王國(guó)勝，冉治霖，黃奕崇，朱艷茹，涂桂娥

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳 518172）

改進(jìn)灰色聚類(lèi)法在粵港珠江三角洲區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

王國(guó)勝，冉治霖，黃奕崇，朱艷茹，涂桂娥

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳 518172）

對(duì)灰色聚類(lèi)法進(jìn)行改進(jìn)，引入正態(tài)分布白化權(quán)函數(shù)。白化權(quán)函數(shù)改 進(jìn)為曲邊梯形結(jié)構(gòu)可有效解決邊緣零權(quán)重問(wèn)題。應(yīng)用改進(jìn)后的灰色聚類(lèi)模型對(duì)粵港珠江三角洲區(qū)域2006-2013 年大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，聚類(lèi)結(jié)果表明研究區(qū)域大氣質(zhì)量總體上逐漸提高，均為Ⅱ類(lèi)。改進(jìn)后的灰色聚類(lèi)法評(píng)價(jià)結(jié)果客觀、準(zhǔn)確。

灰色聚類(lèi)；白化權(quán)函數(shù)；粵港珠江三角洲區(qū)域；大氣環(huán)境質(zhì)量

對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)客觀的評(píng)價(jià)，分析大氣環(huán)境質(zhì)量狀況并預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)，制定符合區(qū)域?qū)嶋H情況的大氣污染防控措施意義重大。有限的時(shí)空范圍內(nèi)獲取的大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所反應(yīng)的信息量具有不完全性和非確知性的特征，使常規(guī)的大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)面臨困境。而灰色聚類(lèi)法可對(duì)此類(lèi)不明確信息進(jìn)行定量處理，已成為大氣環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的研究熱點(diǎn)[1-6]。

灰色聚類(lèi)法（Grey Clustering Method）是鄧聚龍[7]教授在模糊綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的聚類(lèi)方法，目前在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用[8-11]，并凸顯了其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)?；疑垲?lèi)法通過(guò)構(gòu)造各監(jiān)測(cè)指標(biāo)各灰類(lèi)的白化權(quán)函數(shù)，計(jì)算聚類(lèi)對(duì)象的環(huán)境類(lèi)別，體現(xiàn)了環(huán)境質(zhì)量系統(tǒng)的不完全性，評(píng)價(jià)結(jié)果客觀準(zhǔn)確。然而，隨著灰色聚類(lèi)法研究工作的不斷深入，發(fā)現(xiàn)其具有某些不足之處。主要表現(xiàn)為：采用降半梯形構(gòu)造的白化函數(shù)忽略了不相鄰等級(jí)之間的影響，采用單純閾值法的權(quán)重沒(méi)有充分考慮各污染因子在相同質(zhì)量級(jí)別之間的變化幅度，往往導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)偏差[12]。針對(duì)以上不足，本文對(duì)灰色聚類(lèi)法的白化函數(shù)與權(quán)重確定方法加以改進(jìn)，將指數(shù)型的白化函數(shù)、修正聚類(lèi)法引入灰色聚類(lèi)中，并應(yīng)用改進(jìn)后的灰色聚類(lèi)模型對(duì)粵港珠江三角洲區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)時(shí)間段為2006-2013年。

1 改進(jìn)灰色聚類(lèi)模型的構(gòu)建

1.1 白化值矩陣的確定

監(jiān)測(cè)年份以 i（i=1，2，3，···，m）表示，稱(chēng)為聚類(lèi)對(duì)象；大氣環(huán)境各監(jiān)測(cè)指標(biāo)以 j（j=1，2，3，···，n）表示，稱(chēng)為聚類(lèi)指標(biāo)；環(huán)境質(zhì)量類(lèi)別以 k（k=1，2，3，···，p）表示，稱(chēng)為灰類(lèi)；xij表示第 i 個(gè)樣本中第 j 個(gè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值，稱(chēng)為聚類(lèi)白化值。則聚 類(lèi)樣本的白化值矩陣為A=（xij）m×n。

