邵 磊 陳 郁 張樹(shù)深

(大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院,工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116024)

基于AHP和熵權(quán)的跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源模糊綜合評(píng)價(jià)＊

邵 磊 陳 郁 張樹(shù)深

(大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院,工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116024)

提高跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性、準(zhǔn)確性,可以對(duì)下一步合理分配有限的人力、物力和信息資源,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行分級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)控提供有力依據(jù)。本文結(jié)合層次分析法(AHP)、熵和模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該方法首先通過(guò)構(gòu)造層次分析法中的判斷矩陣,得到主觀權(quán)值;再利用熵權(quán)法對(duì)主觀權(quán)值進(jìn)行修正,得到綜合權(quán)值;最后運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法對(duì)跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源危害程度進(jìn)行綜合評(píng)估,得到跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。采用熵權(quán)來(lái)調(diào)整主觀賦權(quán)法給出的權(quán)重系數(shù),使評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀、科學(xué)、合理。運(yùn)用此法對(duì)大連市T化學(xué)有限公司30t液氯儲(chǔ)罐、X化工廠8t液氯儲(chǔ)罐和S化工廠200t液氨儲(chǔ)罐3個(gè)潛在跨界大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源以瞬時(shí)爆炸事故排放情形進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),確定了其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源;跨界污染;模糊綜合評(píng)價(jià);層次分析法;熵權(quán)

跨界大氣污染事故是指跨越國(guó)內(nèi)行政管理區(qū)域的區(qū)(縣)、市、省界或跨越國(guó)界的重大大氣污染事故。預(yù)防或減少跨界突發(fā)性大氣污染事故發(fā)生的根本在于控制潛在的事故風(fēng)險(xiǎn)源,通過(guò)確定大氣風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),根據(jù)等級(jí)的不同合理分配有限的人力、物力和信息資源,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。然而,目前國(guó)內(nèi)對(duì)跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源分級(jí)評(píng)價(jià)技術(shù)的研究很少,所提出評(píng)價(jià)方法均存在一定缺陷。文獻(xiàn)[1]在國(guó)內(nèi)首次完整地提出了基于指數(shù)評(píng)價(jià)法的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源分級(jí)法,但其具有所有指數(shù)評(píng)價(jià)法的通病,忽視了各因素之間重要性的差別。文獻(xiàn)[2]將模糊綜合評(píng)價(jià)法與層次分析法(AHP)相結(jié)合,考慮了各因素重要性的差別,但采用AHP確定的權(quán)重缺少客觀性。本文克服傳統(tǒng)AHP法權(quán)值的主觀局限性,利用熵權(quán)來(lái)修正AHP法得到各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重,從而得到綜合權(quán)重,并在此基礎(chǔ)上利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法,對(duì)文獻(xiàn)[2]評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源危害程度進(jìn)行綜合評(píng)估。

1 基于AHP和熵權(quán)法的跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源模糊綜合評(píng)價(jià)法

1.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

給指標(biāo)賦權(quán)是評(píng)價(jià)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),權(quán)重確定是否合理直接關(guān)系到評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。目前,權(quán)重的確定方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩大類,它們各有利弊。在實(shí)際應(yīng)用中,我們可將主、客觀賦權(quán)結(jié)合使用,使兩種方法互補(bǔ)克服各自的不足。本文將層次分析法和熵權(quán)法結(jié)合起來(lái)使用,以求得的綜合權(quán)重為評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重。

1.1.1 層次分析法[3]

層次分析法(AHP)是一種定性和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。鑒于層次分析法應(yīng)用范圍較廣,許多資料中介紹得很詳細(xì),這里不再描述。在跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源分級(jí)評(píng)價(jià)中,應(yīng)用層次分析法求得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為。

