環(huán)境質量模糊綜合評價指標的賦權方案研究

卜全民,童 星

(1.江蘇警官學院 治安管理系,江蘇 南京 210031;2.南京大學 社會風險與公共危機管理研究中心,江蘇 南京 210093)

隨著世界各國工農業(yè)生產的迅猛發(fā)展,人類生態(tài)環(huán)境日益惡化,人們逐步要求對自己生活的環(huán)境質量有一個綜合定量評價,因此對環(huán)境質量進行定性、定量描述的環(huán)境質量評價方法應運而生[1,2]。雖然環(huán)境質量評價產生的時間不長,但發(fā)展十分迅速。目前主要的環(huán)境質量評價方法包括:指數(shù)評價法、模糊綜合評價法、灰色系統(tǒng)評價法等[3-5]。近年來,環(huán)境質量模糊綜合評價的相關研究成果十分豐富,但使用該評價方法過程中經常涉及到的各評價指標的賦權問題一直未能有效解決[6,7]。由于不同的評價指標賦權方案,直接影響環(huán)境質量評價的結果,因此開展環(huán)境質量模糊綜合評價中各評價指標合理賦權方案的分配問題研究尤重要。在這些眾多的環(huán)境質量評價方法中,本文重點研究應用較為廣泛且具有完整數(shù)理基礎理論的環(huán)境質量模糊綜合評價法。

1 環(huán)境質量模糊綜合評價分析

環(huán)境質量模糊綜合評價建立在查德創(chuàng)立的模糊集理論基礎之上。1965年查德提出的模糊集理論,超越了布爾代數(shù)的范疇,體現(xiàn)了事物由量變到質變的規(guī)律。此后,模糊集理論快速地在各領域擴散應用,給諸多領域提供了一種新的數(shù)學工具和方法。在此形勢下,環(huán)境質量模糊綜合評價法的出現(xiàn)便成為了必然[8-11],其主要內容如下。

(1)明確評價目的。評價環(huán)境質量水平及變化趨勢;查找污染物;為環(huán)境綜合整治和環(huán)境規(guī)劃提供依據(jù)。

(2)選擇適當?shù)脑u價指標。環(huán)境質量評價指標的選取必須科學合理。對確定的環(huán)境質量評價對象而言,評價指標的選取取決于對被評價對象及周圍環(huán)境的認識和了解情況[12-14]。

(3)計算各評價指標的隸屬度。目前不同的環(huán)境質量評價方法和評價人員由于采用的隸屬函數(shù)不同,從而導致評價的結果經常不一致[15,16],故確定隸屬函數(shù)也是一個重要的環(huán)節(jié)。

對某項評價指標按既定的計算方法,計算實測值對該指標指定等級的趨近程度,即:所有評價指標都以其污染最嚴重等級的標準濃度Cc為基準,計算實測值C的相對濃度x

x=C/Cc

(1)

并按式(2)計算該評價指標的隸屬度μ

(2)

(4)權重分配。環(huán)境質量模糊綜合評價是依照一定的權重分配方案獲得的環(huán)境質量綜合評價結果,即在確定各評價指標權重和加權處理的基礎上獲取的評價結果[17-19]。因此權重的分配在環(huán)境質量評價中有著極其重要的作用,不同的賦權方案會得出不同的評價結果,它直接影響到環(huán)境質量評價的科學性與合理性。

權重分配的前提是確定各評價指標的賦權方案,且權重必須歸一,如:對n個評價指標,若評價指標i的隸屬度與分形維數(shù)分別是μi及Di,則權重向量w′=(μ1D1,μ2D2,…,μnDn),歸一化后,w′=(μ1D1/∑μD,μ2D2/∑μD,…,μnDn/∑μD)。

(5)選定評價計算方法。矩陣合成運算算子采用M(∧,∨)算子。若評價指標數(shù)為m,評價指標i的隸屬度及權重分別為μi及wi,則評價值Z可按下列公式之一計算

Z=X·W

(3)

(4)

式中:X=[μ1,μ2,…,μm]為隸屬度向量,W=[w1,w2,…,wm]為權重向量。

上述是實測值對國家標準的某一等級計算評價的方法。若國家標準中共有n個等級,對第i等級算出的評價值為Zi,且

Zi=max(Z1,Z2,…,Zn)

(5)

則綜合評價結論是屬于i級。

(6)確定評價結論。計算環(huán)境質量模糊綜合評價指數(shù)Z的分級見表1。

表1 環(huán)境質量模糊綜合評價指數(shù)Z分級表

2 常用的環(huán)境質量評價的賦權方案

環(huán)境質量評價指標的賦權方案反映了各指標的相對重要性或貢獻率大小,因此賦權方案的確定是環(huán)境質量評價工作極其重要的內容之一[20-22]。不同的環(huán)境質量評價方法的權重分配方案不同,不同評價方法的權重分配方案可歸納為3類,即主觀法、標準值法及實測值與標準值結合法[15,23,24]。

主觀法又稱專家評價法,適用于在沒有任何標準的情況下由若干專家議定權重分配;標準值法適用于有相應國家標準的環(huán)境質量評價,權重分配取決于國家標準;實測值與標準值結合法亦適用于有國家標準的環(huán)境質量評價,與標準值法的不同點在于它不僅依賴國家標準,亦取決于其實測值。

目前,在環(huán)境質量評價中廣泛使用的是實測值與標準值結合法,其中,最有代表性的是污染貢獻率法與廣義對比加權法。

污染貢獻率法強調“污染愈嚴重,權重愈高”[25,26]。若第i項污染物實測值為Ci,該評價指標的國家標準中某等級的標準濃度為CC,i,令該評價指標的危害分指數(shù)xi=Ci/CC,i,則對m項評價指標來說,第i項評價指標的權重為

