灰色聚类法在大气环境质量评价中的应用——以安阳市2004～2011年大气环境质量为例

第２９卷第１期　２０１３年３月　北京建筑工程学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　Ｖ０】．２９　Ｎｏ．１　Ｍａｒ．２０１３　文章编号：１００４—６０１１（２０１３）０１—００３８—０５　灰色聚类法在大气环境质量评价中的应用　——以安阳市２００４～２０１　１年大气环境质量为例　宋　盈　，　仝攀瑞　，　刘建伟　（１．西安工程大学环境与化学工程学院，西安７１００００；２．北京建筑工程学院环境与能源工程学院，北京１０００３２）　摘　要：选用ＳＯ　、ＮＯ　、ＰＭ　。作为评价因子，运用灰色聚类法对安阳市的２００４～２０１１年大气环境　质量进行了综合评价，并与模糊综合评价法结果进行了比较．研究结果表明，安阳市２００５年、２００８　年、２０１０年和２０１１年的大气环境质量评价等级为Ⅱ级，而２００４年、２００６年、２００７年和２００９年的大　气环境质量评价等级为Ⅲ级．与模糊综合评价法结果相比，灰色聚类评价结果更为细腻，更加符合　实际情况．灰色聚类法应用于三线城市的大气环境质量评价是可行的．　关键词：大气环境质量；灰色聚类法；权重系数　中图分类号：Ｘ８２３；Ｎ９４１．５　文献标志码：Ａ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｒｅｙ　Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　——Ａ　Ｃａｓｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｎ　Ａｎｙａｎｇ　ｆｒｏｍ　Ｙｅａｒ　２００４　ｔｏ　２０１１　Ｓｏｎｇ　Ｙｉｎｇ　，Ｔｏｎｇ　Ｐａｎｒｕｉ　，Ｌｉｕ　Ｊｉａｎｗｅｉ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｒｉｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｘｉ’ａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｘｉ’ａｎ　７　１００００；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢＵＣＥＡ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ＳＯ２，ＮＯ２　ａｎｄ　ＰＭ　１０　ａｓ　ｔｈｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒｓ，ｔｈｅ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｎ　Ａｎｙａｎｇ　ｆｒｏｍ　ｙｅａｒ　２００４　ｔｏ　２０　１　１　ｉｓ　ｅｖａｌｕａｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｇｒｅｙ　ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｉｎｄｉｓｔｉｎｅｔｉｖｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｙｅａｒ　２００５，２００８，２０１０　ａｎｄ　２０１　１　ｉｎ　Ａｎｙａｎｇ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ　ｇｒａｄｅ，ａｎｄ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｔｈｉｒｄ　ｇｒａｄｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｙｅａｒ　２００４，　２００６，２００７　ａｎｄ　２００９．