劉付程，張存勇，張 瑞

（淮海工學院 測繪工程學院，江蘇 連云港 222005）

沉積物是污染物的集散地，也是水體污染的指示劑［1－2］。開展沉積物環(huán)境質(zhì)量評價對于表征海洋環(huán)境質(zhì)量、鑒別海洋污染源和科學制定環(huán)保決策具有重要意義。目前有關沉積物環(huán)境質(zhì)量評價的方法很多［3］，但基本上可以分為兩大類，一類是以識別污染因子為目的的單因子評價法，如地累積指數(shù)法等；另一類是以強調(diào)多指標綜合效應的多因子綜合評價法，如尼梅羅綜合指數(shù)法等。在單因子評價法中，各指標的評價結(jié)果在很多情況下是相互獨立且不相容的，因此它無法給出評價對象的綜合評價信息，也不便于評價對象之間的相互比較。而在多因子綜合評價法中，指標權重的確定至今還沒有一個能被廣為接受的方法，目前使用較多的專家打分法、AHP法等都在不同程度上帶有主觀性。近些年來，以毒性大小作為權系數(shù)的潛在生態(tài)危害指數(shù)法［4］受到很多環(huán)境工作者的青睞，被廣泛地應用于近海沉積物重金屬污染的綜合評價中［5－7］，但該方法無法將那些毒性不明污染物質(zhì)（如有機碳）納入到評價體系中，因此其適用范圍尚有一定的局限性。

屬性識別模型是建立在屬性空間基礎上，以最小代價原則、最大測度準則、置信度準則和評分準則為基礎的新型綜合評價方法［8］。該方法不僅能對評價對象進行準確合理的識別分類，還可以對各評價對象進行打分排序，有效地提高了評價結(jié)果的分辨率，目前已成功地應用于大氣環(huán)境和水土資源系統(tǒng)的評價與決策分析中［9－11］，我們嘗試將其與客觀賦權法——熵權法相結(jié)合，用于評價連云港近海表層沉積物的環(huán)境質(zhì)量，以期能為近海沉積物環(huán)境質(zhì)量評價提供新的思路。

1 基于熵權的屬性識別模型

1.1 樣本單指屬性測度的計算

若研究對象空間X中有n個樣本x1，x2，…，xn，且各樣本的m個評價指標為I1，I2，…，Im，定義第i個樣本xi的第j個指標Ij的測量值為xij，則第i個樣本xi可以表示為（xi1，xi2，…，xim），1≤i≤n。

設F為X中某類屬性空間，（C1，C2，…，CK）為屬性空間F的有序分割類，且滿足C1＞C2＞…＞CK。若各評價指標的等級分類標準已知，則分類標準判斷矩陣可表示為：

式中，ajk為評價對象第j個指標的第k個評價等級的標準值，且滿足aj1＜aj2＜…＜ajk或者aj1＞aj2＞…ajk，1≤j≤m，1≤k≤K。

利用屬性識別模型進行綜合評價的關鍵是計算每個樣本的單指標屬性測度和綜合屬性測度。單指標屬性測度就是要求xij具有屬性CK類的程度μijk＝μ（xij∈CK）。為方便計算，不妨假定aj1＜aj2＜…＜ajk，則樣本的單指標屬性測度可由下式計算：

在獲得樣本xi的所有m個指標的屬性測度后，若要計算xi的綜合屬性測度，還需要確定各評價指標的權重。為避免評價指標權重確定過程的主觀性，本研究采用信息熵法來求算各指標的權重。

1.2 評價指標熵權的計算

在信息論中，熵反映了信息的無序化程度，常用來度量信息量的大小。某項指標攜帶的信息越多，其熵值就越小，從而對決策的作用也就越大，因此可用熵值來衡量該指標對系統(tǒng)效用的大?。?2］，即熵權。熵權可由評價指標實測值所構(gòu)成的判斷矩陣計算得到，具有客觀性［12－13］。其計算過程如下：

對n個樣本m個評價指標的判斷矩陣R＝（xij）n×m（i＝1，…，n；j＝1，…，m）進行歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣B，其中B中的第i行第j列的元素bij由式（3）計算得到

