集对分析在环境分析评价中的应用

蒋红斌 余全智 张海柱 杨永安

摘要：重点介绍集对分析法在环境分析中的运用，通过建立不确定和确定关系度模型，简单、直观分析环境中各因素之间相互联系，客观、科学地评价生态环境现状、变化趋势和规律，对了解、掌握区域环境质量和改善环境质量有着重要的意义。

关键词：集对分析法;环境分析;生态环境

中图分类号：X830.2 文献标识码：A 文章编号：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

近年来，工业废气废水、机动车尾气、固体废弃物污染和生态破坏等环境问题逐渐上升为一个热点话题。随着科学技术的飞速发展，涌现出了各类高新技术的环境监测仪器（手段），生态监测网络建设取得了重大成就，生态环境监测开辟了一个新的时代。但环境监测数据有效分析和利用度不是很高，很多基层的监测数据仅停留在是否“达标”，几乎没有对“达标数据”深度分析、研判，对环境质量变化趋势掌握不足，应对潜在的风险认识不到位。为此，一种数学模型--集对分析法在环境质量综合分析中应运而生。

集对分析是我国学者赵克勤提出的一种新的关于确定和不确定系统的同、异、反定量分析的系统分析方法[1-2]。集对分析（Set Pair Analysis，简称SPA）基本思想与方法是针对具体问题，找出具有一定联系的两个集合U、V，构成集合对子，并对U、V的特性作同一性、差异性、对立性的分析建立表达式：μ=a+bi+cj（a称为同一度，b称为差异度，c称为对立度）[3]。根据a、b、c的大小关系进行全排序，其中a、c是相对确定的，而b是相对不确定的，进一步分析各因素内在联系。

集对分析体现了确定与不确定的对立统一关系，数学表达简单，物理意义明确，评价客观真实，从环境质量综合分析来看具有深刻的方法论意义。

1 集对分析在大气环境分析中的应用

当前城市群面临一系列环境问题，大气环境质量已成为制约城市群可持续发展的重要因素[4]。应用集对分析法，能有效分析区域大气环境质量，为大气环境保护和治理提供基础数据分析保障。

李祚泳课题组[5-6]先后提出集对分析法用于空气质量综合评价的基本思想，详细介绍了多项污染物综合联系度表达式中的合成同一度、合成差异度和合成对立度的计算方法，并结合实例对空气环境质量（降尘、PM10、SO2、CO等）进行评价，评价结果与其他方法评价结果比较表明有很好的可行性。王洪光[7]详细介绍了集对分析中多项污染物（SO2、NO2、CO）联系度表达式中合成同一度、差异度及对立度的计算方法和步骤，并提出集对方法用于大气环境质量评价的结果简便、实用，为环境决策、污染判别、目标优化等问题上值得研究探索。

王叶[8]运用集对分析方法，选取2016年1～12月长株潭城市群（长沙、株洲、湘潭）大气环境质量分析，环境质量变化规律呈鲜明的季节性变化，春冬季高，夏秋季低，空气污染物PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的典型污染季节为冬季，O3的典型污染季节为夏季。

张文艺[9]结合集对分析的不确定性原理建立了大气环境质量评价模型，以安徽省马鞍山市大气环境质量综合评价为例，将各测点样本值与分级标准形成对子，逐个比较共有特性、相反特性及差异特性，比较准确地判别大气环境污染状况，所得结果與该市当年环境质量公告的相一致。

汪劲希[10]依据集对分析法原理，利用信息熵原理确定各项大气污染物指标所占权重，建立了成都空气质量的评价指标与分级标准，结合同异反联系度函数确定了空气质量评价等级。该模型对成都市空气质量的评价有很好的适用性。

2 集对分析在水环境分析中的应用

水质变化趋势的综合评价是维护和管理当前水质状况的重要依据[11]，通过综合评价可确切了解当地水域环境质量演变趋势，从而及时发现水质恶化原因并制定相应的治理措施。

高军省[12]以集对分析理论为基础，研究长湖的水环境质量状况，结合长湖水环境质量评价的实际问题，通过建立水质监测点和化学需氧量（COD）、高锰酸盐指数（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）与各级标准值大小确定了联系度，对长湖水环境质量等级进行判定为Ⅲ～Ⅳ类。拜亚丽[13]根据集对分析原理，基于熵权建立了六元联系数水环境质量评价模型，对平凉市主要河段8个监测断面5项水质指标进行评价，为平凉市采取水污染治理措施、水环境质量监管、河长制考核评估等具有一定的指导意义和参考价值。针对集对分析法在Ⅰ类水质评价较为粗略的问题，田景环[14]采用添加评价Ⅰ类水质系数，将原本联系度同为1的Ⅰ类水再次细分，改进了集对分析法在水质评价中的运用，使得评价更加简便，评价结果更加符合实际。

陆洲[15]在对沈阳市新城子区水环境质量综合评价新方法的研究中，将集对分析法拓展到地下水环境质量综合评价，弥补了综合评价不能确定所评价的地下水水质类别、模糊综合评判法和灰色聚类法白化函数范围狭窄的缺陷。刘权[16]详细介绍了集对分析法在地下水水质分析机理和分析路径，并以邯郸市化工厂的地下水水质评价为例，确定集对分析表达式中的对立度、差异度、同一度的取值标准是水质分级指标的门值，进一步确定该地区水质评价的集对分析联系度，最后对水质分级标准和评价因子的具体含量之间的数量关系进行了分析。