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｄｉｓｔｉｎｃｔｉｖｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｇｒｅｙ　ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｆｉｎｅ　ａｎｄ　ｓｍｏｏｔｈ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｉｔ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｉｒｄ－ｌｅｖｅｌ　ｃｉｔｉｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｑｕａｌｉｔｙ；ｇｒｅｙ　ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ；ｗｅｉｇｈｔ　ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　大气环境评价是环境评价领域的一项重要内　容，在环境保护实践中具有重要地位　．由于不同　法也不相同．目前，国内开展大气环境评价大多限　于大中型城市，如张曙红和武鹏程　利用主成分分　地域自然条件、经济活动和社会环境存在差异，大气　污染的特点存在差异，因而适合的大气环境评价方　析法对武汉市的大气环境的研究，何再超等　利用　模糊数学综合法对重庆市大气环境质量的评价研　收稿日期：２０１２—１１—０５　作者简介：宋盈（１９８７一），女，硕士研究生，研究方向：环境质量评价　第１期　宋　盈等：灰色聚类法在大气环境质量评价中的应用　３９　究，边敏娟等　基于灰色聚类法对成都市大气　污染状况的评价等工作．针对于中小城市特别是三　线城市的大气环境评价研究较少，评价采用的方法　也相对单一．然而，三线城市有着不同于一、二线城　市的大气污染特点，如城市功能区分区不明显，居民　住宅往往与工业区混杂居住；基础设施建设滞后，道　路建设明显落后于城市居民购车数量的增长；人口　密集，居民环保意识相对较差等．针对三线城市的　大气环境与评价方法研究，越来越多地引起研究者　的关注．本研究以安阳市为例，选取ＳＯ　、ＮＯ：、ＰＭ，。　作为评价因子，运用灰色聚类法对安阳市２００４～　２０１１年的大气环境质量进行综合评价，研究结果可　为相关部门制定科学、合理的大气污染防治措施和　管理政策提供理论依据．　１　灰色聚类评价法原理及分析步骤　在环境质量综合评价中，有限时空的监测数据　所能提供的信息量往往具有不完全性和非确知性的　特点，因此环境质量系统是一个灰色系统　－６２．　针对环境评价中的不明确信息进行定量处理的灰色　系统理论，是由我国学者邓聚龙在２０世纪８０年代　初期提出的　．聚类分析方法是对不同个体的某些　相似性指标进行相似性分析，相似的就可以归为一　类，由于个体之间的关系是不明确的，具有灰色性　的，所以聚类法大多属于灰色聚类。。　．而灰色聚类　是在灰数的白化函数基础上建立的一种方法，它是　将聚类对象（评价对象）对不同聚类指标（评价指　标）所拥有的白化值（实测值或分析数据），按ｋ个　灰数（评价等级）进行归纳整理，从而判断聚类对象　所属类别的系统分析方法　．其分析步骤如下：　１．１聚类样本的构成　把聚类对象作为样本，以样本的量化性质作为　样本指标．设有ｍ个样本，每个样本各有ｎ个评价　指标（污染因子），每个指标有Ｐ个灰类（环境质量　类别）．则聚类样本的白化值矩阵为［Ａ］：　ｆ，　１１　ｌ２　…　ｌ　、　Ａ＝｛　２１　ｘ２２　…　ｘ２　Ｉ　Ｉ　１　ｍ２　…　Ｊ　一第ｉ个样本第　个指标的白化值（实测值）．　ｉ　Ｅ［１，２，３，…，ｍ］；　∈［１，２，３，…，ｎ］；ｋ∈［１，２，３，　…，Ｐ］．　１．２数据的标准化处理及灰度　为了使聚类结果具有可比性，灰色聚类过程需　要对样本数据和灰度进行无量纲化处理．　１．２．１样本的标准化处理　对聚类样本的标准化处理可以利用以下公式进　行处理：　ｄ　＝　（１）　ｕ０　式中：ｄ　一第ｉ个样本第．『个指标的实测值的标准值；　一第　个样本第　个指标的白化值（实测　值）；　ｓ　一参考标准（一般为目标标准等级值）．　１．２．２灰数的标准化处理　对灰数（参考标准）进行标准化处理利用以下　公式：　Ａ　＝　Ｊｉｋ　（２）　００　其中：Ａ　一第ｉ个样本的第ｋ个灰类的标准化值；　一第ｉ个样本的第ｋ个灰类值．　。　１．３白化函数的确定　灰色聚类是通过白化函数来反应聚类指标对灰　类的亲属关系．因此，白化函数对灰色聚类的计算　尤为重要．那么，属于第１级大气的隶属函数为：　１　≤Ｓ　．１　ｆｉ１＝　Ｓ¨＜　＜Ｓ　（３）　≥Ｓ。．２　属于第ｋ级大气的隶属函数为：　０　≤Ｓｍｉ或　≥Ｓｍ＋ｌ　ＳＩｆｉ　＝　，ｋ－１…　ｍ　㈩　Ｓｉ，ｋ￣＜ｘ＜Ｓｉ，ｋ＋ｌ　属于最后一级（Ｐ级）大气的隶属函数为：　０　ｆ≤Ｓ　，ｐ—ｌ　＝｛　Ｓ　一１＜　ｆ＜Ｓ　（５）　１　ｆ≥Ｓ　．　