焦明連

(淮海工學院 測繪工程學院,江蘇 連云港 222005)

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基于灰色聚類分析的礦山環(huán)境質量評價

焦明連

(淮海工學院 測繪工程學院,江蘇 連云港 222005)

[摘要]在灰色聚類分析中，把山西省礦區(qū)環(huán)境質量作為灰色系統(tǒng)進行研究，利用灰色聚類分析方法對山西省礦區(qū)環(huán)境質量進行評價。為定量評估研究區(qū)礦區(qū)環(huán)境質量，以國家環(huán)境質量標準為依據，以礦山環(huán)境11個主要污染物為評價指標，對2012年12個監(jiān)測點的環(huán)境質量監(jiān)測數(shù)據建立了灰色聚類評價模型。在對數(shù)據樣本進行預處理之前，需采用平均標準化方法對原始樣本數(shù)據進行無量綱化。通過建立灰類的三角形白化權函數(shù)計算實測值的灰類隸屬度，采用臨界值倒數(shù)法得到不同污染因子的危害度，最后對樣本數(shù)據進行灰色綜合聚類評價，并基于ARCGIS平臺直觀地顯示礦山環(huán)境質量總體情況。數(shù)值結果表明了該方法的合理性和有效性。該研究成果為礦山環(huán)境評價提供一條新途徑，同時可以在非煤礦山環(huán)境評價中進行推廣應用。

[關鍵詞]灰色聚類法；白化權函數(shù)；礦區(qū)環(huán)境；評價模型

Evaluation of Mine Environment Quality Based on Gray Cluster Analysis

煤炭是我國的重要戰(zhàn)略資源，但在煤炭資源開采中， 由于忽視了生態(tài)環(huán)境保護,水質污染、水土流失、土壤沙化、土地塌陷、空氣污染等一系列問題非常突出，嚴重制約著人類經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，正確地分析和評價煤炭開采對生態(tài)環(huán)境的影響對促進人類社會的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要參考價值。模糊數(shù)學法[1]、層次分析法[2]和綜合評價法[3]是目前比較流行的礦山環(huán)境評價方法。評價結果受主觀因素影響較大[4]。礦山環(huán)境作為一個開放系統(tǒng)，其作用機制紛繁復雜。因此，礦山環(huán)境數(shù)據也主要在有限的時空范圍內獲取，從而導致數(shù)據能提供的信息不完全或不確切。為了實現(xiàn)高精度的礦山環(huán)境質量評價，本文將礦山環(huán)境系統(tǒng)看作是一個灰色系統(tǒng)開展相關研究?；疑垲悓⒒疑碚撆c聚類思想有機結合，依據不同灰類的白化權函數(shù)，將聚類對象歸入事先定好的各個灰類中。

山西省是煤炭大省，煤炭開采對土地資源、水資源、大氣環(huán)境造成嚴重的破壞和影響，制約著山西省經濟社會的發(fā)展和人民生活的穩(wěn)定。本文以國家環(huán)境質量標準為依據，以礦山環(huán)境11個主要污染物為評價指標，對2012年12個監(jiān)測點的環(huán)境質量監(jiān)測數(shù)據建立了灰色聚類評價模型。通過建立灰類的三角形白化權函數(shù)計算實測值的灰類隸屬度，采用臨界值倒數(shù)法得到不同污染因子的危害度，最后對樣本數(shù)據進行灰色綜合聚類評價，并基于ARCGIS平臺得出山西省大中型礦區(qū)環(huán)境影響等級。為礦山環(huán)境保護和治理提供參考。

1灰色聚類法的評價原理

礦山環(huán)境是一個包含眾多影響因素的系統(tǒng)，它所隱含的參數(shù)多少以及時空分布是人們無法確知的，因此礦山環(huán)境系統(tǒng)是一個灰色系統(tǒng)?；疑垲惙ǖ脑u價原理和步驟如下[5]。

1.1建立聚類樣本

灰色聚類是以生成灰數(shù)的白化函數(shù)為基礎，首先需弄清聚類對象，聚類指標和聚類灰類的概念和區(qū)別，之后將聚類對象按照不同聚類指標所擁有的白化數(shù)，按照設定的灰類進行歸納，從而判斷出聚類對象屬于哪一類。

設有n個聚類對象，每個聚類對象各有m個聚類指標，每個聚類指標有s個不同的灰類(即環(huán)境質量等級)，根據第i個聚類對象關于第j個聚類指標的樣本值將第i個聚類對象歸入第k個灰類之中。聚類樣本的白化值構成矩陣為：

1.2確定各灰類的白化權函數(shù)

