎo)致排放物的泄漏，從而引發(fā)直接或間接的排放污染，進(jìn)而影響到周圍的環(huán)境，并最終導(dǎo)致地下水的嚴(yán)重破壞。因此，對(duì)地下水水質(zhì)的評(píng)價(jià)尤為重要，關(guān)乎到人身安全及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。該文以某石油化工企業(yè)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)為例，通過建立模糊-主成分分析法模型，首先通過主成分分析法對(duì)石化企業(yè)廠區(qū)周圍的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、17個(gè)污染因子進(jìn)行分析，選取出主要影響水質(zhì)評(píng)價(jià)的污染因子；其次再通過模糊綜合評(píng)價(jià)法建立模糊關(guān)系矩陣，計(jì)算出主要污染因子的指標(biāo)權(quán)重，最終確定不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水質(zhì)對(duì)各級(jí)水質(zhì)的隸屬程度。最終得出結(jié)論，石化企業(yè)廠區(qū)的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水質(zhì)等級(jí)均為Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，該石化廠區(qū)地下水污染嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：主成分分析；模糊綜合評(píng)價(jià)；石油化工；地下水；水質(zhì)等級(jí)

中圖分類號(hào)：TU991.21? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）06-0128-04

Abstract： If there is a lack of anti-seepage measures in the production process of a petrochemical plant， it will lead to the leakage of emissions， leading to direct and indirect emission pollution， affecting the surrounding environment， and ultimately leading to serious damage to groundwater. Therefore， the evaluation of groundwater quality is particularly important， as it relates to personal safety and the protection of the ecological environment. This paper takes the groundwater quality evaluation of a petrochemical enterprise as an example， and establishes a fuzzy principal component analysis model. Firstly， the principal component analysis method is used to analyze 5 monitoring points and 17 pollution factors around the petrochemical enterprise factory area， and select the main pollution factors that affect the water quality evaluation; Secondly， a fuzzy relationship matrix is established through the fuzzy comprehensive evaluation method to calculate the indicator weights of the main pollution factors， and ultimately determine the degree of membership of water quality at different monitoring points to water quality at all levels. The final conclusion is that the water quality levels of the five monitoring points in the petrochemical enterprise factory area all meet Class V standards， which indicates severe groundwater pollution in the petrochemical factory area.

Keywords： principal component analysis; fuzzy comprehensive evaluation; petrochemical industry; groundwater; water quality grade

由于各種原因，如設(shè)備、管道的泄漏和風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生，使得石油化工行業(yè)的地下水污染問題日益嚴(yán)峻。如果沒有及時(shí)處理，這些污染物會(huì)通過重力的影響，慢慢進(jìn)入地下，對(duì)周邊的自然環(huán)境造成嚴(yán)重的污染；而且，這些污染也會(huì)通過地下的傳播，使得它們的影響越來(lái)越嚴(yán)重。如果地下水被污染，其將給石油和其他行業(yè)造成極其惡劣的后果，可能導(dǎo)致環(huán)境破壞，并可能給人類的健康造成巨大的危害。所以，對(duì)石油化工企業(yè)地下水評(píng)價(jià)尤為重要。

當(dāng)前，評(píng)估水質(zhì)的技術(shù)可以大致分為單因子評(píng)價(jià)法、多因子評(píng)價(jià)法、模糊評(píng)價(jià)法、灰度評(píng)價(jià)法及主成分分析法[1]，它們各自的優(yōu)勢(shì)在于能夠更加全面準(zhǔn)確地反映出當(dāng)前的環(huán)境狀況。模糊綜合評(píng)價(jià)法利用模糊數(shù)學(xué)法來(lái)評(píng)價(jià)不同的環(huán)境狀況，其以m個(gè)監(jiān)測(cè)因素為基礎(chǔ)，將其與不同的環(huán)境狀況相關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)隸屬度矩陣，以此來(lái)衡量不同環(huán)境狀況下的污染程度，從而確定不同環(huán)境狀況下的水質(zhì)類型[2-3]。通過主成分分析法，可以有效地把多個(gè)復(fù)雜的環(huán)境變量轉(zhuǎn)換成幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的指標(biāo)，從而更準(zhǔn)確地衡量出水環(huán)境的變化情況。

