（应用数学专业论文）我国东部十城市环境质量评价与预警研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：噩乳 日期：2 丝五：互：兰基 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 储躲鞋 e t期：2 盟：三：望 我国誊郝十城市环境质量评价与颈警研究硕：i ：论文 中文摘要 人类只有一个地球，2l 世纪的当今世界随着社会经济的高速发展，环境污 染也越来越严重，各国政府也越来越重视生态环境的保护。目前，生态环境质 量评价的方法有很多，理论上的阐述较为详尽，但对实际的应用较少，同时关 于环境预警理论研究也不多见。本文依据国家环保局组织制订的生态县、生 态市、生态省建设指标( 试行) ，对生态环境质量进行综合评价研究，针对 我国东部十大城市的生态环境质量提出种简单合理、实用性强的定量评价方 法螭值法，为我国生态环境评价工作提供参考依据。但在实际工作中，影响 环境变化的因素很多，而且具有较大的模糊性和不确定性，仅仅得出简单的评 价值不足以指导我们工作，因此本文采用灰色关联度法对环境预警的备影响因 素进行统计分析得出了各影响因素的相对重要性排序，对环境预警系统在实践 工作中的具体应用和真正发挥预警系统的有效作用提出有参考价值的建议。 本文的研究结果表明：汕头、苏州、厦门、青岛的生态环境较优，名列前 茅；南京、上海、杭州的生态环境相对较差一些。通过灰关联分析得出酸雨频 率对环境的影响最大，工业废水排放达标率、二氧化硫年均浓度、人均公共绿 地面积紧跟其后。这靼个指标决定着环境污染的程度，所以对环境预警的警情 预报起关键性作用。 关键词：环境质量，综合评价，环境预警，灰色关联分析 a b s t r a c t n eh 啪a nr a c eh a so n l yo n ee 蝴+ i nt h e 21s tc e n t u r yt h ep o l l u t i o no f e n v i r o i 髓e n t a lh a sb e c o m em o l ea n dm o r es e r i o u sw i t ht h er a p i ds o c i o 。e c o n o m i c d e v e l o p m e n ta n dg o v e r n m e n t sp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o t h ep r o t e c t i o no ft h e e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t a tp r e s e m ，t h em e t h o d s o fe c o e n v i r o n m e n t a lq u a l i t y e v a l u a t i o na r em a n y ，t h et h e o r ye x p o u n d e di nd e t a i l ，b u t l e s s0 1 2t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n , a n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h 0 1 2e n v i r o n m e n t a le a r l yw a r n i n ga l s or a r e i n t 扯sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h e ”c o n s t r u c t i o nt a r g e t so fe c o l o g i c a lc o u r l t y , e c o l o g i c a l c i t y e c o l o g i c a lp r o v i n c e ( t r i a l ) ”d e v e l o p e db ys t a t ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a d i n i n i s t 嘶o nl a n l e n g a g e d i ns t u d i e so fc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n o f e e o e n v i r o n m e n t ，ip r o p o s eas i m p l ea n dr e a s o n a b l e ，p r a c t i c a l ，s t r o n gq u a n t i t a t i v e e v a 王u a t i o nm e t h o d e n t r o p ym e t h o df o rc h