1.1.2 熵權(quán)法

人們?cè)谠u(píng)價(jià)決策中所獲信息的多少,是評(píng)價(jià)精度和可靠性大小的決定因素之一。在信息論中,熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的度量,如果指標(biāo)的信息熵越小,該指標(biāo)提供的信息量越大,在綜合評(píng)價(jià)中所起作用越大,權(quán)重就應(yīng)該越高[4]。因此,可以用熵值來(lái)確定權(quán)重。熵權(quán)向量的計(jì)算如下:

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于參與評(píng)價(jià)的各項(xiàng)指標(biāo)有越大越優(yōu)型、越小越優(yōu)型,需對(duì)矩陣中的特征值進(jìn)行歸一化處理,方法如下:

式中,xij和x′ij分別為指標(biāo)的原始值和標(biāo)準(zhǔn)值。據(jù)此得到歸一化矩陣

(2)指標(biāo)熵權(quán)系數(shù)權(quán)重求解

計(jì)算原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣樣本j第i個(gè)指標(biāo)的比重pij

1.1.3 確定綜合權(quán)重

層次分析法考慮了專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),以及決策者的意向和偏好,雖然指標(biāo)權(quán)重的排序往往具有較高的合理性,但仍然無(wú)法克服主觀隨意性較大的缺陷;熵權(quán)法充分挖掘了原始數(shù)據(jù)本身蘊(yùn)涵的信息,結(jié)果比較客觀,但卻不能反映專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)以及決策者的意見(jiàn),有時(shí)得到的權(quán)重可能與實(shí)際重要程度不相符,甚至相悖[5]。綜合分析兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn),本文把AHP法和熵權(quán)法的結(jié)果相結(jié)合,得到綜合考慮主客觀因素的指標(biāo)權(quán)重向量wi。

綜合權(quán)重隨α的改變而改變,當(dāng)α=1和α=0時(shí),分別對(duì)應(yīng)于AHP法和熵權(quán)法。α如何合理地取值,有很多討論。綜合考慮文獻(xiàn)[4,6]的討論結(jié)果,結(jié)合本文指標(biāo)體系的實(shí)際情況,取α=0.5。

由于熵權(quán)法要求有一定量的樣本單位才能使用,并且熵權(quán)與指標(biāo)值本身大小關(guān)系十分密切,因此只適用于指標(biāo)層的構(gòu)權(quán)而不適用于中間層的構(gòu)權(quán)[7],本文對(duì)于中間層(準(zhǔn)則層、領(lǐng)域?qū)印⒅黝}層)的構(gòu)權(quán)只采用層次分析法。

1.2 對(duì)跨界大氣風(fēng)險(xiǎn)源危害程度模糊綜合評(píng)價(jià)的描述

模糊綜合評(píng)價(jià)就是利用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)所討論對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)判。利用模糊綜合評(píng)判可以有效的處理人們?cè)谠u(píng)價(jià)過(guò)程中本身所帶有的主觀性,以及客觀所遇到的模糊性現(xiàn)象。跨界大氣風(fēng)險(xiǎn)源危害程度的綜合評(píng)價(jià)是一個(gè)多指標(biāo)(多屬性)、多層次的綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題,在模糊綜合評(píng)判中屬于多級(jí)評(píng)判問(wèn)題。模糊綜合評(píng)價(jià)通常按以下的步驟進(jìn)行:

(1)確定評(píng)價(jià)因素集合U={u1,u2,...,uN}

其中ui(i=1,2,…,N)為評(píng)價(jià)因素,N是同一層次上單個(gè)因素的個(gè)數(shù),這一集合構(gòu)成了評(píng)價(jià)的框架。

(2)確定評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)集合V={v1,v2,…,vn}

其中vj(j=1,2,…,n)是評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),n是元素個(gè)數(shù),即等級(jí)數(shù)或評(píng)語(yǔ)檔次數(shù)。這一集合規(guī)定了某一評(píng)價(jià)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果的選擇范圍。評(píng)價(jià)元素既可以是定性的,也可以是量化的分值。本文依據(jù)國(guó)家環(huán)保部編制的《國(guó)家突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急預(yù)案》將突發(fā)環(huán)境事件分成4級(jí)的方法,與之對(duì)應(yīng),將大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源也分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個(gè)等級(jí),即V={特別重大,重大,較大,一般}。