式中，xmax和xmin分別為同一指標下不同樣本中的最優(yōu)和最劣值（如越大越優(yōu)或越小越優(yōu)）。

根據(jù)熵的定義，各評價指標的熵由式（4）計算得到

式中，fij由式（5）來求得

由各評價指標的熵，按照式（6）求取各指標的熵權：

式中，wj為第j個評價指標的權重。

1.3 樣本綜合屬性測度的計算、識別和比較

根據(jù)樣本單指標屬性測度和各評價指標的熵權，由式（7）計算各樣本的綜合屬性測度［8］：

據(jù)此可進一步按照置信度準則和評分準則對樣本進行識別和比較分析。

按照置信度準則，對于置信度λ（0.5≤λ≤1），如果

則認為xi綜合評價等級為Cki類［8］。

按照評分準則，根據(jù)式（9）可計算樣本xi的綜合評價得分，據(jù)此可對所有樣本進行質(zhì)量排序［8］。

式中，nl為屬性集Cl的分數(shù)，nl＝K＋1－l，l為等級。

2 熵屬性識別模型在連云港近海沉積物環(huán)境質(zhì)量評價中的應用

2.1 區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域為連云港港口及其周邊海域，分布有連云港堿廠、港口及核電站等大型國有工程項目。2005－10對該海域開展了生態(tài)環(huán)境調(diào)查研究，共采集了28個表層沉積物樣本，采樣站位見圖1。樣品的采集、預處理、制備和保存均按照GB17378.5－1998《海洋監(jiān)測規(guī)范》的有關規(guī)定執(zhí)行［14］。所有沉積物樣品均分析了硫化物、石油類、有機碳、As，Pb，Cd，Cu，Hg共8項污染指標，其中硫化物、油類和有機碳分別采用亞甲基藍分光光度法，紫外分光光度法和重鉻酸鉀氧化－還原容量法測定，重金屬Pb，Cd，Cu均采用陽極溶出伏安法測定，As由原子熒光法分析，Hg采用冷原子吸收分光光度法分析。各指標的分析結(jié)果見表1。本研究以這8項指標作為評價因子，嘗試運用熵權屬性識別模型對該海域表層沉積物的環(huán)境質(zhì)量進行綜合評價。

圖1 沉積物采樣站位分布圖Fig.1 The distribution map of sediment sampling stations

表1 連云港海域表層沉積物污染物的描述性統(tǒng)計Table 1 Statistics of pollutants concentrations in Lianyungang coastal surface sediments

2.2 沉積物質(zhì)量評價標準

結(jié)合中國東部沿海沉積物的環(huán)境背景值和海洋沉積物質(zhì)量標準（GB18668－2002）［15］，本研究將沉積物質(zhì)量分成4個等級，分別為C1＝｛清潔｝，C2＝｛較清潔｝，C3＝｛輕度污染｝，C4＝｛污染｝，各等級的參考標準值見表2，其中C1級“清潔”的評價標準值取王菊英等［16］研究中的中國東海、黃海沉積物環(huán)境背景值，其它3個級別的評價標準值分別為海洋沉積物質(zhì)量標準（GB18668－2002）中的一、二、三級標準值［15］。

表2 沉積物質(zhì)量評價標準Table 2 Evaluation criteria for marine sediment quality

2.3 沉積物樣本的綜合屬性測度

根據(jù)式（2），可分別計算出各沉積物樣本的單指標屬性測度，表3為第J01號樣本8個評價指標的屬性測度值。限于篇幅，文中對其它27個樣本的單指標屬性測度未列出。根據(jù)沉積物樣本各指標的實測值，按式（3）～（6）計算各評價指標的熵權（表3），據(jù)此進一步按式（7）計算各樣品的綜合屬性測度值，表4給出了各樣本綜合屬性測度的描述性統(tǒng)計結(jié)果。