式中　一参数ｉ对ｋ级大气的隶属度；　一参数ｉ的监测浓度值；　Ｓｉｋ一，参数ｉ的第ｋ级大气质量标准值　４０　北京建筑工程学院学报　１．４聚类权系数的确定Ｗ　１．５聚类系数的确定　传统的灰色聚类法的加权公式为：　（６）　聚类系数Ａ　体现聚类样本与灰类的接近程　度　，其中：　Ａ　＝∑Ｗｉｋ＊ｆｉ　由公式（６）可以看出，分子Ａ　数值越大，则聚　类权数值就越大，也就是说第ｉ个样本的第　个灰　类的数值越大，则该样本所占的权重就越大．但是，　参考标准把污染物标准定的越大，说明该污染物的　（８）　１．６综合评价等级的确定　若　＝ｍａｘ｛　，…，　｝，则该聚类样本的　综合评价等级为　．　危害性较小，只有到了较大数值时才会产生污染，那　么再给该污染物赋予较大权重，显然不够合理．因　此，针对以上情况，本研究利用下式进行聚类权系数　的计算，结果更为合理：　＾二　＝　２应用实例　本文以２００４～２０１１年安阳市大气环境评价作　为应用实例，选取安阳市近８年的大气监测数据作　为聚类样本（／７７，＝８），每个样本有ｎ＝．３个评价指标　（７）　（ＳＯ　、ＮＯ　、ＰＭ。。），每个指标有　＝４个灰类，具体监　测数据见表１．　ｍｇ／ｍ　∑Ａ二　表１　安阳市２００４—２０１１年污染物年均值浓度　注：数据来源于妥阳市２００４—２０１１年环境质量公报．　我国于２０１２年２月新修订了《环境空气质量标　准》，把原来的三个等级标准修改为两个等级标准，　但是由于许多城市大气环境中污染物的浓度比以上　标准中的二级标准还要高很多，不利于大气环境评　价结果的实际性和合理性．因此，本研究在评价时，　对选用的国家大气质量标准（ＧＢ３０９５－－２０１２）进行　表２　空气环境质量标准污染指标　ｍｇ／ｍ　了修改和补充．且根据国家环境保护局颁布《环境　质量评价规范（大气和废气部分）》必测项目规定，　２．１　基础数据的标准化处理　把安阳市２００４～２０１１年的监测数据和大气评　选取二氧化硫（ＳＯ：）、二氧化氮（ＮＯ　）、可吸入颗粒　物（ＰＭ　。）为评价因子．本研究选用的大气环境评价　标准值如表２所示．　价标准值作为基础数据进行标准化处理，分别利用　公式（１）和公式（２）进行无量纲化处理得出标准化　值，结果见表３和表４．　表３污染物监测值标准化（ｄ　）　第１期　宋盈等：灰色聚类法在大气环境质量评价中的应用　４１　表４各级灰类标准化处理（Ａ　）　２００４年、２００６年、２００７年和２００９年的评价等级为　Ⅲ级，而其余四年（即２００５年、２００８年、２０１０年和　２０１１年）为Ⅱ级．可见，安阳市的大气环境质量有　待于进一步提高．虽然，２００４～２０１１年安阳市空气　质量评价结果整体处于Ⅱ级或Ⅲ级，但是从２００４～　２０１１年间的隶属度数据来看，偏于Ⅳ的数值总体呈　现下降趋势，而偏于Ⅱ级的数值总体呈现上升趋势，　对照表１和表３中的结果，可以得出，无量纲化　处理前的实测数据和处理后的数据的变化趋势较为　一说明安阳市的大气环境质量正在向良好状态发展．　表６各年份大气环境质量等级聚类分析结果　致．　２．２聚类权值的计算　聚类样本由原先的监测数据标准化后成为了　ｄ　再根据标准化后的灰类Ａ　代入公式（３）、（４）、　（５）中得出白化数值　，即判断各污染因子在各年　的所属灰类．根据公式（７）计算得出灰类的聚类权　值，反映各个污染因子在同一灰类中的权重　，结　果见表５．　表５各级灰类聚类权值（Ｗ　）　３　与其它方法的比较　模糊综合评价法是通过建立等级模糊子集，把　２．３　灰色聚类系数Ａ　的计算及其评价结果　反映被评事物的模糊指标进行量化，然后利用模糊　变化原理对各指标进行综合的一种评价方法¨　．　聚类系数Ａ　是由白化函数　和聚类权值　的　第ｉ个样本的第　级的乘积和，利用公式（８）计算出　模糊综合评价法的主要步骤为：建立隶属函数，确定　权重矩阵，进行模糊复合矩阵运算，最后根据最大隶　属度原则确定等级．采用模糊综合评价法对安阳市　Ａ　然后取每个样本在各个等级的最大值为最终的　评价结果，如表６所示．　由表６可以得出，依据２０１２年新修订的《空气　质量标准》进行的大气空气质量评价结果，２００４～　２０１１年安阳市的大气环境质量不容乐观．其中　２００４～２０１　１年大气环境质量进行评价，并将所得结　果与灰色聚类法评价结果进行比较，结果见表７．　表７两种方法的评价结果比较　由表７可以得出，灰色聚类法的评价结果与模　糊综合评价法的评价结果基本一致．两种方法所得　结果的差异在于：２００４年和２００５年，灰色聚类的评　价结果均比模糊综合评价结果优一个等级，即前者　的评价结果为Ⅲ和Ⅱ，对应后者的评价结果Ⅳ和Ⅲ．　