蔣紅斌 余全智 張海柱 楊永安

摘要：重點介紹集對分析法在環(huán)境分析中的運用，通過建立不確定和確定關(guān)系度模型，簡單、直觀分析環(huán)境中各因素之間相互聯(lián)系，客觀、科學(xué)地評價生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、變化趨勢和規(guī)律，對了解、掌握區(qū)域環(huán)境質(zhì)量和改善環(huán)境質(zhì)量有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：集對分析法;環(huán)境分析;生態(tài)環(huán)境

中圖分類號：X830.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）05-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.05.114

The application of set pair analysis in environmental analysis evaluation

Jiang Hongbin，Yu Quanzhi，Zhang Haizhu，Yang Yongan

（Environmental Monitoring Center of Suining，Suining Sichuan 629000，China）

Abstract：This paper reviewed the application of Set Pair Analysis in environmental analysis. The interrelationships between various factors in the environment were not only analyzed simply and intuitively，but also the status quo， trends，and laws of the ecological environment were evaluated objectively and scientifically，by establishing a model of uncertainty and deterministic relationships.This is of great significance for understanding and mastering regional environmental quality and improving environmental quality.

Key words：Set pair analysis method;Environmental analysis;Ecological environment

近年來，工業(yè)廢氣廢水、機(jī)動車尾氣、固體廢棄物污染和生態(tài)破壞等環(huán)境問題逐漸上升為一個熱點話題。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出了各類高新技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測儀器（手段），生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)取得了重大成就，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測開辟了一個新的時代。但環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)有效分析和利用度不是很高，很多基層的監(jiān)測數(shù)據(jù)僅停留在是否“達(dá)標(biāo)”，幾乎沒有對“達(dá)標(biāo)數(shù)據(jù)”深度分析、研判，對環(huán)境質(zhì)量變化趨勢掌握不足，應(yīng)對潛在的風(fēng)險認(rèn)識不到位。為此，一種數(shù)學(xué)模型--集對分析法在環(huán)境質(zhì)量綜合分析中應(yīng)運而生。

集對分析是我國學(xué)者趙克勤提出的一種新的關(guān)于確定和不確定系統(tǒng)的同、異、反定量分析的系統(tǒng)分析方法[1-2]。集對分析（Set Pair Analysis，簡稱SPA）基本思想與方法是針對具體問題，找出具有一定聯(lián)系的兩個集合U、V，構(gòu)成集合對子，并對U、V的特性作同一性、差異性、對立性的分析建立表達(dá)式：μ=a+bi+cj（a稱為同一度，b稱為差異度，c稱為對立度）[3]。根據(jù)a、b、c的大小關(guān)系進(jìn)行全排序，其中a、c是相對確定的，而b是相對不確定的，進(jìn)一步分析各因素內(nèi)在聯(lián)系。

集對分析體現(xiàn)了確定與不確定的對立統(tǒng)一關(guān)系，數(shù)學(xué)表達(dá)簡單，物理意義明確，評價客觀真實，從環(huán)境質(zhì)量綜合分析來看具有深刻的方法論意義。

1 集對分析在大氣環(huán)境分析中的應(yīng)用

當(dāng)前城市群面臨一系列環(huán)境問題，大氣環(huán)境質(zhì)量已成為制約城市群可持續(xù)發(fā)展的重要因素[4]。應(yīng)用集對分析法，能有效分析區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量，為大氣環(huán)境保護(hù)和治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析保障。

李祚泳課題組[5-6]先后提出集對分析法用于空氣質(zhì)量綜合評價的基本思想，詳細(xì)介紹了多項污染物綜合聯(lián)系度表達(dá)式中的合成同一度、合成差異度和合成對立度的計算方法，并結(jié)合實例對空氣環(huán)境質(zhì)量（降塵、PM10、SO2、CO等）進(jìn)行評價，評價結(jié)果與其他方法評價結(jié)果比較表明有很好的可行性。王洪光[7]詳細(xì)介紹了集對分析中多項污染物（SO2、NO2、CO）聯(lián)系度表達(dá)式中合成同一度、差異度及對立度的計算方法和步驟，并提出集對方法用于大氣環(huán)境質(zhì)量評價的結(jié)果簡便、實用，為環(huán)境決策、污染判別、目標(biāo)優(yōu)化等問題上值得研究探索。

王葉[8]運用集對分析方法，選取2016年1～12月長株潭城市群（長沙、株洲、湘潭）大氣環(huán)境質(zhì)量分析，環(huán)境質(zhì)量變化規(guī)律呈鮮明的季節(jié)性變化，春冬季高，夏秋季低，空氣污染物PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的典型污染季節(jié)為冬季，O3的典型污染季節(jié)為夏季。