從表4的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，均值屬于前2個等級C1（清潔）和C2（較清潔）的屬性測度占總屬性測度的99.4%，說明單從屬性測度的分布狀況來看，絕大部分采樣點所代表海域的沉積物質(zhì)量都在“較清潔”以上水平。

表3 第J01號樣本單指標屬性測度及評價指標的熵權Table 3 The attribute measure values for the indexes of sample J01and their entropy weights

表4 沉積物各樣本綜合屬性測度值的描述性統(tǒng)計Table 4 Statistics of integrated attribute measure values of the sediment samples

2.4 沉積物環(huán)境質(zhì)量的屬性識別

根據(jù)各樣點沉積物的綜合屬性測度，按照置信度準則對各樣本進行評價等級識別。依據(jù)式（8），取置信度λ＝0.75，可得各站位沉積物的綜合評價等級，表5給出所有樣本綜合評價等級劃分的統(tǒng)計結(jié)果。從表5可以看出，所有樣本的綜合評價等級均為C1、C2級，即為“清潔”和“較清潔”等級，表明研究區(qū)域沉積物的環(huán)境質(zhì)量整體較好。

表5 沉積物環(huán)境質(zhì)量綜合評價等級劃分的統(tǒng)計結(jié)果Table 5 Statistics for grading evaluation results of surface sediments

由于同一級別不同樣本沉積物的質(zhì)量仍然存在一定差異，為提高評價結(jié)果的分辨率，便于相互比較，按照評分準則，采用式（9）對各樣點進行評分。圖2為各樣點得分結(jié)果的kriging插值分布圖。表6為堿廠、港口和核電站海區(qū)各樣點綜合評價得分的統(tǒng)計結(jié)果。

表6 研究區(qū)不同海區(qū)沉積物綜合評價得分的統(tǒng)計結(jié)果Table 6 Statistics of evaluation scores of surface sediments in different sea areas

從圖2可以直觀的看出，港口及連島北部海區(qū)的沉積物綜合評價得分相對較低，表明其環(huán)境質(zhì)量相對較差，表6的統(tǒng)計結(jié)果也反映了這一特點。堿廠、港口、核電站海區(qū)按得分的平均值排序是：核電站海區(qū)＞堿廠海區(qū)＞港口海區(qū)，說明核電站海區(qū)的沉積環(huán)境質(zhì)量最好，而港口海區(qū)的沉積物環(huán)境質(zhì)量相對較差。這一結(jié)論與張存勇等［5］得出的結(jié)論存在著一定的差異。張存勇等［5］認為沉積物質(zhì)量的優(yōu)劣排序是核電站海域＞港口海域＞堿廠海域，這是因為其研究的評價體系中只包含重金屬指標，而沒有包含硫化物、石油類、有機碳等指標。事實上，連云港港區(qū)為一個半封閉的海域，容易匯集來自地表徑流和船舶上的大量污染物（如生活垃圾及廢油），這些污染物長期積聚并成為港口海域的重要致污因子，因此將硫化物、石油類、有機碳等指標納入評價體系是必要的，包含有機污染物在內(nèi)的評價結(jié)論也更為合理。

圖2 沉積物評價得分分布圖Fig.2 Evaluation distribution of surface sediments

3 結(jié) 語

運用熵值法與屬性識別模型相結(jié)合的方法來構(gòu)建沉積物環(huán)境質(zhì)量綜合評價模型，在一定程度上也豐富和發(fā)展了近海沉積物評價方法。該模型含義明確，計算過程簡單，不僅能對沉積物環(huán)境質(zhì)量進行準確合理的識別分類，還可對其進行打分排序，提高了評價結(jié)果的分辨率，可為環(huán)境管理部門進行定量分析提供依據(jù)。

應用熵權屬性識別模型對連云港近海表層沉積物的環(huán)境質(zhì)量進行綜合評價，結(jié)果表明，該海域表層沉積物的環(huán)境質(zhì)量總體較好，未出現(xiàn)明顯污染現(xiàn)象，但不同海區(qū)的沉積物環(huán)境質(zhì)量存在一定差異，按從優(yōu)到劣的排序為：核電站海域＞堿廠海域＞港口海域。

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