通過模糊-主成分分析法，本研究對(duì)某石油化工企業(yè)廠址內(nèi)的地下水污染因子進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，從而確定了其水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)，這種評(píng)價(jià)方法具有多種優(yōu)勢(shì)，能夠有效地反映出地下水水質(zhì)的復(fù)雜性，為實(shí)際項(xiàng)目的評(píng)價(jià)提供了有效的參考依據(jù)。

1? 評(píng)價(jià)模型的建立

1.1? 主成分分析法

主成分分析法的基本思路，是利用各指數(shù)變量間存在著的某種程度的關(guān)聯(lián)，并采用線性組合的方法在這些指標(biāo)中獲取信息，在一個(gè)組合中無(wú)法獲得更多信號(hào)時(shí)，才考慮第二個(gè)線性組合，繼續(xù)這項(xiàng)研究，直至獲得的數(shù)據(jù)和原目標(biāo)相當(dāng)時(shí)為止。主成分分析法的優(yōu)點(diǎn)就是其可以只用很少的主要成分就能夠獲取更多的信息量，在減少了“維數(shù)”的同時(shí)也保存了關(guān)于原始數(shù)據(jù)的主要信息。

通過主成分分析法，可以把多種影響水質(zhì)的要素精確地歸納成幾個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)，從而更準(zhǔn)確地反映水體的整體狀態(tài)，而不需要進(jìn)行復(fù)雜的分析。

1.2? 模糊綜合評(píng)價(jià)法

通過使用模糊綜合評(píng)價(jià)法，可以采用計(jì)算模糊關(guān)系矩陣和權(quán)重矩陣，評(píng)價(jià)不同類型和等級(jí)的地下水[4]。這種評(píng)價(jià)方法能夠更好地了解水質(zhì)，并能夠更精細(xì)地評(píng)價(jià)每個(gè)類型和等級(jí)。然而，由于這種方式的評(píng)價(jià)因素具有很大的主觀性，如果參考的因素?cái)?shù)量超標(biāo)或者權(quán)重設(shè)置得過低，將導(dǎo)致大量的模糊矩陣數(shù)據(jù)被遺漏，從而使得最終的評(píng)價(jià)結(jié)論變得更加一致，難以區(qū)別。

1.3? 模糊-主成分分析綜合評(píng)價(jià)模型

基于對(duì)上述2種數(shù)學(xué)模型的分析，將主成分分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合起來(lái)，來(lái)建立起對(duì)石油化工企業(yè)水體水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)，以達(dá)到水質(zhì)評(píng)價(jià)的可靠性。建?；舅枷霝椋和ㄟ^選取某石化企業(yè)廠區(qū)內(nèi)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，對(duì)其中氨氮、重碳酸根、氯離子和硫酸根等17個(gè)污染因子進(jìn)行主成分分析，選出影響地下水水質(zhì)的主要因子；再通過提取的主成分作為模糊綜合評(píng)價(jià)模型的輸入，建立模糊-主成分分析法的地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)模型。

評(píng)價(jià)模型的技術(shù)路線如圖1所示。

2? 實(shí)驗(yàn)過程

2.1? 主成分分析

利用SPSS軟件對(duì)某石化企業(yè)廠區(qū)內(nèi)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的氨氮、重碳酸根、氯離子、硫酸根、氟離子、亞硝酸鹽、溶解性總固體、礦化度、鐵、錳、耗氧量和總硬度等17個(gè)污染因子進(jìn)行主成分分析，其數(shù)據(jù)見表1。

經(jīng)過分析，將5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的17個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)經(jīng)過了標(biāo)準(zhǔn)化，從而得出了它們之間的相關(guān)性。利用這些信息來(lái)估算它們的主成分貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率，具體結(jié)果可以參考表1。

根據(jù)表2可知，3個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了91.091%，表明它們可以很好地捕捉和處理原始指標(biāo)中的重要信息，所以確定主成分個(gè)數(shù)為3個(gè)。