張文藝[9]結(jié)合集對分析的不確定性原理建立了大氣環(huán)境質(zhì)量評價模型，以安徽省馬鞍山市大氣環(huán)境質(zhì)量綜合評價為例，將各測點樣本值與分級標(biāo)準(zhǔn)形成對子，逐個比較共有特性、相反特性及差異特性，比較準(zhǔn)確地判別大氣環(huán)境污染狀況，所得結(jié)果與該市當(dāng)年環(huán)境質(zhì)量公告的相一致。

汪勁希[10]依據(jù)集對分析法原理，利用信息熵原理確定各項大氣污染物指標(biāo)所占權(quán)重，建立了成都空氣質(zhì)量的評價指標(biāo)與分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合同異反聯(lián)系度函數(shù)確定了空氣質(zhì)量評價等級。該模型對成都市空氣質(zhì)量的評價有很好的適用性。

2 集對分析在水環(huán)境分析中的應(yīng)用

水質(zhì)變化趨勢的綜合評價是維護(hù)和管理當(dāng)前水質(zhì)狀況的重要依據(jù)[11]，通過綜合評價可確切了解當(dāng)?shù)厮颦h(huán)境質(zhì)量演變趨勢，從而及時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)惡化原因并制定相應(yīng)的治理措施。

高軍省[12]以集對分析理論為基礎(chǔ)，研究長湖的水環(huán)境質(zhì)量狀況，結(jié)合長湖水環(huán)境質(zhì)量評價的實際問題，通過建立水質(zhì)監(jiān)測點和化學(xué)需氧量（COD）、高錳酸鹽指數(shù)（COD）、總氮（TN）和總磷（TP）與各級標(biāo)準(zhǔn)值大小確定了聯(lián)系度，對長湖水環(huán)境質(zhì)量等級進(jìn)行判定為Ⅲ～Ⅳ類。拜亞麗[13]根據(jù)集對分析原理，基于熵權(quán)建立了六元聯(lián)系數(shù)水環(huán)境質(zhì)量評價模型，對平?jīng)鍪兄饕佣?個監(jiān)測斷面5項水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行評價，為平?jīng)鍪胁扇∷廴局卫泶胧?、水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)管、河長制考核評估等具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。針對集對分析法在Ⅰ類水質(zhì)評價較為粗略的問題，田景環(huán)[14]采用添加評價Ⅰ類水質(zhì)系數(shù)，將原本聯(lián)系度同為1的Ⅰ類水再次細(xì)分，改進(jìn)了集對分析法在水質(zhì)評價中的運用，使得評價更加簡便，評價結(jié)果更加符合實際。

陸洲[15]在對沈陽市新城子區(qū)水環(huán)境質(zhì)量綜合評價新方法的研究中，將集對分析法拓展到地下水環(huán)境質(zhì)量綜合評價，彌補了綜合評價不能確定所評價的地下水水質(zhì)類別、模糊綜合評判法和灰色聚類法白化函數(shù)范圍狹窄的缺陷。劉權(quán)[16]詳細(xì)介紹了集對分析法在地下水水質(zhì)分析機(jī)理和分析路徑，并以邯鄲市化工廠的地下水水質(zhì)評價為例，確定集對分析表達(dá)式中的對立度、差異度、同一度的取值標(biāo)準(zhǔn)是水質(zhì)分級指標(biāo)的門值，進(jìn)一步確定該地區(qū)水質(zhì)評價的集對分析聯(lián)系度，最后對水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)和評價因子的具體含量之間的數(shù)量關(guān)系進(jìn)行了分析。

3 集對分析在土壤環(huán)境分析中的應(yīng)用

土壤污染評價問題一直受到中外土壤學(xué)家及環(huán)境科學(xué)家的普遍關(guān)注[17]，但影響土壤質(zhì)量評價涉及很多不確定性和確定性因素，因此集對分析法在土壤質(zhì)量分級方法提供了一種新的思路。

聶艷[18]以江漢平原后湖農(nóng)場為研究對象，應(yīng)用單因子指數(shù)法和集對分析法對其農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明，研究區(qū)9種單要素污染程度依次為Cd>Zn>As>Cu>DDT>Hg>Cr>Pb>HCH，Cd和滴滴涕為主要污染物。整體而言，江漢平原農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量屬清潔和安全范圍，符合發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基本要求。

趙松炎[19]以貴州省獨山縣麻尾工業(yè)園區(qū)周邊地區(qū)2017年64組表層土壤（0～20 cm）樣品的6種營養(yǎng)元素指標(biāo)（有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮和有效磷）分析為例，發(fā)現(xiàn)集對分析法能很好地反映評價區(qū)內(nèi)土壤TP、有效磷的空間分布，較好地反映土壤TK和堿解氮的空間分布，能在一定程度上反映SOM和TN的空間分布。