1.2 白化權(quán)函數(shù)的構(gòu)造

圖1（a）為傳統(tǒng)的直線(xiàn)梯形白化權(quán)函數(shù)，此函數(shù)僅僅考慮相鄰級(jí)別監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，將上下級(jí)別之外的監(jiān)測(cè)值權(quán)重都視為零，從而丟失較多有用的數(shù)據(jù)信息，使評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)誤差。而正態(tài)分布的白化權(quán)函數(shù)為曲邊梯形結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1（b）及圖2，可有效解決邊緣權(quán)重歸零的問(wèn)題[13-14]。改進(jìn)后的白化權(quán)函數(shù)表達(dá)式分別為式（1）、（2）、（3）。

圖1 白化權(quán)函數(shù)基本圖形對(duì)比Fig.1 Two kinds of whiteness function graphics

第 j 個(gè)指標(biāo)第 1 個(gè)灰類(lèi)的白化權(quán)函數(shù)為：

第 j 個(gè)指標(biāo)第 k（2≤k≤p-1）個(gè)灰類(lèi)的白化權(quán)函數(shù)為：

③ 第 j 個(gè)指標(biāo)第 p 個(gè)灰類(lèi)的白化權(quán)函數(shù)為：

式中，p為指數(shù)因數(shù)；yjk為第 j 個(gè)大氣污染因子監(jiān)測(cè)指標(biāo)第 k 個(gè)灰類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)值上限，1≤k≤p-1；yjp為第 j 個(gè)大氣污染因子監(jiān)測(cè)指標(biāo)第 p 個(gè)灰類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)值下限；λj為第j個(gè)大氣污染因子監(jiān)測(cè)指標(biāo)的參考標(biāo)準(zhǔn)，并將其取值為第j個(gè)大氣污染因子監(jiān)測(cè)指標(biāo)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的平均值，即：

正態(tài)分布白化權(quán)函數(shù)圖形見(jiàn)下圖。

圖2 正態(tài)分布白化權(quán)函數(shù)圖形Fig.2 Graphics of normal distribution whiteness function

1.3 聚類(lèi)權(quán)的確定

聚類(lèi)權(quán)是衡量各個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)同一灰類(lèi)的權(quán)重，就各大氣污染因子監(jiān)測(cè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)體系而言，在同一等級(jí)中各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的權(quán)重是不一樣的。本文采用超標(biāo)加權(quán)法確定每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各大氣污染因子監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)值的權(quán)重。

由于環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中各聚類(lèi)指標(biāo)量綱有可能不同，為了使聚類(lèi)結(jié)果具有可比性，故在計(jì)算聚類(lèi)權(quán)時(shí)，需對(duì)大氣環(huán)境各污染因子的實(shí)測(cè)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，見(jiàn)公式（5）：

大氣環(huán)境各污染因子監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)值的權(quán)重為：

1.4 聚類(lèi)系數(shù)的計(jì)算

1.5 綜合評(píng)價(jià)等級(jí)的確定

2 實(shí)證研究

以粵港珠江三角洲區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)作為實(shí)證研究，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于粵港珠江三角洲區(qū)域空氣監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（時(shí)段2006-2013年），見(jiàn)表1。

表1 粵港珠江三角洲區(qū)域大氣污染物濃度的年均值（2006-2013年） 單位：mg/m3Tab.1 The annual average concentrations of air pollutants in Hong Kong and Pearl River Delta from 2006 to 2013 Unit:mg/m3

評(píng)價(jià)主要對(duì)象為2012 年以前的數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)仍依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-1996）三等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)后添加一個(gè)嚴(yán)重污染級(jí)別（Ⅳ級(jí)），空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)灰類(lèi)劃分結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)灰類(lèi)劃分 單位：mg/m3Tab.2 Grey classifications of each evaluation index Unit:mg/m3

2.1 白化權(quán)函數(shù)值計(jì)算

將污染物濃度的年均值（2006-2013年）代入（1）-（4）式，求得各年評(píng)價(jià)指標(biāo)的白化函數(shù)值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 2006-2013年評(píng)價(jià)指標(biāo)的白化函數(shù)值Tab.3 Evaluation value of whiteness function from 2006 to 2013

