基于熵值法的污染源區(qū)域排污量評價模型研究

吳銘程 ，鐵治欣 ，丁成富 ，崔仕文

( 1.浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，杭州 310018； 2.聚光科技(杭州)股份有限公司，杭州 310052)

基于熵值法的污染源區(qū)域排污量評價模型研究

吳銘程1，鐵治欣1，丁成富2，崔仕文1

( 1.浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，杭州 310018； 2.聚光科技(杭州)股份有限公司，杭州 310052)

文章采用熵值法客觀賦權(quán)的方式，以省或市轄區(qū)內(nèi)的不同行政區(qū)域為待評行政區(qū)域，以待評行政區(qū)域內(nèi)污染源企業(yè)日常排放的主要污染物為評價指標(biāo)，設(shè)計了一個基于熵值法的污染源區(qū)域排污量評價模型。應(yīng)用該模型對2014年某市轄區(qū)內(nèi)各行政區(qū)域的6種主要污染物排放量進(jìn)行評價分析，得出各行政區(qū)域的排污排名，該市將排名靠前的行政區(qū)域視為2015年重點減排區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)域減排治理，取得了較好的治理效果。該模型為該市實現(xiàn)主要污染物總量減排目標(biāo)提供有力的技術(shù)支持。

熵值法；區(qū)域排污量；主要污染源區(qū)域；總量減排

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和區(qū)域開發(fā)強度的不斷加大，環(huán)境污染形勢日益嚴(yán)峻，國家對環(huán)境保護(hù)、污染物排污治理和污染物總量減排等方面越來越重視。國務(wù)院辦公廳關(guān)于印發(fā)2014-2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動方案的通知[1]中明確提出了2014-2015年的工作目標(biāo)是化學(xué)需氧量、二氧化硫、氨氮、氮氧化物等污染物排放量分別逐年下降2%、2%、2%、5%以上。如何更好地分析污染源企業(yè)排污情況，控制污染源企業(yè)的排污總量是目前亟待解決的重要問題。目前國家在環(huán)保領(lǐng)域的監(jiān)測治理手段有限，大部分省市級環(huán)保部門的污染源監(jiān)控中心管理平臺只能實現(xiàn)對單個污染源企業(yè)的簡單評價分析或警告功能，對于通過行政區(qū)域進(jìn)行排污量評價分析的研究較少。楊雪景[2]設(shè)計的城市區(qū)域污染源(水質(zhì))在線監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對不同區(qū)域的污水處理廠及部分水源加入視頻監(jiān)控功能進(jìn)行在線監(jiān)控；余輝等[3]設(shè)計了區(qū)域惡臭在線監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了參數(shù)調(diào)整、超限報警和分級采樣等功能，為研究惡臭擴散模型提供了依據(jù)。如何對不同行政區(qū)域的排污量進(jìn)行評價，明確各個行政區(qū)域的排污排名次序，指出排污量過高的行政區(qū)域，提前制定相應(yīng)的區(qū)域減排治理措施，對實現(xiàn)省市級總量減排目標(biāo)具有重要的意義。

