环境质量模糊综合评价指标的赋权方案研究

卜全民,童 星

(1.江苏警官学院 治安管理系,江苏 南京 210031;2.南京大学 社会风险与公共危机管理研究中心,江苏 南京 210093)

随着世界各国工农业生产的迅猛发展,人类生态环境日益恶化,人们逐步要求对自己生活的环境质量有一个综合定量评价,因此对环境质量进行定性、定量描述的环境质量评价方法应运而生[1,2]。虽然环境质量评价产生的时间不长,但发展十分迅速。目前主要的环境质量评价方法包括:指数评价法、模糊综合评价法、灰色系统评价法等[3-5]。近年来,环境质量模糊综合评价的相关研究成果十分丰富,但使用该评价方法过程中经常涉及到的各评价指标的赋权问题一直未能有效解决[6,7]。由于不同的评价指标赋权方案,直接影响环境质量评价的结果,因此开展环境质量模糊综合评价中各评价指标合理赋权方案的分配问题研究尤重要。在这些众多的环境质量评价方法中,本文重点研究应用较为广泛且具有完整数理基础理论的环境质量模糊综合评价法。

1 环境质量模糊综合评价分析

环境质量模糊综合评价建立在查德创立的模糊集理论基础之上。1965年查德提出的模糊集理论,超越了布尔代数的范畴,体现了事物由量变到质变的规律。此后,模糊集理论快速地在各领域扩散应用,给诸多领域提供了一种新的数学工具和方法。在此形势下,环境质量模糊综合评价法的出现便成为了必然[8-11],其主要内容如下。

(1)明确评价目的。评价环境质量水平及变化趋势;查找污染物;为环境综合整治和环境规划提供依据。

(2)选择适当的评价指标。环境质量评价指标的选取必须科学合理。对确定的环境质量评价对象而言,评价指标的选取取决于对被评价对象及周围环境的认识和了解情况[12-14]。

(3)计算各评价指标的隶属度。目前不同的环境质量评价方法和评价人员由于采用的隶属函数不同,从而导致评价的结果经常不一致[15,16],故确定隶属函数也是一个重要的环节。

对某项评价指标按既定的计算方法,计算实测值对该指标指定等级的趋近程度,即:所有评价指标都以其污染最严重等级的标准浓度Cc为基准,计算实测值C的相对浓度x

x=C/Cc

(1)

并按式(2)计算该评价指标的隶属度μ

(2)

(4)权重分配。环境质量模糊综合评价是依照一定的权重分配方案获得的环境质量综合评价结果,即在确定各评价指标权重和加权处理的基础上获取的评价结果[17-19]。因此权重的分配在环境质量评价中有着极其重要的作用,不同的赋权方案会得出不同的评价结果,它直接影响到环境质量评价的科学性与合理性。

权重分配的前提是确定各评价指标的赋权方案,且权重必须归一,如:对n个评价指标,若评价指标i的隶属度与分形维数分别是μi及Di,则权重向量w′=(μ1D1,μ2D2,…,μnDn),归一化后,w′=(μ1D1/∑μD,μ2D2/∑μD,…,μnDn/∑μD)。

(5)选定评价计算方法。矩阵合成运算算子采用M(∧,∨)算子。若评价指标数为m,评价指标i的隶属度及权重分别为μi及wi,则评价值Z可按下列公式之一计算

Z=X·W

(3)

(4)

式中:X=[μ1,μ2,…,μm]为隶属度向量,W=[w1,w2,…,wm]为权重向量。

上述是实测值对国家标准的某一等级计算评价的方法。若国家标准中共有n个等级,对第i等级算出的评价值为Zi,且

Zi=max(Z1,Z2,…,Zn)

(5)

则综合评价结论是属于i级。

(6)确定评价结论。计算环境质量模糊综合评价指数Z的分级见表1。

表1 环境质量模糊综合评价指数Z分级表

2 常用的环境质量评价的赋权方案

环境质量评价指标的赋权方案反映了各指标的相对重要性或贡献率大小,因此赋权方案的确定是环境质量评价工作极其重要的内容之一[20-22]。不同的环境质量评价方法的权重分配方案不同,不同评价方法的权重分配方案可归纳为3类,即主观法、标准值法及实测值与标准值结合法[15,23,24]。

主观法又称专家评价法,适用于在没有任何标准的情况下由若干专家议定权重分配;标准值法适用于有相应国家标准的环境质量评价,权重分配取决于国家标准;实测值与标准值结合法亦适用于有国家标准的环境质量评价,与标准值法的不同点在于它不仅依赖国家标准,亦取决于其实测值。

目前,在环境质量评价中广泛使用的是实测值与标准值结合法,其中,最有代表性的是污染贡献率法与广义对比加权法。

污染贡献率法强调“污染愈严重,权重愈高”[25,26]。若第i项污染物实测值为Ci,该评价指标的国家标准中某等级的标准浓度为CC,i,令该评价指标的危害分指数xi=Ci/CC,i,则对m项评价指标来说,第i项评价指标的权重为

(6)