i n a se c d o 舀c a le n v i r o n m e n tt op r o v l d e r e r e n c ef o rt h ee v a l u a t i o ni na l l u s i o nt ot h ee c o - e n v i r o n m e n to f10c o a s t a lc i t i e si n t h ee a s t e r np a r to fc h i n a h o w e v e r ，i np r a c t i c a lw o r k ，t h ef a c t o r sw h i c h h a v eag r e a t i m p a c to ne c o e n v i r o n m e n t a l em a n yb u ta l s oh a v eg r e a t e ra m b i g u i t y a n d u n c 瞰a i n t y j u s th a v i n gs i m p l ev a l u eo fe s t i m a t ec a l ln o tg u i d eo u r w o r k s oi nt h i s p a p e ra l lk i n d so fa f f e c t i n gf a c t o r sw h i c h e n v i r o n m e n t a lw a r n i n gs y s t e m ( e w s ) a t e a n a l y z e db yt h em e t h o do fd e g r e eo fg r e yi n c i d e n c ea n dt h er e l a t i v e l yi m p o r t a n t a r g e s i tp u t sf o r w a r dv a l u a b l es u g g e s t i o n sf o rt h ee f f e c t i v eu s i n go fe w si n p r a c t i c a lw o r k s t a l l y i n gw i t ht h ef a c t it h er e s u l ti n d i c a t e st h a ts h a n t o u ，s u z h o u x i a m e n ，q i n g d a o a r et 】l ct o d4o fa l l ，n a n j i n gs h a u g h a i ，h a n g z h o ua lew o r s et h a no t h e r s - b yt h e a n a l y s i so fg r e yi n c i d e n c e ，i t sk n o w nt h a tt h ef r e q u e n c yo fa c i dr a i nh a st h em o s t i m p a c to nt h ee c o e n v i r o n m e n ta n dt h en e x ta r et h ea t t a i n m e n tr a t eo f t h ei n d u s t r i a l w a s t ew a t e rd i s c h a r g e ，t h ea n n u a lc o n c e n t r a t i o no fs 0 2 ，m ep e rc a p i t ag r e e na r e a t h e s ef o u _ ri r l d e x e sd e t e r m i n et h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ne x t e n t ，s oi tp l a y sa c r u c i a l r o l ei nt h ee n v i r o n m e n t a lw a r n i n g 2 我国东部 一城市环境质量评价与颈膂研究硕：b 论文 k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a lq u a l i t y , c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ，e n v i r o n m e n t a l w a r n i n g ，a n a l y s i so fg r e yi n c i d e n c e 3 我屠东部十城市环境质量评价与预警研究项士论文 第一章前言 1 1 选题背景 城市作为 类最主要的聚居地，是“人类在不同历史阶段，改造自然的价值观和意志 的真实体现”，因此城市作为人类验证可持续发展理论、实现可持续发晨目标的首要领地， 也是最其挑战意义的领域。