物的危害就越大，那么就应该使其占有较大权重值．　所以，２００４年的权重值最大的为ＳＯ。，其次是ＰＭ　最大的是ＮＯ　，而２００５年这三者权重值大小相等，　这与模糊综合法中的权重值并不一致，从而导致了　这两年的最终评价结果有所差异．　可见，灰色聚类法应用于三线城市的大气环境　质量评价是可行的．　究其原因，可能是因为于灰色聚类法中计算权重时，　考虑到各评价因子的标准限值较小，则说明该污染　４２　北京建筑工程学院学报　２０１３妊　［Ｊ］．环境科学与技术，２００８，３１（３）：１１０—１１３．　４　结论　将灰色聚类分析法应用于安阳市２００４～２０１１　年的大气环境质量评价，评价结果表明安阳市２００５　年、２００８年、２０１０年和２０１　１年的大气环境质量评价　等级为Ⅱ级，而２００４年、２００６年、２００７年和２００９年　何再超，郑钦玉，卢坤，等．重庆市大气环境质量的模　糊数学综合评价［Ｊ］．西南农业大学学报，２００５，２７　（３）：３９７—４００．　边敏娟，钱骏，刘志红，等．基于灰色聚类法的成都市　大气污染评价［Ｊ］．四川环境，２０１１，３０（５）：５９—６２．　朱庆峰，张淑娟．灰色聚类法在大气环境质量评价中　的应用［Ｊ］．广州环境科学，２００４，１９（２）：４１，　邓聚龙．灰色系统理论教程［Ｍ］．湖北武汉：华中理　工大学出版社，１９９０．　胡军，许丽忠，张江山，等．基于改进灰色聚类法的大　的大气环境质量评价等级为Ⅲ级，从２００４～２０１１年　间的隶属度数据来看，安阳市的大气环境质量正在　向良好状态发展．　与模糊综合评价法相比，灰色聚类中的白化函　气环境质量综合评价［Ｊ］．福建师范大学学报，２０１２，　２８（１）：４９．　数并不局限于在相邻等级间将边界模糊化，而是表　示关于等级的信息覆盖，这便有效地对信息进行合　理的利用．两种评价结果的比较，表明两种方法的　评价结果基本一致，但是灰色聚类评价结果更为细　钟满秀，张江山．共原点灰色聚类法在大气环境评价　中的应用［Ｊ］．２０１０，２９（４）：９Ｏ一９２．　席中军，崔宾飞，胡海平，等．晋城市大气环境质量的　灰色综合评估法［Ｊ］．太原科技大学学报，２０１１，３２　ｒＬ腻，更加符合实际情况．　ｒｌ　ｒ　ｒＬ　ｒＬ　ｒＬ　１Ｊ　１ｉ　１Ｊ　１　Ｊ　１Ｊ　（３）：２３５—２３９．　ｍ　）　　ｒ　史正元，贾军．空气环境质量状况模糊综合评价分析　［Ｊ］．西安航空技术高等专科学校学报，２００８，２６（１）：　１ｉ　参考文献：　［１］　张云海，马雁军，刘庆婺，等．灰色聚类评价在经济区　大气环境质量评价中的应用［Ｊ］．环境科学与技术，　２０１０，３３（６）：４２６—４２８．　４１．　［责任编辑：佟启巾］　［２］　张曙红，武鹏程．武汉市大气环境质量的综合评价　（上接第２９页）　试与数值模拟研究［Ｊ］．太阳能学报，２００９，３０（６）：　７２７—７３１　旋管平均换热量随运行时间增加而减少，且系统运　行之初换热量下降较快，待换热达到稳定后，地埋管　每天每米平均换热量与盘管间距成线性关系，随着　唐志伟，郑鹏，张宏宇，等．桩埋管热泵地下换热器工　艺研究［Ｊ］．建设科技，２００７（２２）：２４—２５　王文，韩锐．桩基螺旋埋管的研究［Ｊ］．科技信息，　２００９（３５）：２８８　石磊，张方方，林芸，等．桩基螺旋埋管换热器的二维　盘管间距的增加，每米螺旋管换热量的增加量减少．　３）随着桩基深度的增加，每米螺旋管平均换热　量略微减少，每米桩深相对减少量低于１．１％，即桩　基深度对螺旋管换热量基本无影响．　参考文献：　［１］　朱照华，付祥钊．长江三角洲住宅采暖降温节能系　温度场分析［Ｊ］．山东建筑大学学报，２０１０，２５（２）：　１７７—１８３　刘俊红，张文克，方肇洪．桩埋螺旋管式地热换热器的　传热模型［Ｊ］．山东建筑大学学报，２０１０，２５（２）：９５—　１００　统——桩埋管地源热泵系统［Ｊ］．住宅科技，１９９９　（５）：４１—４２　李新，方亮，赵强，等．螺旋埋管地热换热器的线圈热　源模型及其解析解［Ｊ］．热能动力工程，２０１１，２６（４）：　４７５—４７９　［２］赵军，吴挺，朱强，等．Ｕ型管桩埋换热器稳态传热模　拟研究［Ｊ］．太阳能学报，２００５，２６（１）：５９—６２　［３］　宫喜龙，周志华，于洋．桩基埋管换热器传热性能研究　［Ｊ］．煤气与热力，２００８，２８（４）：１—３　［４］　刘俊，张旭，高俊，等．地源热泵桩基埋管传热性能测　石磊．桩基螺旋管地热换热器导热模型分析与实验　研究［Ｄ］．山东济南：山东建筑大学，２０１０　［责任编辑：王志兵］