广义对比加权法同样引入了危害分指数xi的概念,但称之为质量分指数,则该方法的权重计算式为

(7)

式中:P为可调的常数,P≤1。

该方法规定:xi=0.5时,wi=0.5。当取P=1时,式(5)便退化为wi=xi,wi经归一后与污染贡献率法相同,可见广义对比加权法比污染贡献率法更灵活。

3 环境质量模糊综合评价的赋权方案改进

确定科学、合理的评价指标赋权方案是科学合理环境质量综合评价的重要前提和基础,环境质量综合评价指标赋权方案是否合理,直接关系到环境质量综合评价结果的可信度。指标权重分配一般都采用污染严重的指标权重大的原则,但同样在此原则下,wi-xi关系曲线仍有直线型与曲线型之分。为此,本文提出了赋权改进方案。

3.1 直线型赋权方案

权数分配当前使用最为广泛的是wi-xi直线型赋权法,直线型赋权如图1所示。

图1 直线型wi-xi分布

该赋权法中各评价指标的权重分配完全取决于各评价指标的危害分指数xi,因此该赋权法的客观性强,与主观因素无关,如:污染贡献率法就是采用直线型赋权法分配权重。该赋权法的缺点是有均衡化色彩,综合评价结论受评价指标选择的影响较大。对于直线型赋权方案的缺陷,可利用下面的例子说明。

设某湖水含汞量严重超标,但其他评价指标污染都很轻微,实际上此湖水水质为劣,不能饮用。但若采用直线型wi-xi分布原则,正常评价指标选得愈多,评价指标汞的权重就愈低,汞污染的严重性就会被冲淡,甚至出现水质较好的评价结论。这说明直线型赋权方案存在各评价指标均衡化的问题,不能突出主要污染指标,因此在环境质量评价过程中各评价指标的权重分配应加入主观因素,以突出主要污染指标的制约作用。

3.2 曲线型赋权方案

目前最有代表性的曲线型wi-xi分布是广义对比加权法,该方法的曲线型赋权方案如图2所示。

图2 反S线型wi-xi分布

该赋权法的wi-xi分布规律系在直线分布的基础上引入主观因素,令污染轻者权重比按直线规则算出的大,污染重者权重比按直线规则算出的小,因而呈反S形。

若仍以上例某湖水汞含量严重超标,但其他评价指标均正常为例,该湖水由于汞含量严重超标,本应一票否决为环境质量评价为劣的水质,可能会因评价指标汞的权重减小而许多正常评价指标权重的增大而减轻了问题的严重性。

3.3 赋权方案的改进

基于以上研究分析,本文提出wi-xi关系改为正S形规律,这样突出了污染重的主要污染指标,结论与实际环境质量状况比较一致,并由于污染轻的评价指标对综合评价结论的贡献削弱,故环境质量模糊综合评价的结论比较稳定,受不同评价指标选择的影响减小。其实施方法只需在广义对比加权法的数学模型基础上,令P≥1即可。

对某项评价指标可定义wi=0.50时的xi值为xi,50,并称xi,50为评价指标i的临界相对浓度。在广义对比加权法中xi,50规定为0.50,为一个与评价指标无关的恒值,但研究设定xi,50是可调的,可在[0,1]范围内取值。对某项评价指标i,若xi,50值定得高,使xi在小于xi,50的较大范围内权重处于低值,只有当xi值大于xi,50值时才增加其权重,以表明环境质量综合评价的人员主观上对该评价指标不予重视,反之亦然。依据本文提出的权重分配方案对应评价指标i的数学模型为

(8)

在P值选定后,式中常数A及B可根据xi=xi,50时,wi=0.50求取。

例如,取P=2,xi,50=0.70,式(6)即改变为

(9)

P值大小可控制S形曲线与直线的偏离度,式(9)的图形如图3所示。

图3 可调xi,50的正S形wi-xi曲线

不同的赋权方案可以得到同一项评价指标不同的权重,本文提出的改进赋权方案体现在于:把污染重的指标权重取得高,就是环境质量评价从严的体现。如果做法相反,污染重的权重低,污染轻的权重大,则矛盾被掩盖,违背了环境质量评价的宗旨,故改进后的赋权方案更符合环境质量评价的目的。

4 结束语

环境质量模糊综合评价的赋权方案决定了各评价指标的权重,直接影响到环境质量综合评价的计算结果及评价结论。在分析直线与反S线型关系曲线的基础上,按污染严重的指标权重大原则,本文提出了一种包含可调常数及临界相对浓度两个可调变量的改进型正S曲线关系,使之能表达环境质量综合评价者对各项评价指标的不同重视程度。改进的赋权方案由于采用了正线型的赋权方法来处理各评价指标的权重值,突出了主要污染指标的污染状况及对人体健康的影响,因此可以充分地利用已知信息,经合理赋权,克服均衡化对主要污染指标权重的影响,削弱了污染轻的评价指标对综合评价结论的影响,使得环境质量模糊综合评价的结论稳定可靠,受评价指标选择的影响减小,从而得出更科学、合理的环境质量模糊综合评价结论。