生态城市最早在联合菩教科文组织发起的“人与生物圈( m a b ) ” 计划中提出。随后，生态城市的理念迅速发展，成为一种城市发展的新概念。它不仅反映 了人类谋求自身发展的意愿，也反映了人类对人与自然关系认识的提高。生态城市的科学 内涵是倡导社会的文胆安定、经济的高教和生态环境的和谐j 。如今，人类在追求经济稳 定高速发展的同时也越来越重规生态环境的保护。我国东韶人口密集，社会经济的发展迅 速、人民生活的需求量大，再加上我国本拥有丰富自然资源，这一切必然使我国开发利 用自然资源的力度和强度继续加大，区域建设项目也必然增多。中国5 0 以上的工业产出、 7 0 以上的国民生产总值、近8 0 的国家财政税收来源于城市，中国城市发展创造和聚集了 巨大的物质财富和精神财富。虽然城市化是我国全面建设小康社会和和谐社会过程中必不 可少的一个阶段，但是城市化也极易导致脆弱的城市生态环境失街，产生严重的城市问题 并威胁在其中生活的人群的健康。城市化导致的主要环境问题有： 城市大气污染。燃料燃烧、汽车尾气、工业发气使得城市空气中含有大量的t s p 、p m i o 、 二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等污染物。2 0 0 2 、2 0 0 3 年我国3 4 0 个城市空气质量监测结 果表明瞳1 我国大部分城市空气质量处于二级以下水平，城市空气质量匾需改善。2 0 0 3 年， 空气质量达标城市的人口仅占统计城市人口总数的3 6 ，4 ，暴露于束达标空气质量的城市 a 日占统计城市人口的6 3 。麟。 城市化导致城市水资源匮乏和承体污染严重忙。城市聚集了大量的入口，工商业活动 频繁，工业生产、生活所需的新鲜水和排放的生产、生活数量庞大。据统计，我国6 0 0 多个 城市中，缺水城市已达3 0 0 多个，其中严重缺水的城市有1 1 4 个。在我国，全国工业和生活 4 我固东部十域市环境质量评价与预警研究硬士论文 的废污水排放量日近2 亿吨，往9 0 以上的城市地表水域受到比较严重的污染；近7 5 的主要 湖泊污染显著：在接受调查的1 1 8 座大城市中，9 7 的城市浅层地下水受到污染，4 0 的严重 污染：超过1 0 0 0 0 公里的城市河段，其水丧失了灌溉水的屠基本的使用功能。全虱近海 海域受到严重陆源性污染，赤潮不断。 城市固体废物污染。城市固体废物是城市环境问题的一个重要方面，它直接反映了城 市的市容市貌，并对水环境和大气环境有不同程度的影响。随着我国城市他、工业化进程 的不断加快，我国城市固体废物产生量也在不断增加。一方面，城市翱体废物对城市环境 产生负面影响：另一方露，城市固体废物亦可变废为宝，是循环经济的一个主要内容。如 何科学台理地处置利用固体废物是一个意义重大的事情。 城市噪声污染。城市噪声污染是城市居民反映最强烈的环境阀题之一，城市噪声污染 主要来自生活噪声、交通噪声、工业生产噪声和建筑工地噪声等。 核安叠与辐射环境阳1 。我国核屯设施具有堆型多、技术来源国别多、建设地点人口稠 密等特点，部分研究型核反应堆设备老化，超期胃鹾役：民用辐射源量多面广，电磁辐射源 增加迅速。确保核设施安全稳定运行和退役核设施及放射性废物安全处置的压力很大。 b 益突出的生态、自然资源和经济社会发展之间的矛盾，削弱了可持续发展的支撑能 力。作为一个人口众多，资源相对不足的发展中国家，我们的现代化进程必须处理好经济发 展同人口、资源、环境的关系，坚持环境与经蒋、社会的协调发展。为了更好地处理环境同 人类的关系，我们需要及时获得影响环境变化的各因素的情况并及时发出警报，减少因此而 带来的对社会发展、经济活动和人们生活的影响，为宏观调控和决策提供信息支持。 1 2 研究目的和意义 城市是社会和谐发展的基本单元，是国家整体可持续发展战略推进的重要环节，城市 生态环境系统是一个十分复杂的巨系统，特别是地区不同自然条件、经济发展状况和生 态系统类型等方面均有较大差异，使得生态环境指标的确定和量化姥较困难，进而对环境 质量避行准确、合理、定量的评赞较难实现。生态环境质量评价方法是生态环境评价的重 中之重，只有采用完善的评价方法，充分考虑生态环境系统的整体性，建立环境预警系统， 对环境现象和环境问题进行监测和预报才能对生态环境进彳亍全面的分析和预测，并找到问 5 我国东部十城市环境质量评价与预警研究 颞：论文 题的根源和保护目标，进一步提出预防性的生态保护措施。但是，现阶段的生态环境评价 及预警方法还处于研究阶段，在评价方法上还需要进一步研究和完善，迫切需要一个应用 性很强的技术方法。 目前，生态环境质量评价预警的方法有很多，理论上的阐述较为详尽，但对实际应用 的说明较少。本文通过对生态环境质量评价方法的研究，依据西家环保局组织制订的生 态县、生态市、生态省建设指标( 试行) 迸行生态环境质量综台评价方法研究，针对我 国东部十大城市的生态环境质量提供种简单合理、实用性强的定量评价方法，为以哥的 生态环境评价工作提供基础，避免在实际工作中由于方法选取的不适当，而产生定性的或 粗放性，大尺度的定量结论。