記xkj(1)，xkj(2)，xkj(3)，xkj(4)為白化權函數(shù)的閾值，fkj(x)為第j個指標屬于第k個灰類的白化權函數(shù)，其類型分為以下4種:

fkj(x)=0 x?[xkj(1),xkj(4)]x-xkj(1)xkj(2)-xkj(1) x∈[xkj(1),xkj(2)]1 x∈[xkj(2),xkj(3)]xkj(1)-xxkj(4)-xkj(3) x∈[xkj(3),xkj(4)]ì?í????????

fkj(x)=0 x∈[xkj(1),xkj(4)]1 x∈[xkj(1),xkj(2)]xkj(4)-xxkj(4)-xkj(3) x∈[xkj(2),xkj(4)]ì?í??????

fkj(x)=0 x?[0,xkj(4)]x-xkj(1)xkj(2)-xkj(1) x∈[0,xkj(3)]xkj(4)-xxkj(4)-xkj(2) x∈[xkj(3),xkj(4)]ì?í??????

fkj(x)=0 x

1.3確定聚類權值ωkj

聚類權值ωkj表示第j個指標屬于第k個灰類的權重值，xkj為各級別的閾值。根據各級別的閾值采用倒數(shù)法計算聚類權，即

1.4計算聚類系數(shù)ηik

記ηik為第i個評價點關于第k個級別的聚類系數(shù)；ωkj為第j個指標第k個灰類的權重值；fkj(x)為第i個評價點第j個指標在第k類的白化函數(shù)中的函數(shù)值。計算聚類系數(shù)的公式為:

1.5聚類分析

即判斷各聚類對象所屬灰類，將聚類系數(shù)按最大隸屬原則找出最大值所在的類別,那么該類別就是該聚類對象所屬的灰類。據此可評價各礦山所屬環(huán)境質量類別。

2基于灰色聚類分析法的礦山環(huán)境評價實例

2.1評價樣本與標準

本次對山西省礦山環(huán)境質量進行評價，在研究區(qū)共選擇了12個環(huán)境監(jiān)測點，因監(jiān)測數(shù)據量較大，選擇5個監(jiān)測點的計算過程在文中顯示。監(jiān)測數(shù)據見表1。根據環(huán)境標準GB3095-1996和GB3838-88,將各環(huán)境污染指標所屬評價等級進行歸類,歸類情況見表2。

表1　礦山環(huán)境監(jiān)測數(shù)據

表2　環(huán)境質量等級標準

采用單因子指數(shù)法對比礦山環(huán)境監(jiān)測數(shù)據和環(huán)境質量標準值，雖然可判斷出某監(jiān)測點某個植被的污染等級，但是無法給出準確的礦山環(huán)境綜合污染程度。另外，由于評價過程中，考慮對象相對單一，而灰色聚類是將所有評價指標的含量均考慮在內，使評價結果更具客觀性[6]。

2.2樣本指標白化值的標準化處理

為了正確采用灰色聚類評價方法，需要對礦山環(huán)境聚類樣本各個指標的白化值Xij和灰類進行標準化處理，無量綱化處理后的指標數(shù)據才能用來綜合分析，并使得聚類分析的結果更具有說服力[7-8]。采用污染指數(shù)法對樣本指標白化值進行標準化處理，不僅可以完成對礦山環(huán)境聚類樣本各個指標的白化值和灰類無量綱化，而且可以反映各研究指標的相對污染狀況，其計算公式為:

(1)

式中，dij為第i個樣本關于第j個指標的標準化值；Cij為第i個樣本關于第j個指標的實測值；Cjo為第j個指標的參考標準(見表2),一般根據聚類對象所在區(qū)域的環(huán)境目標確定其取值。將表1中礦山環(huán)境監(jiān)測數(shù)據以Ⅱ級為參考標準進行數(shù)據的無量綱化處理，結果見表3。

表3　各污染指標無量綱化處理結果

在建立白化函數(shù)之前有必要進行灰類的標準化處理。為了比較分析原始白化數(shù)與灰類,仍使用Cjo進行灰類的無量綱化處理[9]:

(2)

式中，rjk為第j個指標關于第k個灰類值Sjk的標準化處理值；Sjk為灰類值。以Ⅱ級為參考標準,利用(2)式對5個灰類進行無量綱化處理,結果見表4。

表4　灰類無量綱化處理結果

2.3白化函數(shù)的建立

白化函數(shù)是進行灰色聚類的前提與基礎,要計算聚類系數(shù)，必須先建立起白化函數(shù),它能夠反映聚類指標對灰色聚類的親疏關系[10-11]。根據上述白化函數(shù)的建立方法，以TSP為例，其白化函數(shù)計算關系式為:

f11=1 [0,0.12](0.2-x)/0.08 [0.12,0.2]0 (0.2,∞)ì?í????