年份（i）評(píng)價(jià)指標(biāo)（j）Ⅰ級(jí)fj1Ⅱ級(jí)fj2Ⅲ級(jí)fj3Ⅳ級(jí)fj4SO20.9798 1.0000 0.3679 0.0101 NO20.9927 1.0000 0.3271 0.3271 PM100.8266 1.0000 0.6515 0.0867 2010 SO20.9870 1.0000 0.3472 0.0090 NO21.0000 1.0000 0.2709 0.2709 PM100.8266 1.0000 0.6515 0.0867 2011 SO21.0000 0.9967 0.2369 0.0041 NO21.0000 0.9967 0.2369 0.2369 PM100.9189 1.0000 0.5273 0.0539 2012 SO21.0000 0.9967 0.2369 0.0041 NO21.0000 1.0000 0.2709 0.2709 PM100.8396 1.0000 0.6360 0.0819 2013

2.2 聚類(lèi)權(quán)的計(jì)算

根據(jù)式（6）計(jì)算各指標(biāo)的灰類(lèi)閾值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各指標(biāo)灰類(lèi)閾值一覽表 單位：mg/m3Tab.4 Threshold of Gray classifications for each index Unit:mg/m3

根據(jù)式（7）計(jì)算各指標(biāo)的聚類(lèi)權(quán)值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)聚類(lèi)權(quán)值一覽表Tab.5 The statistical data of clustering weights

2.3 聚類(lèi)系數(shù)輸出結(jié)果與大氣環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等級(jí)

根據(jù)式（8）計(jì)算2006-2013年監(jiān)測(cè)年份的聚類(lèi)系數(shù)，同時(shí)對(duì)各年份的大氣環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行排序，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 各年份的聚類(lèi)系數(shù)及評(píng)價(jià)等級(jí)Tab.6 Clustering coefficient and rank for each year

3 結(jié)論

（1）引入正態(tài)分布白化權(quán)函數(shù)的灰色聚類(lèi)法，其曲邊梯形結(jié)構(gòu)可有效解決邊緣權(quán)重歸零的問(wèn)題，使最后的評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀準(zhǔn)確，參考價(jià)值較強(qiáng)。改進(jìn)的灰色聚類(lèi)評(píng)價(jià)方法易于公眾掌握，評(píng)價(jià)結(jié)果可以作為區(qū)域大氣污染防控的依據(jù)，是大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的有效途徑。

（2）根據(jù)聚類(lèi)結(jié)果分 析，粵港珠江三角洲區(qū)域2006-2013年期間空氣 質(zhì)量等級(jí)均為Ⅱ類(lèi)，空氣中主要污染為PM10和NO2。大氣環(huán)境質(zhì)量總體上呈逐漸提高的趨勢(shì)，說(shuō)明近年來(lái)粵港珠江三角洲區(qū)域在大氣污染聯(lián)防聯(lián)控中所做的努力卓有成效，未來(lái)應(yīng)持續(xù)推行節(jié)能減排措施，加強(qiáng)區(qū)域合作，以進(jìn)一步改善區(qū)域內(nèi)的環(huán)境空氣質(zhì)量。

（

）

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Application of modified grey clustering Model on air quality assessment of Hong Kong and Pearl River Delta

WANG Guosheng,RAN Zhilin,HUANG Yichong,ZHU Yanru,TU Gui'e
（School of Transportation and Environment,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,P.R.China）

To improve grey clustering method,normal distribution of whiteness function was introduced.The whiteness function can solve the zero weight problems well because it build relationship between sample value and gray classifications using albino function of index type.Based on improved grey clustering method,the atmospheric environment in Hong Kong and Pearl River Delta from 2006 to 2013 was evaluated.The result shows that the air quality improved gradually overall and met the secondary standard,and improved-grey-clustering method made the evaluation results more objective and fair.

grey clustering method;whiteness function;Hong Kong and Pearl River Delta;atmospheric environmental quality

X823

A

1672-6332（2015）01-0063-05

【責(zé)任編輯：楊立衡】

2015-03-20

廣東省自然科學(xué)基金（S2012040007855）；深信院校企合作教育教學(xué)研究專(zhuān)項(xiàng)（JY2014A04）； 2014年度校級(jí)科研培育項(xiàng)目（lg201407）；粵化工教指委[2013]04號(hào)：32 項(xiàng)目資助

王國(guó)勝（1978-），男（漢），湖南衡陽(yáng)人，講師，碩士，主要研究方向：環(huán)境檢測(cè)與控制。E-mail:45723940@qq.com