但在实际工作中，影响环境变化的因素裰多，而且具有较大的 模糊性和不确定性，本文将采用灰色关联度法对环境预警的吾影响因素进行统计分析，得出 了各影响因素的相对重要性排序，对环境预警系统在实践工作中的具体应用和真正发挥预 警系统的有效作用提出有参考价值的建议。 1 3 国内外环境质量评价研究进展 l 。3 。l 国外研究进展吲 国外环境质量评价始于2 0 世纪6 0 年代中期，最早进行环境质量评价的是美国“格林 大气污染综合指数评价”( 1 9 6 6 年) ，其后陆续提出了“可呼吸到的厌恶污染物含量指数 ( 船r ci n d e x ) ”，美国1 9 6 9 年指定鲋国家环境政策法y n a t i o n a le n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n a g e n c y ，n e p a ) 在世界上首次把环境影响评价制度作为国家政策确定下来。加利福尼亚州是 美国第一个把环境影响评价制度歹1 j 为州法律的州。例如，加利福尼亚大学承担的综合开发 ；日金山一带的环境影响评价工作的报告中强时对几个方案进行比较评价，以选择一个最优 方案。到1 9 7 6 年6 月，美国按n e p a 要求所作的环境影响评价报告书共7 3 3 4 份，其主要评 价对象是对环境有相当影响的联邦政府的主要开发项目，尤其是农业部、运输部、原子能 委员会、陆军工兵部队、内务部等的开发项目， 瑞典在1 9 0 9 辱制定了以环境影响评价为中心的国家环境保护法，并成立了由环境保护 人员、法律专家、工业界人员等组成的“环境保护许可委员会”。开发项目的环境影响报告 先由环境保护局进行技术审查，然后由“批准腽”决定是否镶发许可证。 6 我国东帮十城市环境质量评价与预警研究硕士论文 日本虽然在2 0 世纪6 0 年代后期已注重环境质量评价工作( 浓度控制方式、总量控制 方式、按变化的排放量分配方式等) ，然而直到1 9 7 2 年才把环境影响评价作为一项政策来 实施，1 9 7 6 年才提出把环境影响评价制度列为国家的专门法律。1 9 7 3 年6 月对北海道的工 业基地的环境影响评价和有关发电厂布局的环境影响评价，是日本在此领域的几个早期案 例。 英国从1 9 7 0 年开始探讨环境影响评价制度，较强调项目开发后的系统的环境监测计 划，并在1 9 7 1 - - 1 9 7 2 年对该国在1 9 4 3 年制定的“城市、农村计划法”进行了修改。该法 要求对所有开发项目进行环境影响评价，这寰际上是当时环境影响评价工作的基础：1 9 7 4 一i 9 7 7 年平均每年审查2 5 5 0 个开发项目，而s + l r o s s 在1 9 7 7 年对英国克鲁德河流主流 与支流进行的水质评价中，仅以b a 、氨氢、悬浮固体及d o 四项为评价参数。 新西兰在1 9 7 3 年1 月内阁会议上通过了环境保护与改善步骤的条例，虽然其中提出 了要做环境影响评价，但只要求对环境有重大影响的项茸，如公路建设、电力建设、住宅 建设等做环境影响评价。在东欧，原苏联等国采用统一的物理一化学指标进行评价，同时 也考虑生物指标。2 0 世纪7 0 年代初期，就矗在伏尔加河、顿河、莫斯科河建立了河流污 染平衡模式。配合永质预报及最优纯控制的永质评价研究进展速度较快。 从评价方法方面来说，早在2 0 世纪6 0 年代末掰至7 0 年代初勰，国辨昭著| ：境质量现状 评价方法有几十种，环境影响评价方法也有几十种。纵观其发展，在当时藏已彤成了自单 目标向多目标、由单环境向多环境要素、由单纯的自然环境系统向自然环境与社会环境的 综合系统、由静态分析向动态分析的发展趋势。 1 3 。2 国内研究进展 我国从1 9 7 2 年起陆续开展了环境震量评价工作评价内容以城市环境污染现状调查与 评价为主。2 0 世纪8 0 年代以后，开始转向工程项目的影响评价。随着环麓评价工作的不 断发展，也由单要素评价发展到区域环境的综合评价；由污染环境评价发展到自然和社会 相结合的综合或整体环境评价；由城市环境质量评捡逐步发展到水体、农田、旅游等多镶 域的环境质量评价。对于生态环境质量曲评价开始于2 0 世纪8 0 年代束9 0 年代初，所开展 的大量生态环境质量评价往往侧重于污染、灾害等方面，现在生态环境质量评价定量分析 7 我离东部十城市环境质量评价与预警研究硬士论文 的理论和方法虽然在进一步发展和完善，但仍处于探索阶段，至今未形成公认的理论体系 和方法体系。 1 4 国内步 环境预警研究进展 环境预警监测系统是一项宏大丽复杂的系统工程。首先，在理论研究中要建立一套环境 预警指标体系，确定预警线及预警模型，分析警情，进行预警。其次，在实践中要建立一套 环境统计工作制度，包括健全的环境统计机构、完善的环境统计报表制度、科学的环境抽 样调查制度和分析预报制度，并进行环境长期监测、积累资料，以确保环境预警的科学性和 准确性。颓警不是新名词，在很多领域已有许多应用，但环境预警是个新东西，国外也没 有成功经验可循、成熟技术可鉴、现成产品可用，在我国统计理论界，关于环境预警理论研 究尚属空白。 