(3)確定隸屬度矩陣R

假設(shè)對(duì)第i個(gè)評(píng)價(jià)因素ui,進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)得到一個(gè)相對(duì)于vj的模糊向量

rij為因素ui具有vj的程度,0＜rij＜l。若對(duì)n個(gè)元素進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),其結(jié)果是一個(gè)N行n列的矩陣,稱之為隸屬度R。顯然,該矩陣中的每一行是對(duì)每一個(gè)單因素的評(píng)價(jià)結(jié)果,整個(gè)矩陣包含了按評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集合V對(duì)評(píng)價(jià)因素集合U進(jìn)行評(píng)價(jià)所獲得的全部信息[8]。

本文應(yīng)用隸屬度函數(shù)計(jì)算定量指標(biāo)隸屬度,生成評(píng)語(yǔ)集。隸屬度函數(shù)可以是任意形狀的曲線,取什么形狀取決于應(yīng)用的方便和有效,本文采用環(huán)境科學(xué)中廣泛應(yīng)用的三角形隸屬度函數(shù)計(jì)算。

一般評(píng)價(jià)指標(biāo)可分為兩類:第一類指標(biāo)(正指標(biāo)):風(fēng)險(xiǎn)源危害程度與指標(biāo)值呈正相關(guān),指標(biāo)值越大,風(fēng)險(xiǎn)源危害程度越高;第二類指標(biāo)(負(fù)指標(biāo)):風(fēng)險(xiǎn)源危害程度與指標(biāo)值呈負(fù)相關(guān),指標(biāo)值越大,風(fēng)險(xiǎn)源危害程度越低。兩類指標(biāo)的隸屬度函數(shù)計(jì)算方法如下:

①第一類指標(biāo)(正向指標(biāo))

當(dāng)xi的實(shí)際值大于其對(duì)應(yīng)的第Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),它對(duì)第Ⅰ級(jí)的隸屬度為1,而對(duì)其它等級(jí)的隸屬度為0。

當(dāng)xi的實(shí)際值介于其對(duì)應(yīng)的第j級(jí)和第j+1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Vj和Vj+1之間時(shí),即當(dāng)Vj≥xi≥Vj+1時(shí),它對(duì)j+1等級(jí)的隸屬度為:

而對(duì)其它級(jí)別的隸屬度均為0。

當(dāng)xi的實(shí)際值小于其對(duì)應(yīng)的第Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),它對(duì)第Ⅳ級(jí)的隸屬度為1,而對(duì)其它等級(jí)的隸屬度為0。

②第二類指標(biāo)(逆向指標(biāo))

當(dāng)xi的實(shí)際值小于其對(duì)應(yīng)的第Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),它對(duì)第Ⅰ級(jí)的隸屬度為1,而對(duì)其它等級(jí)的隸屬度為0。

當(dāng)xi的實(shí)際值介于其對(duì)應(yīng)的第j級(jí)和第j+1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Vj和Vj+1之間時(shí),即當(dāng)Vj≤xi≤Vj+1時(shí),它對(duì)j+1等級(jí)的隸屬度為:

對(duì)第j等級(jí)的隸屬度為:

而對(duì)其它級(jí)別的隸屬度均為0。

當(dāng)xi的實(shí)際值大于其對(duì)應(yīng)的第Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),它對(duì)第Ⅳ級(jí)的隸屬度為1,而對(duì)其它等級(jí)的隸屬度為0。

根據(jù)式(6-13),計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)i隸屬于評(píng)價(jià)等級(jí)j的隸屬度rij,生成隸屬函數(shù)R