熵值法是利用評價指標(biāo)的固有信息來判別指標(biāo)的效用價值，已得到廣泛的應(yīng)用。目前熵值法的應(yīng)用領(lǐng)域大致可分為如下幾類：a)環(huán)保領(lǐng)域。如劉慧卿等[4]將熵值法與屬性識別模型相結(jié)合，建立基于熵權(quán)的屬性識別模型來評價空氣質(zhì)量，避免了人為主觀確定權(quán)重的隨意性而使評價結(jié)果產(chǎn)生偏差；鄭志宏等[5]將熵值法與集對分析法相結(jié)合進(jìn)行水質(zhì)綜合評價，有效地解決了水質(zhì)評價中賦權(quán)問題，并與灰色關(guān)聯(lián)法得到的評價結(jié)果相比較，驗證了熵值法與集對分析法相結(jié)合的可行性；Zou等[6]將熵值法應(yīng)用于模糊綜合評價方法中，對水質(zhì)進(jìn)行評價，實驗結(jié)果表明，通過熵值法評價水質(zhì)質(zhì)量十分有效。b)金融領(lǐng)域。如肖振宇[7]運用熵值法對1980-2006年我國銀行體系的穩(wěn)定性程度進(jìn)行研究，為我國銀行體系脆弱性的監(jiān)管決策提供一定的有益參考；許祎航[8]將熵值法與功效系數(shù)法相結(jié)合，從盈利能力、營運能力、償債能力、發(fā)展能力4個方面構(gòu)建了一套財務(wù)風(fēng)險預(yù)警體系，對太龍藥業(yè)財務(wù)風(fēng)險的預(yù)測與防范具有一定指導(dǎo)作用。c)城市領(lǐng)域。如李嘉等[9]運用熵值法研究城市人才吸引力和房地產(chǎn)泡沫之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明，兩者之間存在因果關(guān)系，通過現(xiàn)階段對城市人才吸引力的判斷，可預(yù)測未來城市房地產(chǎn)泡沫水平的變動情況；洪兆平[10]將因子分析法和改進(jìn)的熵值法相結(jié)合，并運用 Kendall協(xié)調(diào)系數(shù)W檢驗對兩種方法的一致性進(jìn)行檢驗，得出江蘇省13個地級市的城市競爭力排行。d)工程領(lǐng)域。如Qiu[11]將熵值法應(yīng)用于信息工程管理領(lǐng)域，將信息理論和決策理論有效結(jié)合，為多因素決策提供支持；李龍等[12]建立了熵值法與多層次灰色評價方法相結(jié)合的地鐵工程項目管理績效評價模型，對某大型地鐵工程項目管理績效進(jìn)行評價并驗證了該評價方法的可行性。

本文設(shè)計了一個基于熵值法的污染源區(qū)域排污量評價模型，以省或市管轄的不同行政區(qū)域為排污量評估區(qū)域，以環(huán)保部門監(jiān)管的污染源企業(yè)日常監(jiān)測的主要污染物為評價指標(biāo)，用本文設(shè)計的污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)中日常監(jiān)測到的各個待評行政區(qū)域排放的主要污染物的真實監(jiān)測數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)樣本，對各個行政區(qū)域的排污情況進(jìn)行評價分析，對各個待評行政區(qū)域的排污量評價值進(jìn)行先后排序，為省市級環(huán)保部門和相關(guān)行政區(qū)域進(jìn)行決策分析和制定相關(guān)減排治理措施提供決策依據(jù)。

1 熵值法的基本原理

熵原本是熱力學(xué)概念，最先由香農(nóng)( Shannon C E)引入信息論，現(xiàn)已在工程技術(shù)、社會經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域得到十分廣泛的應(yīng)用。熵是系統(tǒng)狀態(tài)不確定性的一種度量。應(yīng)用熵可以度量評價指標(biāo)體系中指標(biāo)數(shù)據(jù)所蘊含的信息量，并依此確定各指標(biāo)的權(quán)重。

假設(shè)有m個評估方案，n個評價指標(biāo)，這樣就形成了一個數(shù)據(jù)矩陣X，如式(1)所示。式中，xij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)表示第i個評估方案的第j個評價指標(biāo)的指標(biāo)值。對于某項評價指標(biāo)j，指標(biāo)值xij(i=1,2,…,m)的差距越大，則該指標(biāo)在綜合評價中所起的作用越大，反之，則作用越小。如果所有評估方案中的某項指標(biāo)的指標(biāo)值均相等，則該指標(biāo)在綜合評價中不起作用。

(1)

在信息論中，用信息熵H(x)來判斷系統(tǒng)的無序程度，如式(2)所示。

(2)

式(2)中：p(xi)表示xi指標(biāo)對應(yīng)評估方案的概率。信息熵與信息兩者絕對值相等，符號相反。根據(jù)此性質(zhì)，可以由多目決策評價中各待評方案的固有信息計算出各方案基于熵的相對異性量化評價指數(shù)，從而依此做出對各方案的評價。