葛康[20]將士壤重金屬綜合評價等級分為清潔（I）、尚清潔（II）、輕污染（III）、中污染（IV）和重污染（V）5個等級，選用華東某地區(qū)10個區(qū)域的土壤環(huán)境作為評價對象，利用集對分析方法描述了土壤重金屬污染評價過程中的確定性和不確定性特征，并應(yīng)用角模糊數(shù)刻畫集對差異度系數(shù)以改進(jìn)集對分析方法，進(jìn)而提出了基于集對分析與三角模糊數(shù)耦合的土壤重金屬污染綜合評價新模型。

4 集對分析在生態(tài)系統(tǒng)分析中的應(yīng)用

開展城市生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀評價研究，引入集對分析不確定理論，在充分考慮城市生態(tài)系統(tǒng)健康不確定性與相對性的基礎(chǔ)上，構(gòu)造各被評價城市與最優(yōu)評價集的相對貼近度，有利于數(shù)學(xué)直觀分析，促進(jìn)城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平的整體提升。

石惠春[21]利用集對分析方法應(yīng)用于蘭州市城市生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀評價，將評價城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平的指標(biāo)自然子系統(tǒng)（工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量、萬人擁有高等學(xué)校學(xué)生數(shù)、出現(xiàn)沙塵及浮塵天氣）、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)（出口總額占GDP比例、人均GDP）、社會子系統(tǒng)（工業(yè)廢水排放量、千人擁有醫(yī)院床位數(shù)）合成一個與最優(yōu)評價集的相對貼近度，用來描述城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平。該評價方法能夠很好地反映城市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，為建設(shè)生態(tài)城市提供科學(xué)依據(jù)。

陳媛[22]基于集對原理提出集對分析的城市可持續(xù)發(fā)展評價方法，并對鄭州、西安、上海3市的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行評價，并將集對分析的可持續(xù)發(fā)展評價結(jié)果與模糊分析法和灰色分析的結(jié)果進(jìn)行比較：集對評價法的評價等級分辨度更高、評價結(jié)果更可靠，且在局部評價與整體評價上具有很好的一致性。

蘇美蓉[23-24]鑒于城市生態(tài)系統(tǒng)的生命特征，引用集對分析概念，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、自然子系統(tǒng)及生態(tài)調(diào)控子系統(tǒng)來綜合反映了北京、上海、武漢、廣州等16個城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。劉丹丹[25]運用集對分析方法，建立城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價指標(biāo)體系，從時間和空間上分析河南省不同城市和同一城市在不同發(fā)展階段的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況與最優(yōu)評價集體的貼近值。

5 集對分析在其他環(huán)境分析中的應(yīng)用

艾尼瓦爾·蘇來曼[26]采用改進(jìn)的集對分析模型，以新疆南部某城區(qū)為例，對該城區(qū)飲用水源進(jìn)行健康風(fēng)險評估。改進(jìn)的模型解決了傳統(tǒng)方法在飲用水健康風(fēng)險評估中易忽略變量時效性的局限，進(jìn)一步提高了分析模型在城區(qū)飲用水健康風(fēng)險評估中的精準(zhǔn)度。

邢永健[27-28]先后應(yīng)用集對分析法對事故風(fēng)險源、風(fēng)險受體和風(fēng)險傳播途徑建立數(shù)學(xué)模型，把南京化工園區(qū)大氣環(huán)境風(fēng)險劃分為5個等級。通過對差異系數(shù)的分析，將不確定性轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題定量計算，在一定程度上消除了風(fēng)險評價的主觀性和片面性，為優(yōu)化土地利用規(guī)劃和完善環(huán)境風(fēng)險防控措施提供依據(jù)。

惠淑榮[29]基于集對分析的綜合評價模型，通過構(gòu)建小試裝置模擬遼河口濕地，選擇造紙廢水特征污染物Pb、Cd、Cu、Zn四項指標(biāo)，研究不同濃度廢水灌溉對土壤-蘆葦系統(tǒng)中重金屬的影響，為遼河口濕地在廢水灌溉下的重金屬污染研究提供新思路。

6 結(jié)論

集對分析法以聯(lián)系度為核心，是一種新的不同于傳統(tǒng)概率論和模糊集的不確定性理論。該方法采用聯(lián)系度去描述環(huán)境指標(biāo)間不確定性和確定性信息，將對研究問題的辯證認(rèn)識與系統(tǒng)性定量描述有機(jī)結(jié)合起來，對環(huán)境質(zhì)量評價與分析提供高效、實用的價值意義，進(jìn)一步提升評價方法在環(huán)境理論分析中的核心地位。

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收稿日期：2020-03-16

作者簡介：蔣紅斌（1987-），男，碩士研究生，環(huán)境監(jiān)測工程師，研究方向為環(huán)境監(jiān)測與分析。