1 5 研究内容及方法 1 5 1 研究内容 本文主要研究生态环境质量综合评价方法及其应阁，具体内容包括： ( 1 ) 生态环境质量备方面评价方法研究。 ( 2 ) 运用熵值法，依据国家环保局组织制订的生态县、生态市、生态省建设指标( 试行) 进行生态环境综台评价方法研究，包括指标体系的选取和建立、指标权重及计算方法。 ( 3 ) 对环境预警的各影响困紊进行了统计分柝，得出了各影响因素的相对重要性排序。 l 。5 2 研究方法 本论文在研究分析了国内外生态环境质量评价方法的基础上，依据生态县、生态市、 生态省建设指标( 试彳亍) ，运。跨髓值法蒜我酱东部十大城市的生态环境质量进行综合评 价，并且运用灰色关联度法对各影响因素进行统计分析，得出了各影响因素的相对重要性 排序，以提高环境预警的准确性。 1 6 创新点 从对数据豹收集到数据豹处理，再到数据的综合运用，本文试图建立个比较完善的 环境质量评价系统，运用熵值法对我国东部十犬城市的生态环境质量进行综合评价。信息 熵综台评价法是一种客观赋权的综合评价方法，它根据指标体系中各指标值的差异程度而 3 我固东部十城市环境质量评价与预警研究 硕士论文 确定考核指标的权重，避免了人为因素的影响，科学而台理，评价结论公正可信，计算过 程简单，适用于生态环境的评价。但是仅对环境状况作出简单评价是不够的，本文采用灰 色关联度法对环境预警的各影响田素进行统计分析，得出了影响环境的晒大要素及其排序。 这对环境保护和监测具在重要的实际意义，为我国环境预警系统的建立和完善作出积极的 贡献。 1 7 结论 本文综台评价的结果表明：汕头、苏州、厦门、青岛的生态环境较优，名列前茅。南 京、上海、杭州的生态环境相对较羞一些。通过灰关联分析得出酸雨频率对环境豹影响最 大，工业废水排放达标率、= 氧化硫年均浓度、人均公共绿地面积紧舔其后。这四个指标 决定着环境污染的程度，对环境预警的警情预报起着关键性作用。 9 我国来部十城市环境质量评价与预警研究硕士论文 第二章环境质量评价的概念及方法 2 1 环境质量评价的概念吲 环境质量评价是对环境要素优劣进行定量的描述，即按照一定的评价标准( 建立评价 要素的等级序列提供环境要素的质量分级) 和评价方洁对一定范蘑的环境质量进行定量 的判定与预测。 2 2 环境质量评价的目的辟1 环境质量评价的目的还在于其参与研究和解决下歹f 问题：1 ) 区域环境污染综合防治；2 ) 自然界与工业科学系统相互作用过程中如何维护生态平衡；3 ) 经济发展与环境保护之间协 调发展的销量标准；4 ) 能源政策的制定：5 ) 地方环境标准与行业环境标准的制定；6 ) 新 建、改建、扩建项目计划与规划；7 ) 环境科研：8 ) 环境管理等等。 2 3 环境质量评价的方法闻 2 。3 1 大气环境质量评价方法 目前，大气质量常规评价仍以指数为基本工具，常用的有指数均值法、格林综合指数 法、p i n 。d e x 法、p s i 法。 2 3 2 水环境评价方法 水环境评价方法主要有综合污染指数法、布朗水质指数法、罗斯水质指数法、内梅罗 污染指数法、有机物综合评价指数法。 2 3 3 土壤环境评价方法 土壤环境豹评价方法主要有污染指数法和综合指数法。 2 4 环境质量综合评价方法碍 国内外己提出并应硐的环境质量评价方法是多种多样豹，至今我国尚未形成统一的方 法系列，较成熟的方法育环境质量指数法、概率统计法、模蝴数学法、生物指标法。 1 0 我国东部十城市环境质量评价与预警研究硕士论文 2 4 1 环境指数法 1 环境指数的作用 按环境指数法得出的环境指数有如下作用： 辩评价区域环境质量进行分级，以便对不同区域、不同时期的环境质量进行比较； 检查环境标准的执行情况，主要检查环境质量标准与污染梅撑放标准的执行情况； 用于确定区域环境质量现状和分析其变化的趋势； 信息交流，向公众报告环境质量状况，必要时根据指数值发出警报； 环境指数将大量监测数据归纳为少数有规律的指标，便于进一步探索环境现象的本 质。 2 环境指数评价的依据及分类 ( 1 ) 要评价的环境要素及其评价参数的依据 根据环境质量现状评价的目的和要求，所选择的评价要素和评价参数应能满足预定 的目标和要求。般来说，做区域环境质量综合评价时，要求选择较多的环境要素参加评 价，以利于作出较全面而确切的评价结论。在进行环境影响评价的现状评价时，所选择的 环境要素和参数应该是受拟议行动影响的那些内容。 区域污染源评价和评价所确定的主要污染源和主要污染物。 评价费用的限额与评价单位可能提供的监测和测试箍件。 ( 2 ) 环境指数的分类 环境指数从因子数目角度可以分为单因子指数与多因子指数两类；从其评价方法可分 为叠加型、均值型，均方根型与综合型；从分级的角度叉可分为般指数类与分级指数类， 3 单因子指数 ( 1 ) 标准型 最基本的环境质量指数标准式为： 专 式中c 一第f 种评价因子在环境中的观测佳；墨一第f 种评价因子的评价标准。 我国末部十城市环境质量评价与预膂研究 硕j ：论文 其算术平均值： _ - 喜睾 式中七一监测次数。 