熵值法(entropy method)根據(jù)各個指標(biāo)的變異程度來確定指標(biāo)權(quán)數(shù)，是一種客觀賦權(quán)法。其客觀性很好地避免了人為的隨意性而造成的賦權(quán)偏差。在系統(tǒng)論中，信息量越大，不確定性就越小，熵也就越小，說明系統(tǒng)有序；反之，熵就越大，系統(tǒng)混亂。根據(jù)這一特性，可以用熵值來判斷某個指標(biāo)的離散程度，指標(biāo)的離散程度越大，該指標(biāo)對評價結(jié)果的影響越大。

2 污染源區(qū)域排污量評價模型

2.1 模型構(gòu)建

根據(jù)熵值法的基本原理，以省或市轄區(qū)內(nèi)的不同行政區(qū)域為排污量評估區(qū)域，以環(huán)保部門對污染源企業(yè)日常監(jiān)測的主要污染物(如化學(xué)需氧量、氨氮、污水、煙塵、二氧化硫和氮氧化物等)為評價指標(biāo)，對各個待評行政區(qū)域進(jìn)行排污量評價分析，建立基于熵值法的區(qū)域排污量評價模型。設(shè)待評行政區(qū)域為m個，評價指標(biāo)為n個，則污染源區(qū)域排污量評價模型就如式(3)所示。

(3)式(3)中：si表示第i個待評行政區(qū)域的評價值，si值越大，表示該待評行政區(qū)域的排污量較大，產(chǎn)生的污染較嚴(yán)重，視為重點減排區(qū)域，需要重點關(guān)注其排污狀況；ωj是通過熵值法賦權(quán)獲得的各個污染物的權(quán)重；pij是熵值法賦權(quán)過程中得到的第j個污染物在第i個待評行政區(qū)域的值占該污染物總和的比重。

2.2 模型計算步驟

2.2.1 原始數(shù)據(jù)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化處理

根據(jù)在各個待評行政區(qū)域中對污染源企業(yè)日常監(jiān)測的主要污染物的排放量數(shù)據(jù)，建立原始污染物排放量數(shù)據(jù)矩陣Y，如式(4)所示。原始數(shù)據(jù)矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化處理是進(jìn)行熵值法賦權(quán)的第一步，由于在熵值法賦權(quán)的計算過程中會用到和對數(shù)相關(guān)的公式，因此負(fù)數(shù)和0值不能參與計算。本文采用式(5)對原始污染物排放量數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。

式(5)中：yij表示第i個待評行政區(qū)域第j個污染物的排放量；yHj表示所有待評行政區(qū)域的第j個污染物排放量的最大值，如式(6)所示；yLj表示所有待評行政區(qū)域的第j個污染物排放量的最小值，如式(7)所示。為避免在計算熵值時出現(xiàn)對數(shù)運算的無意義現(xiàn)象，令常數(shù)a=1，即平移一個單位，此時xij的范圍為[1,2]。這樣就得到了標(biāo)準(zhǔn)化處理后的污染物排放量數(shù)據(jù)矩陣X，如式(1)所示。

(4)

(5)

yHj=max(y1j,y2j,…,ymj)

(6)

yLj=min(y1j,y2j,…,ymj)

(7)

2.2.2 計算比重矩陣

對標(biāo)準(zhǔn)化處理后的污染物排放量數(shù)據(jù)矩陣X，計算第j個污染物在第i個待評行政區(qū)域的值占該污染物總和的比重pij，如式(8)所示。各個待評行政區(qū)域的各個污染物比重組成了比重矩陣P，如式(9)所示。

(8)

(9)

2.2.3 計算熵值

根據(jù)比重矩陣求得各個污染物的熵值ej，如式(10)所示。式中，常數(shù)k與待評行政區(qū)域個數(shù)m有關(guān)。為計算方便起見，一般令k=1/lnm，則有0≤ej≤1。

(10)

2.2.4 計算差異性系數(shù)

根據(jù)各個污染物的熵值ej計算第j個污染物的差異性系數(shù)gj，如式(11)所示。差異性系數(shù)gj越大則表示污染物排放量xij在污染源區(qū)域排污量綜合評價中所起的重要性就越大，最終獲取的權(quán)重也就越大。

gj=1-ej

(11)