f21=(x-0.12)/0.08 [0.12,0.2](0.3-x)/0.1 (0.2,0.3]0 (0.3,∞)ì?í????

f31=(x-0.2)/0.1 (0.2,0.3](0.5-x)/0.2 (0.3,0.5]0 (0.5,∞)ì?í????

f41=(x-0.3)/0.2 (0.3,0.5](0.6-x)/0.1 (0.5,0.6]0 (0.6,∞)ì?í????

f51=(x-0.5)/0.1 (0.5,0.6]1 (0.6,∞){

2.4白化函數(shù)值的推求

建立白化函數(shù)關系式后，在白化函數(shù)公式中輸入各個監(jiān)測站點的監(jiān)測指標實測值，就可得到各個實測值的白化函數(shù)值，計算結果如表5所示。

表5　實測值的白化函數(shù)值

2.5聚類權的確定

聚類權是各指標對某一灰類的權重。根據表2采用權重計算公式計算各污染指標分別對5個級別灰類的權重,結果見表6。

表6　聚類權計算結果

2.6計算聚類系數(shù)

聚類系數(shù)主要反映聚類指標對灰類的親疏程度，它可由灰數(shù)白化函數(shù)的生成而得到[12]。采用聚類系數(shù)的計算公式得到各個監(jiān)測點的聚類系數(shù)，結果見表7。

表7　各監(jiān)測點各灰類的聚類系數(shù)

2.7確定樣本所屬類別

樣本的類別往往是通過在計算所得的聚類系數(shù)中按最大隸屬度原則找到最大值所對應的類別而確定。各監(jiān)測點的灰色聚類最終評價結果見表8(其中含未顯示計算過程的監(jiān)測點評價結果)。

表8　礦山環(huán)境評價結果

根據計算結果可知，采用灰色聚類法評價礦山環(huán)境時，綜合考慮了評價對象的每一個監(jiān)測參數(shù)，因此，評價結果與單一采用某個環(huán)境指標與標準進行比對的方法而言，環(huán)境類別的判定更具有準確性和綜合性[13]。

2.8基于ARCGIS平臺的礦山環(huán)境影響評價分析

在ArcMap中新建地圖文檔，命名為ChinaMap，加載相應的圖層后，在礦區(qū)圖層的屬性表里面添加了評價結果和評價等級兩個字段，其內容分別為以上計算結果，然后分別以評價結果和評價等級兩個字段渲染圖層，得到基于山西省礦區(qū)環(huán)境評價等級的渲染圖(圖1)和基于山西省礦區(qū)環(huán)境評價結果的渲染圖(圖2)。從圖1和圖2可以直觀地看出該省礦山環(huán)境質量總體情況。

圖1　基于山西省礦區(qū)環(huán)境評價等級的渲染

圖2　基于山西省礦區(qū)環(huán)境評價結果的渲染

3結論

(1)采用灰色聚類法開展山西省礦山環(huán)境的綜合評價，結果表明：在空間分布上各監(jiān)測點狀況好壞差別不大,污染都較為嚴重。因此，應通過加強環(huán)境科學研究，發(fā)展環(huán)保產業(yè)，對于污染較為嚴重的片區(qū)采取限采措施等，減少開采對礦山環(huán)境的影響。

(2)采用灰色聚類方法綜合評價礦山環(huán)境時，不僅考慮了礦山污染程度中系統(tǒng)的灰色性，同時也考慮了系統(tǒng)的白化程度，評價結果能比較客觀地反映礦山環(huán)境的真實狀況，說明在礦山環(huán)境的綜合評價方面，應用灰色聚類法是科學、合理和有效的。

(3)該方法可在煤炭礦山環(huán)境評價中推廣應用，在非煤礦山環(huán)境評價中也具有借鑒意義，為國內外各類礦山環(huán)境的綜合評價提供了新的技術與方法支持。

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[責任編輯：王興庫]

[收稿日期]2015-08-19

[作者簡介]焦明連(1963-)，男，河南商丘人，教授，研究方向為空間信息處理和測繪教育。

[中圖分類號]X8

[文獻標識碼]B

[文章編號]1006-6225(2016)02-0078-05

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.021

[引用格式]焦明連.基于灰色聚類分析的礦山環(huán)境質量評價[J].煤礦開采，2016，21(2)：78-82.