单因子环境质量指数是无量纲数，它表示某种评价困子在环境牛的观测值相对于环境 质量评价标准的程度。 的值是相对于某一个评价标准而言的，对同样一个观测值，当评价标准变化时，z 的值也会变化。因此，环境质量指数在进行横向比较时，要注意他们是否具有相同的评价 标准。 根据所选用盼评价标准、计算方法和评价因子的观测值获取方式豹不同，将单园子指 数分为以下几类。 采用环境质量标准绝对值为评价标准的评价指数。这类指数主要针对环境中的污染 物进行评价。 采用环境质量标准相对僮为评价标准的评价指数。这类主要针对环境中的非污蛰生 态因子进行评价，因为生态因子的地域性根强，狠难在大范围内制定统一的国家标准。这 类因子的评价标准通常采用评价范围内远离人群并采受人为影响的地点的环境质量作为评 价标准，也可以环境专家指定区域的环境质量作为评价标准。 ( 2 ) 幂函数型( 五= k c 。型) ，( 尸) 与口量对数线性羌系的表达式为： l n p = n l n q + k ( 1 ) 式中，p 为污染度，q 为污染物质的量。 对莱一生命机体，设当出现某一污染度e 时的污染物质的量为吼，当出现另一污染度 最时的污染物质的量为鼋2 ，划按上式列出方程组 1 2 塞旦查型垫堕墅茎堕量堡竺望望量堡垒 ，一一 硕士论文 一一 = ：= ：! ： f l n 片= n l n q l + k 【kb = n l n q 2 + f 解方程组得： l i l 墨 栉：上， k - ： 栉= 三， 2 l n 丑 9 2 1 些! 塑二幽垫垂 h a q l l n q 2 当以污染度p 表示单一指数，以污染物质量浓度c 表示污染物质的量g ，且 k = l n k 时，( 1 ) 式可写为： m j = n l n c + l n k 或= k c ” 4 多因子指数 多因子综合污染指数主要存以下几种形式： 叠加型指数 ，：争旦 乞s i 式中，一叠加型指数；c 一污染物f 的实测浓度；墨一污染物f 的评价标准值。 均值型指数 ：三争鱼 h 葛s i 加权均值型指数 ，= 去砉彬只 式中，# 一导；彬一权重。 1 墨 一 均方根指数型 i = 1 3 我国东部十城市环境质量评价与预誓研究硕士论文 式中，j 一综合污染撇；扩评价目子数；霉一鲁 5 综合型 总环境质量指数 式中，一相应分类指数t 的加权系数；疗一分类参数的个数；肌一系数。 6 权值的确定 在措数单元综合为分指数，再将分指数综合为总指数时，各指数单元或分指数的重要 性可以是不同的，这就要赋予不同的权值。依以下两种情况采用不同方法定权： 评价参数为抽象的、宏观的、如美学评价参数、综合评价的评价参数如大气、水体 等，可采用专家打分法绒谣鲞统计法两类定权方法。 评价参数若为具体的、微观的，如评价参数为s 0 2 、q 等，尽量选用客观定量 数据作定权因子，用序列综合法或公式法来定权。 极值问题。导致环境质量较大变化而出现严重缝害的，往往是由于个别污染物域污 染物在特定时闻的较高浓度，因而，在设计单一指数时，对某种污染物单一摄数的极值问 韪及某污染物在特定时问极限浓度出现的问题有着根本的医剐。 7 ，指数法的局限性 从目前看来，上述几种指数法仍具有定的局限性，还不能全面反映出某一种环境的 污染情况。 z 4 。2 模糊数学法 方法与模型 ( 1 ) 一级评判。 令每个环境因素有n 个因子，由一个因子构成评判集b ，则 矗= 氆，b 2 ，讳) t 4 埔 m ，一 。一 | | 聊 我国东部十城市环境质量评价与预警研究硪士论文 令由评语的m 个判断等级构成的评判集y ，捌有 y = 乃，y 2 ，靠 由b 到y 的一个模糊殴射r ，其摸糊关系如表1 ： 表1映射，_ 表示的模糊关系 弛 0 ) 其中m 为指标x 的一个允许上界。 对于居中型指标x ，令： f 2 ( x - m ) ，坍量x m + m 1m 一脚。2 工= 。2 ( 警m - m ) ，m + m x m 【m 一牌 2 其中m 为指标x 的一个允许下界，为指标x 魄一个允许上界。 对于区闽型指标x ，令： x2 卜忑嚣啬丽彤吼m a x 哼l 一朋，朋一窖2 1 , x 【孽1 ，9 2 】 卜面惫p 譬z l 一- _ _ _ i _ _ _ - _ _ - _ _ h _ - _ - - - _ - _ _ - 一1 ) ，f m a x t q i 一坍，朋一9 2 一 式中 g l ，吼 为指标工的是佳稳定区阉，m 、m 分别为石的允许上、下界。 这样非极大型评价指标可通过上述公式转化为极大型指标了。 3 2 2 评价指标的无量纲化 一般来说，指标 ，恐，靠之间由于各自单位及量级( 即计量指标t 的数量级) 的 不周两存在着不可公度性，这就为比较综合详价指标y 的太小带来丁不便。为了尽可能地 反映实际情况，摊除由于各项指标的单位不同以及其数值数量级闻的悬殊差剐所带来的影 1 9 我国东部塑市至望垦重堂堡兰翌竺堕塞坠整生! 二一 _ _ _ _ _ _ - _ l _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - i m _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 响避免不合理现象的发生，需要对评价指标作无量缨化处理。