2.2.5 計算權(quán)重

根據(jù)差異性系數(shù)gj即可求出各個污染物的權(quán)重ωj，如式(12)所示。權(quán)重的大小反映了該污染物的產(chǎn)污力度。

(12)

2.2.6 計算評價值

根據(jù)各個污染物的權(quán)重ωj和第j個污染物在第i個待評行政區(qū)域的值占該污染物總和的比重pij求得各個待評行政區(qū)域的評價值si，如式(3)所示。

3 應(yīng)用實例

污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)是我們研發(fā)的一套將在線監(jiān)控技術(shù)與信息化技術(shù)相結(jié)合的現(xiàn)代污染源監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對省或市轄區(qū)內(nèi)污染源企業(yè)排污的實時在線監(jiān)測，同時具備斷線報警、超標(biāo)預(yù)警、遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享等功能，使環(huán)保部門能及時、準(zhǔn)確、全面地了解省或市轄區(qū)內(nèi)的環(huán)境污染狀況，為環(huán)境監(jiān)管、污染評價、行政審批、總量分析、排污申報、環(huán)境治理、行政執(zhí)法與決策提供有力支持。目前該系統(tǒng)已在多個省市級環(huán)保部門得到應(yīng)用。

本例以某市2014年污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)中日常監(jiān)測到的污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)樣本，如表1所示。以化學(xué)需氧量、氨氮、污水、煙塵、二氧化硫和氮氧化物6種主要監(jiān)測的污染物為評價指標(biāo)，以該市內(nèi)的10個行政區(qū)域為待評行政區(qū)域進(jìn)行2014年該市污染源區(qū)域排污量評價分析。

表1 各行政域2014年各污染物排放量 t

由式(5)對表1構(gòu)成的原始污染物排放量數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到污染物排放量數(shù)據(jù)矩陣X，如式(13)所示。根據(jù)污染物排放量數(shù)據(jù)矩陣X和式(8)，求得比重矩陣P，如式(14)所示。接著，根據(jù)比重矩陣P和式(10)，求得各個污染物的熵值ej，如表2所示。再根據(jù)表2中的熵值和式(11)，求得各個污染物的差異性系數(shù)gj，如表3所示。再根據(jù)表3中各污染物的差異性系數(shù)和式(12)，求得各個污染物的權(quán)重ωj，如表4所示。

(13)

(14)

表2 各污染物的熵值

表3 各污染物的差異性系數(shù)

表4 各污染物的權(quán)重

最后，根據(jù)上述求得的各個污染物的權(quán)重wj和比重矩陣P，由式(3)求得10個行政區(qū)域的排污量評價值，如表5所示。10個行政區(qū)域排污排名由前到后分別為行政區(qū)域8、行政區(qū)域6、行政區(qū)域10、行政區(qū)域3、行政區(qū)域5、行政區(qū)域2、行政區(qū)域1、行政區(qū)域7、行政區(qū)域4和行政區(qū)域9。排名靠前的行政區(qū)域8和行政區(qū)域6視為該市2015年重點減排區(qū)域，需要環(huán)保部門決策人員特別重視，及時制定相關(guān)區(qū)域減排治理措施，制止該區(qū)域排污上升的勢頭。通過對各個行政區(qū)域的排污量評價分析，有效地控制了該市2015年重點減排區(qū)域截止目前為

表5 各行政區(qū)域排污量評價值和排污排名

止的排污產(chǎn)量，污染源企業(yè)偷排漏排現(xiàn)象也逐漸減少了。由此可見，污染源區(qū)域排污量評價模型為污染源企業(yè)排污監(jiān)督起到了一定的指導(dǎo)作用，為環(huán)保決策人員提供了良好的減排分析渠道，對實現(xiàn)總量減排目標(biāo)具有非常重要的意義。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一個污染源區(qū)域排污量評價模型，通過熵值法客觀賦權(quán)的方式，為環(huán)保部門監(jiān)管的污染源企業(yè)日常監(jiān)測的主要污染物賦權(quán)，用于評價各個行政區(qū)域的排污情況。通過以某市2014年化學(xué)需氧量、氨氮、污水、煙塵、二氧化硫和氮氧化物6種主要污染物的年排放量為數(shù)據(jù)樣本，分析評價了該市環(huán)保部門監(jiān)管的10個行政區(qū)域的排污情況，將排名靠前的行政區(qū)域在2015年作為重點減排區(qū)域進(jìn)行減排治理，取得了較好的減排效果。將污染源區(qū)域排污量評價模型用于環(huán)保部門決策分析，有效控制環(huán)保部門監(jiān)控區(qū)域下的排污上升趨勢，為決策人員的決策和環(huán)境保護(hù)提供了有力的支持。