當(dāng)對(duì)跨界大氣風(fēng)險(xiǎn)源危害程度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),首先用模糊綜合評(píng)價(jià)模型M(·,+)對(duì)主題層指標(biāo)D1-D6分別進(jìn)行第一級(jí)評(píng)價(jià),計(jì)算出模糊綜合評(píng)判向量SD1-SD6,從而得到第二級(jí)隸屬度矩陣(SD1,SD2,SD3)T,(SD1,SD2,SD4)T,(SD1,SD2,SD5,SD6)T,(SD1,SD2,RE21)T。然后進(jìn)行第二級(jí)評(píng)價(jià),求出領(lǐng)域?qū)幽：C合評(píng)價(jià)向量SC1-SC6(SC5和SC6直接由指標(biāo)層元素評(píng)價(jià)得出)和第三級(jí)隸屬度矩陣(SC1,SC2,SC3,SC4)T,(SC5,SC6)T。以此類推,最終求出目標(biāo)層評(píng)價(jià)結(jié)果向量

最后,根據(jù)最大隸屬原則,確定跨界大氣風(fēng)險(xiǎn)源所屬的評(píng)價(jià)等級(jí),給出評(píng)價(jià)結(jié)論。

2 跨界大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源模糊綜合評(píng)價(jià)實(shí)例

經(jīng)研究表明[9],我國(guó)化工系統(tǒng)中應(yīng)優(yōu)先考慮并進(jìn)行控制的危險(xiǎn)性物質(zhì)依次是:液氯、液氨、液化石油氣、氯乙烯等,其中液氯、液氨排在前兩位。本文以大連市T化學(xué)有限公司30t液氯儲(chǔ)罐(例1)、X化工廠8t液氯儲(chǔ)罐(例2)和S化工廠200t液氨儲(chǔ)罐(例3)為潛在跨界環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源,運(yùn)用文獻(xiàn)[2]中的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià),確定其風(fēng)險(xiǎn)源級(jí)別。

2.1 危害范圍的確定

本文選取《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》(GBZ2-2002)中的短時(shí)間接觸容許濃度(15min,PC-STEL)為氯和氨在環(huán)境中對(duì)人或其他承受體構(gòu)成危害的濃度,分別記為CSTEL=1mg/m3和30 mg/m3。經(jīng)查閱大連地區(qū)多年氣象資料,以最易引起跨界污染的氣象條件(風(fēng)向ss w,風(fēng)速1.5m/s,F穩(wěn)定度)和事故排放情形(瞬時(shí)爆炸),用SLAB軟件模擬出了例1、2、3儲(chǔ)罐爆炸后的危害范圍,見(jiàn)圖1。

圖1 跨界大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源危害范圍模擬圖

由圖1可見(jiàn),例1位于大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū),其最遠(yuǎn)危害距離為125.779km,危害面積為360.245km2,危害范圍橫跨大連、營(yíng)口兩市,為跨市界風(fēng)險(xiǎn)源;例2位于大連市金州區(qū),其最遠(yuǎn)危害距離為62.243km,危害面積為118.884km2,危害范圍橫跨經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)和瓦房店兩區(qū),為跨區(qū)界風(fēng)險(xiǎn)源;例3位于大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū),其最遠(yuǎn)危害距離為138.306km,危害面積為170.149km2,危害范圍橫跨大連、營(yíng)口兩市,為跨市界風(fēng)險(xiǎn)源。

2.2 指標(biāo)賦值

在危害范圍內(nèi),對(duì)指標(biāo)體系中涉及到的相關(guān)因素做深入調(diào)查,搜集人口數(shù)、主要農(nóng)作物種類、種植面積等數(shù)據(jù),并對(duì)危險(xiǎn)源所屬單位的生產(chǎn)和管理狀況進(jìn)行調(diào)研,經(jīng)整理得到定量指標(biāo)值。