通過計(jì)算初始因子載荷矩陣，可以清楚地反映出主成分與其相關(guān)變量之間的關(guān)聯(lián)性，具體結(jié)果可參考表3。

計(jì)算主成分載荷特征向量ui與主成分荷載lij之間的關(guān)系，其公式如下

用初始因子載荷值除以主成分特征值的平方根得到相應(yīng)的主成分載荷值，主成分荷載值見表4。

通過主成分載荷值的大小來(lái)看，與主成分1密切相關(guān)的是錳，與主成分2密切相關(guān)的鋅，與主成分3密切相關(guān)的是石油類。故選取這3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行下一步的分析。

2.2? 模糊綜合評(píng)價(jià)

以廠址內(nèi)為例，選取錳、鋅、石油類這3個(gè)主成分因子進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)法的計(jì)算。具體計(jì)算方法按照下列步驟進(jìn)行。

2.2.1? 構(gòu)建水體隸屬度函數(shù)

第Ⅰ類水體的隸屬度函數(shù)（j=1）為

第j類水體的隸屬度函數(shù)（j=2、3、4分別代表第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）為

第Ⅴ類水體的隸屬度函數(shù)為

式中：ci為第i種污染物實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度值，mg/L；si是第i種污染物j級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（j=1，2，…，5），mg/L。

2.2.2? 建立模糊關(guān)系矩陣

經(jīng)過計(jì)算，得出m項(xiàng)參數(shù)與5級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之間的相關(guān)性，從而構(gòu)建出R矩陣，用以表示單項(xiàng)污染程度的隸屬度。

矩陣的每一行代表著5個(gè)級(jí)別水質(zhì)的相關(guān)性，而每一列則描述了每一個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)在某一級(jí)別水質(zhì)中的隸屬程度。

2.2.3? 計(jì)算權(quán)重

式中：ci為第i種污染物的實(shí)測(cè)值；Si是GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中第Ⅲ類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值或GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中第Ⅲ類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值。

但在實(shí)際計(jì)算中計(jì)算出來(lái)的權(quán)重值可能大于1，所以要對(duì)各單項(xiàng)權(quán)重轉(zhuǎn)化無(wú)量綱表達(dá)，即歸一化處理。使其取值范圍在[0，1]區(qū)間。

然后將歸一化結(jié)果列成1×m階行矩陣，輸入A=（V1，V2，V3，…，Vm）。

2.2.4? 綜合評(píng)價(jià)

模糊關(guān)系矩陣R與權(quán)重矩陣A相乘得到最終矩陣B，B= A·R。

2.2.5? 計(jì)算結(jié)果

建立模糊關(guān)系矩陣。通過分析各個(gè)評(píng)估因素的相關(guān)性函數(shù)和實(shí)際測(cè)量值，計(jì)算出它們與不同等級(jí)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)性，并將它們組合成模糊矩陣R。

建立評(píng)價(jià)因子權(quán)重矩陣：A=（0.982，0.009，0.009）。

模糊綜合評(píng)價(jià)：B=A·R。

根據(jù)隸屬度最大原則，廠址內(nèi)的水質(zhì)有98.2%的概率屬于Ⅴ類水。所以最終確定廠址內(nèi)的水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ。同時(shí)推斷出其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)等級(jí)和評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

3? 結(jié)論

1）通過模糊-主成分分析法對(duì)某石化廠區(qū)的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位地下水進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果為5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水質(zhì)等級(jí)均為Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，這表明該石化廠區(qū)地下水污染嚴(yán)重，可能存在設(shè)備、管線等風(fēng)險(xiǎn)事故泄漏的污染物，在不及時(shí)采取措施的情況下滲透到地表層或深層，從而造成地下水的嚴(yán)重污染。所以在石化企業(yè)的生產(chǎn)過程中，要及時(shí)對(duì)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)事故進(jìn)行排查和預(yù)防，同時(shí)也要加大監(jiān)管力度，培養(yǎng)員工的安全意識(shí)與安全行為，使企業(yè)在安全的條件下高效生產(chǎn)。

2）通過主成分分析，可以將原指標(biāo)變量轉(zhuǎn)換為彼此獨(dú)立的主成分，從而有效抑制地下水評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)性[5]，進(jìn)而提高評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)模糊數(shù)學(xué)法強(qiáng)調(diào)隸屬度分級(jí)，給予各評(píng)價(jià)指標(biāo)不同的權(quán)重值，能較準(zhǔn)確地反映地下水污染狀況。模糊-主成分分析法使地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)可靠性更強(qiáng)。

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