[1] 國務(wù)院辦公廳.國務(wù)院辦公廳關(guān)于印發(fā)2014—2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動方案的通知[EB/OL].[2014-05-26].http://www.gov.cn/zhengce/content/2014-05/26/content_8824.htm.

[2] 楊雪景.城市區(qū)域污染源(水質(zhì))在線監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].武漢:湖北工業(yè)大學(xué),2011.

[3] 余輝,李金航,王元剛.區(qū)域惡臭在線監(jiān)控平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用,2013,33(7):2071-2073.

[4] 劉慧卿,張先起.空氣質(zhì)量綜合評價的基于熵權(quán)的屬性識別模型[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2008,31(7):141-143.

[5] 鄭志宏,魏明華.基于熵值法的改進(jìn)集對分析水質(zhì)模糊評價[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,41(2):136-139.

[6] ZOU Z H, YI Y, SUN J N. Entropy method for determination of weight of evaluating indicators in fuzzy synthetic evaluation for water quality assessment[J]. Journal of Environmental Sciences,2006,18(5):1020-1023.

[7] 肖振宇.基于熵值法我國銀行體系脆弱性的評價[J].華東經(jīng)濟(jì)管理,2008,22(11):78-84.

[8] 許祎航.基于熵值法與功效系數(shù)法的太龍藥業(yè)財務(wù)風(fēng)險預(yù)警研究[D].長沙:湖南大學(xué),2014.

[9] 李嘉,劉渝渝.基于熵值法的城市人才吸引力與房地產(chǎn)泡沫相關(guān)性的實證研究[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2013,15(4):82-89.

[10] 洪兆平.基于因子分析法和改進(jìn)熵值法的城市競爭力綜合評價研究：以江蘇省為例[J].科技管理研究,2012,32(21):47-50.

[11] QIU W H. Multi--factors decision-making entropy method and its application in engineering management[J]. Engineering Sciences,2010,8(4):74-79.

[12] 李龍,趙金先,李帆.基于熵法與灰色理論的地鐵工程項目管理績效評價[J].青島理工大學(xué)學(xué)報,2014(3):50-55.

Research on Pollution Emission Evaluation Capacity Model for Pollution Source Area Based on Entropy Method

WUMingcheng1，TIEZhixin1，DINGChengfu2，CUIShiwen1

(1.School of Information Science and Technology, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018,China; 2.Focused Photonics (Hangzhou) Co., Ltd., Hangzhou 310052, China)

A pollution emission evaluation capacity model for pollution source area based on entropy method is designed by adopting objective empowerment of entropy method, taking different administrative area in the province or municipal district as the administrative region to be evaluated and regarding main pollutants discharged by pollution source enterprises in the administrative region to be evaluated. The model is employed to analyze the total emission amount of six kinds of major pollutants in each administrative region in a city in 2014, and pollution ranking of each administration region is gained. The top-ranking administrative regions are regarded as the key pollutant emission areas in 2015 where the pollution emissions should be strictly controlled, and a better effect of governance is achieved. The model provides strong technical analysis support for the city to achieve total emission reduction objective of major pollutants.

entropy method; regional emission capacity; key pollution source area; total emission reduction

陳和榜)

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.07.023

2015-09-14

國家自然科學(xué)基金項目(61379036)；浙江省自然科學(xué)基金項目(LY13F020043)；浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項目(2014C31G2060072)

吳銘程(1990-)，男，江蘇蘇州人，碩士研究生，主要從事環(huán)保軟件研發(fā)方面的研究。

鐵治欣，E-mail:tiezx@zstu.edu.cn

TP311

A

1673- 3851 (2016) 04- 0615- 05 引用頁碼： 070603