无量纲化，也叫做指标数 据的标准化规范化。它是通过数学变换来消除原始指标单位影响的方法。常用的方法有 “标准化法”、“极值法”、“功效系数法”。 ( 1 )标准化处理法 即取 矗：蔓1 葺，2 。 j j 显然矗+ 的平均值和均方差分别为o 和l ，b 称为标推观铡值。式孛0 、s ，( ，= 1 ，2 ，删) 分别为第j 项指标观测值的平均值和均方差- ( 2 )极值处理法 如果夸硝，= m 矗) ，。啤n 嘞) ，则 一峋一聊， 矗2 茸葛 是无量纲的，且勃+ 【o ，1 】。 特别地，当掰j = 0u = 1 , 2 ，埘) 时，有 靠+ ：軎，( 矗+ 黾【o 1 】) 勘。茹而黾 ( 3 )功效系数法 即分荆令： x ：e + 墨二! 1 2 d 茸2e + m i - m l 十d 式中鸩、m 分别为指标的满意值和不允许值，c 、d 均为已知正常数，c 的作用是对变 换后的值进行“平移”，d 的作用跫对变换后的值进行“放大”或“缩小”a 通常取为 c ：6 0 d = 4 0 ，即 我国来鄢十城市环境质量评价与预警研究 顾士论文 + = 6 0 + 二羔j 二二! l 4 0 ，弓 6 0 ，l o o m 。 f m ， 。 3 3 生态环境质量综合评价方法m 邑町 本文采用的综合评价方法为熵值法。熵值法是一种根据各项指标观测值所提供的信息 量的大小来确定指标权数的方法。设有n 个待评系统，砸项评价指标，形成原始指标数据 矩阵x = ( 南) n x m ，指标( j = l ，2 ，n fj = 1 ，2 ，曲，为第f 个系统中的第，项指标的 观测数据。对于给定的，南韵差异越大，该项指标对系统的比较作用就越大，亦即该项 指标包含和传输的信息越多。信息的增加意昧着熵的减少，熵可以用来度量这种信息量的 大小。用熵值法确定指标权数的步骤如下“。3 1 ： ( 1 ) 计算第，项指标下，第f 个系统的特征比重 这里假定t 且 0 。 ( 2 ) 计算第，颈指标的熵值 = ， # i p ，= 一毒岛t n ( p 寸) r ；l 其中七 o ，勺 o 。如果勃对于给定的，全部相等，那么p 口= i 1 ，1 埘e j = 七h 。 ( 3 ) 计算指标工的差异性系数对于绘定的歹，的差异越小，则巳越大：当b 全都 相等时，q = p 懈= - ，( 后= 志) ，此时对于系统问的比较，指标一毫无作用；当嘞的 差异越大，因此定义差异系数g = l 一口j ，g ，越大，则越应重视该项指标的作用。 ( 4 ) 确定权数，即取 2 l 垫圈东韶十城市环境质量评价与预警研究 硬论文 叶= g ，g ， _ ，= l ，2 ，加 为归一化了的权重系数a ( 5 ) 计算各评价对象的综台评价值。本文采用的评价函数是线形的，即取 只= w ：p q w ：p q ( f - l ，2 ，月) 只5 乞 ( f - l ，2 ，月) ，i l 2 2 我国来部十城市环境质量评价与顼警研究硕士论文 第四章环境预警系统的灰色关联度模型 4 1 灰色关联分析n 帕 般的抽象系统，如社会系统、经济系统、农业系统、生态系统、教育系统等都包含 有许多种因素，多种因素共同作用的结果决定了该系统的发展态势。我们常常希望知道在 众多的因素种，哪些是主要因素，哪些是次要冈素；哪些因索对系统发展影响大哪些因 素对系统发展影响小；哪些因素对系统发展起推动作用需要强化发展，哪些困素对系统发 展起阻碍作用嚣要加以抑制这些都是系统分析中人们普遍关心的问题。比如粮食生产系 统，我们希望提高粮食总产量，而影响粮食总产量的因素是多方面的，有播种面积以及水 利、化肥、土壤、种子、劳力、气候、耕作技术和政策环境等。为了实现少投入多产出， 并取得良好的经济效益、桂会效益和生态效益，就必须进行系统分析。 数理统计中的回归分析、方差分析、主成分分析等都是用来进行系统分析的方法。这 些方法都有下述不足之处： ( 1 ) 要求育大量数据，数据量少就难以找出统计规律。 ( 2 ) 要求样本服从某个典型的概率分布，要求备因素数据与系统特征数据之闻呈线性关 系且各因素之间彼此无关。这种要求往往难以满足。 ( 3 ) 计算量大，一般要靠计算机帮助。 “) 可能出现量化结果与定性分析结果不符的现象，导致系统的关系和规律遭到歪曲和 颠倒。 特别是我国统计数据十分有限，而且现有数据灰度较大，再加上人为的原因，许多数 据都出现几次太起大落，没有什么典型的分布规律。因此采用数理统计方法往往难以奏效。 灰色关联度分析法弥补了采用数理统计方法作系统分析所导致的缺憾。它对样本量的 多少和样本有无规律都同样适用，而且计算量小，十分方便，更不会出现量化结果与定性 2 3 堡堕奎塑塑查变堡堕星鲨堕量堡竺型窒硕士论文 一 ： 分析结果不符的情况。 灰色关联分析的基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧 密。