2.3 基于AHP和熵權(quán)法的跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源

模糊綜合評(píng)價(jià)

按照文獻(xiàn)[2]中的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)圖1中的3個(gè)大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源按照本文上述介紹的基于ANP和熵權(quán)法的跨界突發(fā)性大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià),可以得到各級(jí)評(píng)判結(jié)果。3個(gè)實(shí)例的第四級(jí)(準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層)評(píng)價(jià)結(jié)果經(jīng)歸一化處理后見(jiàn)表1。

最后,由最大隸屬度原則知目標(biāo)元素A的評(píng)價(jià)等級(jí)分別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅲ級(jí),即例1為Ⅱ級(jí)大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源,例2為Ⅲ級(jí)大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源,例3為Ⅲ級(jí)大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源。

表1 第四級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論與建議

本文全面考慮各因素的重要性,將定性和定量的分析有機(jī)地結(jié)合起來(lái),運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合案例對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)。在指標(biāo)權(quán)重的確定過(guò)程中,本文將AHP與熵權(quán)法相結(jié)合,互相彌補(bǔ)缺陷,減少了專家確定權(quán)重過(guò)程中的人為影響,提高了權(quán)重確定的準(zhǔn)確性。評(píng)價(jià)結(jié)果為T化學(xué)有限公司30t液氯儲(chǔ)罐為是重大環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源,X化工廠8t液氯儲(chǔ)罐是較大環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源,S化工廠200t液氨儲(chǔ)罐是較大環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源。

本文主要是對(duì)這一方法的介紹,在跨界大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源綜合評(píng)價(jià)時(shí)僅選取3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源作為評(píng)價(jià)對(duì)象。在實(shí)際的運(yùn)用中,可以選取更多的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行評(píng)價(jià),以求在熵權(quán)確定的過(guò)程中提高準(zhǔn)確性。(編輯:田 紅)

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AbstractI mproving the objectivity and the veracity of classification evaluation resultsof cross-border emergent atmospheric environment risk sources is available for a rational allocation of limited human,material and information resources next,and is also available for reference to classified monitor environment risk sources in real time.Combining the Analytic Hierarchy Process(AHP),the entropywith the fuzzymathematics,a method of cross-border emergent atmospheric environment risk sources synthetic evaluation is proposed.At first the subjective weights are obtained by constructing the judgmentmatrixofAHP;then bymeansof the entropyweight the subjectiveweights is amended,and the synthetic weights are for med;at last the extend of harm from the atomspheric environmental risk sources is evaluated synthetically by the fuzzy synthetic evaluation method and the risk levels of cross-border emergent atmospheric environment risk sources are obtained.In order to make the result of evaluation more objective,scientific and reasonable,the entropyweight is put forward to adjust the weight,which is given by subjective method.The method has been used to evaluate the risk grades for three examples,a 30-tonne liquid chlorine storage tank from T Chemical Co.Ltd,an 8-tonne liquid chlorine storage tank from X Chemistry plant and an 200-tonne liquid ammonia storage tank from S Chemistry plant in Dalian City,where the incident considered is an instant explosion.

Key wordsat mospheric environment risk sources;cross-border pollution;fuzzy synthetic evaluation;analytic hierarchy process;entropyweight

Fuzzy Synthetic Evaluation of Cross-border Atmospheric Environment Risk Source Based on Entropy and AHP

SHAO Lei CHEN Yu ZHANG Shu-shen
(KeyLaboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering,School of Environmental and Biological Science and Technology,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116024,China)

X823

A

1002-2104(2010)03專-0135-04

2009-07-23

邵磊,碩士生,主要研究方向?yàn)楣I(yè)生態(tài)與環(huán)境規(guī)劃管理。

陳郁,博士生,講師,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境規(guī)劃與評(píng)價(jià)。

＊863計(jì)劃重大項(xiàng)目(編號(hào):2007AA06A411)。