(6)

廣義對比加權法同樣引入了危害分指數(shù)xi的概念,但稱之為質量分指數(shù),則該方法的權重計算式為

(7)

式中:P為可調的常數(shù),P≤1。

該方法規(guī)定:xi=0.5時,wi=0.5。當取P=1時,式(5)便退化為wi=xi,wi經歸一后與污染貢獻率法相同,可見廣義對比加權法比污染貢獻率法更靈活。

3 環(huán)境質量模糊綜合評價的賦權方案改進

確定科學、合理的評價指標賦權方案是科學合理環(huán)境質量綜合評價的重要前提和基礎,環(huán)境質量綜合評價指標賦權方案是否合理,直接關系到環(huán)境質量綜合評價結果的可信度。指標權重分配一般都采用污染嚴重的指標權重大的原則,但同樣在此原則下,wi-xi關系曲線仍有直線型與曲線型之分。為此,本文提出了賦權改進方案。

3.1 直線型賦權方案

權數(shù)分配當前使用最為廣泛的是wi-xi直線型賦權法,直線型賦權如圖1所示。

圖1 直線型wi-xi分布

該賦權法中各評價指標的權重分配完全取決于各評價指標的危害分指數(shù)xi,因此該賦權法的客觀性強,與主觀因素無關,如:污染貢獻率法就是采用直線型賦權法分配權重。該賦權法的缺點是有均衡化色彩,綜合評價結論受評價指標選擇的影響較大。對于直線型賦權方案的缺陷,可利用下面的例子說明。

設某湖水含汞量嚴重超標,但其他評價指標污染都很輕微,實際上此湖水水質為劣,不能飲用。但若采用直線型wi-xi分布原則,正常評價指標選得愈多,評價指標汞的權重就愈低,汞污染的嚴重性就會被沖淡,甚至出現(xiàn)水質較好的評價結論。這說明直線型賦權方案存在各評價指標均衡化的問題,不能突出主要污染指標,因此在環(huán)境質量評價過程中各評價指標的權重分配應加入主觀因素,以突出主要污染指標的制約作用。

3.2 曲線型賦權方案

目前最有代表性的曲線型wi-xi分布是廣義對比加權法,該方法的曲線型賦權方案如圖2所示。

圖2 反S線型wi-xi分布

該賦權法的wi-xi分布規(guī)律系在直線分布的基礎上引入主觀因素,令污染輕者權重比按直線規(guī)則算出的大,污染重者權重比按直線規(guī)則算出的小,因而呈反S形。

若仍以上例某湖水汞含量嚴重超標,但其他評價指標均正常為例,該湖水由于汞含量嚴重超標,本應一票否決為環(huán)境質量評價為劣的水質,可能會因評價指標汞的權重減小而許多正常評價指標權重的增大而減輕了問題的嚴重性。

3.3 賦權方案的改進

基于以上研究分析,本文提出wi-xi關系改為正S形規(guī)律,這樣突出了污染重的主要污染指標,結論與實際環(huán)境質量狀況比較一致,并由于污染輕的評價指標對綜合評價結論的貢獻削弱,故環(huán)境質量模糊綜合評價的結論比較穩(wěn)定,受不同評價指標選擇的影響減小。其實施方法只需在廣義對比加權法的數(shù)學模型基礎上,令P≥1即可。

對某項評價指標可定義wi=0.50時的xi值為xi,50,并稱xi,50為評價指標i的臨界相對濃度。在廣義對比加權法中xi,50規(guī)定為0.50,為一個與評價指標無關的恒值,但研究設定xi,50是可調的,可在[0,1]范圍內取值。對某項評價指標i,若xi,50值定得高,使xi在小于xi,50的較大范圍內權重處于低值,只有當xi值大于xi,50值時才增加其權重,以表明環(huán)境質量綜合評價的人員主觀上對該評價指標不予重視,反之亦然。依據(jù)本文提出的權重分配方案對應評價指標i的數(shù)學模型為

(8)

在P值選定后,式中常數(shù)A及B可根據(jù)xi=xi,50時,wi=0.50求取。

例如,取P=2,xi,50=0.70,式(6)即改變?yōu)?/p>

(9)

P值大小可控制S形曲線與直線的偏離度,式(9)的圖形如圖3所示。

圖3 可調xi,50的正S形wi-xi曲線

不同的賦權方案可以得到同一項評價指標不同的權重,本文提出的改進賦權方案體現(xiàn)在于:把污染重的指標權重取得高,就是環(huán)境質量評價從嚴的體現(xiàn)。如果做法相反,污染重的權重低,污染輕的權重大,則矛盾被掩蓋,違背了環(huán)境質量評價的宗旨,故改進后的賦權方案更符合環(huán)境質量評價的目的。

4 結束語

環(huán)境質量模糊綜合評價的賦權方案決定了各評價指標的權重,直接影響到環(huán)境質量綜合評價的計算結果及評價結論。在分析直線與反S線型關系曲線的基礎上,按污染嚴重的指標權重大原則,本文提出了一種包含可調常數(shù)及臨界相對濃度兩個可調變量的改進型正S曲線關系,使之能表達環(huán)境質量綜合評價者對各項評價指標的不同重視程度。改進的賦權方案由于采用了正線型的賦權方法來處理各評價指標的權重值,突出了主要污染指標的污染狀況及對人體健康的影響,因此可以充分地利用已知信息,經合理賦權,克服均衡化對主要污染指標權重的影響,削弱了污染輕的評價指標對綜合評價結論的影響,使得環(huán)境質量模糊綜合評價的結論穩(wěn)定可靠,受評價指標選擇的影響減小,從而得出更科學、合理的環(huán)境質量模糊綜合評價結論。