3 集对分析在土壤环境分析中的应用

土壤污染评价问题一直受到中外土壤学家及环境科学家的普遍关注[17]，但影响土壤质量评价涉及很多不确定性和确定性因素，因此集对分析法在土壤质量分级方法提供了一种新的思路。

聂艳[18]以江汉平原后湖农场为研究对象，应用单因子指数法和集对分析法对其农田土壤环境质量进行综合评价。结果表明，研究区9种单要素污染程度依次为Cd>Zn>As>Cu>DDT>Hg>Cr>Pb>HCH，Cd和滴滴涕为主要污染物。整体而言，江汉平原农田土壤环境质量属清洁和安全范围，符合发展现代农业基本要求。

赵松炎[19]以贵州省独山县麻尾工业园区周边地区2017年64组表层土壤（0～20 cm）样品的6种营养元素指标（有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮和有效磷）分析为例，发现集对分析法能很好地反映评价区内土壤TP、有效磷的空间分布，较好地反映土壤TK和碱解氮的空间分布，能在一定程度上反映SOM和TN的空间分布。

葛康[20]将士壤重金属综合评价等级分为清洁（I）、尚清洁（II）、轻污染（III）、中污染（IV）和重污染（V）5个等级，选用华东某地区10个区域的土壤环境作为评价对象，利用集对分析方法描述了土壤重金属污染评价过程中的确定性和不确定性特征，并应用角模糊数刻画集对差异度系数以改进集对分析方法，进而提出了基于集对分析与三角模糊数耦合的土壤重金属污染综合评价新模型。

4 集对分析在生态系统分析中的应用

开展城市生态系统现状评价研究，引入集对分析不确定理论，在充分考虑城市生态系统健康不确定性与相对性的基础上，构造各被评价城市与最优评价集的相对贴近度，有利于数学直观分析，促进城市生态系统健康水平的整体提升。

石惠春[21]利用集对分析方法应用于兰州市城市生态系统现状评价，将评价城市生态系统可持续发展水平的指标自然子系统（工业固体废弃物产生量、万人拥有高等学校学生数、出现沙尘及浮尘天气）、经济子系统（出口总额占GDP比例、人均GDP）、社会子系统（工业废水排放量、千人拥有医院床位数）合成一个与最优评价集的相对贴近度，用来描述城市生态系统可持续发展水平。该评价方法能够很好地反映城市生态系统的发展现状，为建设生态城市提供科学依据。

陈媛[22]基于集对原理提出集对分析的城市可持续发展评价方法，并对郑州、西安、上海3市的可持续发展进行评价，并将集对分析的可持续发展评价结果与模糊分析法和灰色分析的结果进行比较：集对评价法的评价等级分辨度更高、评价结果更可靠，且在局部评价与整体评价上具有很好的一致性。

苏美蓉[23-24]鉴于城市生态系统的生命特征，引用集对分析概念，构建经济子系统、社会子系统、自然子系统及生态调控子系统来综合反映了北京、上海、武汉、广州等16个城市生态系统健康状况。刘丹丹[25]运用集对分析方法，建立城市生态系统健康状况评价指标体系，从时间和空间上分析河南省不同城市和同一城市在不同发展阶段的生态系统健康状况与最优评价集体的贴近值。

5 集对分析在其他环境分析中的应用

艾尼瓦尔·苏来曼[26]采用改进的集对分析模型，以新疆南部某城区为例，对该城区饮用水源进行健康风险评估。改进的模型解决了传统方法在饮用水健康风险评估中易忽略变量时效性的局限，进一步提高了分析模型在城区饮用水健康风险评估中的精准度。

邢永健[27-28]先后应用集对分析法对事故风险源、风险受体和风险传播途径建立数学模型，把南京化工园区大气环境风险划分为5个等级。通过对差异系数的分析，将不确定性转化为数学问题定量计算，在一定程度上消除了风险评价的主观性和片面性，为优化土地利用规划和完善环境风险防控措施提供依据。

惠淑荣[29]基于集对分析的综合评价模型，通过构建小试装置模拟辽河口濕地，选择造纸废水特征污染物Pb、Cd、Cu、Zn四项指标，研究不同浓度废水灌溉对土壤-芦苇系统中重金属的影响，为辽河口湿地在废水灌溉下的重金属污染研究提供新思路。

6 结论

集对分析法以联系度为核心，是一种新的不同于传统概率论和模糊集的不确定性理论。该方法采用联系度去描述环境指标间不确定性和确定性信息，将对研究问题的辩证认识与系统性定量描述有机结合起来，对环境质量评价与分析提供高效、实用的价值意义，进一步提升评价方法在环境理论分析中的核心地位。

参考文献

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收稿日期：2020-03-16

作者简介：蒋红斌（1987-），男，硕士研究生，环境监测工程师，研究方向为环境监测与分析。