曲线越接近，相应牟列之间的关联度就越大，反之就越小。 4 2 灰色关联模型介绍 定义l 设置为系统因素，其在序号七上的观测数据为t ( 七) ，k = l ，2 ，胛，则称 置= ( t ( 1 ) ，t ( 2 ) ， ( 雄) ) 为因素置的行为序歹f j ； 若后为时间序号，鼍( 后) 为因素置在七时刻的观测数据，则称 五= ( x i ( 1 ) ，t ( 2 ) ，- ，t ( 玎) ) 为因素蕾的幸亍为时间序列； 若七为指标序号t ( 七) 为因素置关于第k 个指标的观测数据，则称 置= ( x ，( 1 ) ，t ( 2 ) ，x a n ) ) 为因素置的行为指标序列： 若未为观测对象序号，t ( 七) 为因素置关于第七个对象奇勺观测数据，则称 。l = ( 一( 1 ) ，t ( 2 ) ，墨( 胛) ) 为因素五的行为横向序列。 定义2 设置= 如g ) ，鼍( 2 ) ，( 拧) ) 为因素五的行为序列，4 为序列算子，且 置q = ( ( 1 ) 瞒，一( 2 ) 4 ，t 印) 4 ) 其中t ( 七) 哦2 五( 足) 一( i ) ；t ( 1 ) o ；k = 1 ，2 ，圩则称d i 为初值化算子，置d 1 为置在初 值化算子d 1 下的慷，简称初值像。 我阿东部十城市环境质量评价与预警研究 硕： 论文 定义3 设置= ( ( 1 ) ，茗，( 2 ) ，t ( ) ) 为因素置韵行为序列，砬为序列算子，且 置嘎= ( x , ( 1 ) d 2 ，x f ( 2 ) d 2 ，( 门) 以) 其中t ( j ) 吐= t ( j ) i ；i = 告t ( 七) ；j | = 1 ，2 ，糟则称d 2 为均值化算子，互岛为 ，| i 甜 置在均值化算子d 2 下的像，简称均值像。 定义4 设置= ( t ( 1 ) ，( 2 ) ，石，) ) 为因素置的行为序歹l j ，b 为序列葬子，且 五d 3 = “( 1 ) 以，薯( 2 ) 以，薯( ) 以) 其中t c七，呜=二言鬻；七=，2，行则称马为区间值化算子，置岛为置 在区间僵化算子职下的像，简称区间值像。 定理1 初值化算子、均值化算子和区间值化算子皆可使系统行为序列无量纲化，且在 数量上归一。 定义5 设蜀= ( 而( 1 ) ，( 2 ) ，( 栉) ) 为系统特征序列，且 置= ( 为( 1 ) ，一( 2 ) ，( 列) ) 置= ( 1 ) ，t ( 2 ) ，( 盯) ) 以= ( ( 1 ) ，靠( 2 ) ，0 ) ) 为相关因素序列t 给定实数r ( ( 丘) ，薯( 七) ) ，若实数 z ( x o ，置) = 鲁宇，( ( 蛾t 7 ： 竹 7 满足： 1 ) 规范性 0 r ( 五，置) l ，y ( 五，z ) = 1 仁墨= 并 我国东部十城市环境质量评价与预警研究 硕士论文 2 ) 整体性 对于蕾，x j x = 以5 = 0 , 1 ，2 ，m ；m 2 ，有： y 伐，) r ( ，x 。) ，i ， 3 ) 偶对称性 对于置，置x ，有r ( 五，x t ) = y ( x j ，置) 甘爿= 置，) 4 ) 接近性 x o ( k ) - x , ( k ) l 越4 、，y 如，( 七) ，( 七) ) 越大 则称，置) 为五与x o 的灰色关联度，r ( x o ( k ) ，体) ) 为置与五在七点的关联系鼗， 并称条件1 、2 、3 、4 为灰色关联四公理。 定理2 设系统行为序列 五= ( x o o ) ，x o ( 2 ) ，而( 聆) ) 墨= “( 1 ) ，( 2 ) ，五( 阼) ) 置= ( ( 1 ) ，毛( 2 ) ，置( 船) ) 疋= ( 靠( 1 ) ，b ( 2 ) ，矗( 撑) ) 对于考 o ) 这样极小型指标就转变成极大型指标了。其次对数据进行 x 无量纲化处理。本文采用“标准化”照理法。 指标值为费时不能直接计算比重，也不能取对数，因此需要对该项指标值作变换，搴 文运用标准化法进幸亍变换。一般嘞的范围在一5 52 _ t 日q ，为消除负值，可将坐标平移， 令 表2 2 0 0 6 年十大城市评价指标原始数耀 城市，指标 南京上拜杭州 苏州广州但门汕叠大连毒岛 宁渡 - _ _ 一_ _ 十_ 一 建成匡绿化覆 盖辜( 鲜) 自然保护区夏 盖睾( ， 圬盆菸绿地 面积( 平方米) 茚4 9 3 7 33 丧1 44 3蝴崩撕5 9 3 6 $ 24 2 03 9 2 3 60 6 1 1 0 51 1 1 1 2 4 39 筇1 0 o t j 1 7 93 0 22# 甜g o 1 3 2t 1 5“5 5t 2 1 2 31 5 o2 9 6 6l o 6 t f sl o t a 集中式饮用术衷潭 9 9 5 39 0“1 9 979 78 19 6 0 21 0 01 0 0 1 0 09 9 地承质选标车( “) j 碾凡颗粒街 o 1 0 9 o 辨o 110 0 90 0 7 60 r 0 7 60 0 6 5 0 0 90 0 9 7o + 0 浓度筚