利用熵权属性识别模型对浅层地下水综合评价

利用熵权属性识别模型对浅层地下水综合评价
苏建云;黄耀裔
【摘要】利用熵权法和属性识别理论建立浅层地下水环境质量评价模型.采用地下水质量标准作为评价依据,选取15个影响因子作为评价指标,通过建立属性空间矩阵、计算属性测,再利用信息熵确定评价指标权重,应用置信度准则对晋江市浅层地下水环境质量进行属性识别与综合评价,评价结果表明该模型能有效地解决浅层地下水质量评价问题.
【期刊名称】《科技和产业》
【年(卷),期】2015(015)005
【总页数】5页(P92-96)
【关键词】属性识别;熵权;浅层地下水;综合评价;晋江市
【作者】苏建云;黄耀裔
【作者单位】泉州师范学院资源与环境科学学院,城乡规划与资源循环利用工科实验室,福建泉州362000;泉州师范学院资源与环境科学学院,城乡规划与资源循环利用工科实验室,福建泉州362000
【正文语种】中文
【中图分类】X523;X824
地下水污染一直是国内外普遍存在的一个环境问题, 对其污染现状评价是进行地下水环境治理与保护的基础。

地下水环境质量优劣会影响到经济建设、生产生活和环境等一系列问题。

因此开展地下水环境质量评价尤为重要，可提高水资源合理利用
与治理保护，对促进经济和生态环境可持续发展具有重要意义。

目前常用评价模型大致可分为指数法[1]、分级评分法[2]、概率统计法[3]与模糊评价法[4]等等，每
种评价方法各具优点和不足。

由于地下水综合评价过程是对水质类别、污染程度等水质属性的描述(即对水质属性进行确定与识别),是一个“属性识别”的过程，此外在综合评价时涉及多指标, 各指标影响程度不同, 常用定权法确定权重具有一定的
主观性, 如何客观地确定各指标权重一直是综合评价所关心的问题[5-7]。

针对上面的种种问题,根据程乾生教授提出的属性识别理论[8], 从评价样本自身信息出发, 结合Shannon信息熵理论, 采用基于熵权的属性识别模型来对浅层地下水环境质量
进行综合评价，充分利用其有序分隔准则，使评价结果更趋于合理。

1.1 属性矩阵建立
将采样测试分析的浅层地下水指标数据定义为数据集X，则(x1，x2，…，xn)∈X，n=1,2，…，i。

数据集X中的所有数据由i个浅层地下水空间采样点(X1，X2，…，Xi)与j个水质评价指标Vi1，Vi2，…，Vij构成，则第i个浅层地下水空间采样点
的第j个指标Vij对应测值为xij可以表示为一个m维向量，因此由X构成的浅层地下水空间矩阵可表示为[9]:
1.2 属性测度准则矩阵建立
由于《地下水质量标准》(GB/T14848-93)[10]将单指标水质分为五大类，可定义
C为单个水质指标临界值的属性空间有序分割类，(Ci1,Ci2，…，Cik)∈C，且
Ci1<Ci2<…<Cik或Ci1>Ci2>…>Cik，k=1，2，…，5。

在地下水综合评价中，
通常是污染程度越小越好，反之则越差，故建立越小越好型来进行综合评价。

因此由S构成的浅层地下水属性测度准则矩阵如下:
1.3 属性测度计算
定义第i个浅层地下水空间采样点的第j个指标值xij隶属于第k个属性集的属性Cik的属性测度为μijk。

根据《地下水质量标准》的质量分类指标有
aj1<aj2<…<ajk，由以下公式计算出浅层地下水水样的属性测度值[11]：
bjk=(ajk-1+ajk)/2，k=1,2,…,K
djk=min(|bjk-ajk|,|bjk+1-ajk|)，k=1,2,…,K-1
1.4 权重确定——熵值法
Shannon熵在信息论中作为混乱度的度量来度量数据有效信息量，用Shannon 熵确定权重被广泛应用于各个领域。

由于每个指标的重要性可能相同、也可能不相同，若地下水综合评价过程中对各项评价指标均取等权重时，评价结果无法突显指标的重要程度。

因此可用信息熵值来评价所获信息的有效度来确定各评价指标的权重,计算步骤[12]：
首先构建第i个浅层地下水空间采样点的第j个指标的判断矩阵：
R=(xij)m×n
接着对R归一化处理得bij:
bij=(xij-xmin)/(xmax-xmin)
式(9)中，xmax、xmin分别为浅层地下水值的最大与最小值。

再据Shannon确定浅层地下水评价指标的熵为：
式(10)中为使lnfij有意义,修正为:
最终确定浅层地下水评价指标的熵权W：
且
1.5 属性识别模型确定评价等级
在计算每个浅层地下水空间采样点的每个指标Vij对应测值xij的属性测度
μijk=μ(xij∈Cik)。

结合权重进行识别和评价。

按照置信度准则, 引入置信度λ(通常置信度λ取值为0.6-0.7之间)，即ki≥λ。

≥λ,1≤k≤K}
2.1 评价区概述
晋江市(24°30′-24°54′N，118°24′-118°43′E)位于福建省东南沿海，晋江流域下
游南岸。

地势呈现出北西高-南东低的态势，平均海拔在55m左右。

地貌形态以
台地、平原为主。

地质以闽东滨海加里东隆起带为主，断裂发育明显，呈现出密集带状分布，从而构成出不同方向的断裂带，较明显的有北东向断裂和北西向断裂及其次生构造带，为晋江市地下水的赋存提供了良好的地质环境。

境内地层从老到新分布有前泥盆系澳角组(D1o)动力变质岩；侏罗系上统鹅宅组(J1e)火山喷出岩；第四纪残积坡积层、更新统龙海竺队(Q3l)和全新统长乐组(Q4c)[13]。

气候属南亚热带湿润气候区，每年有不同程度的干旱季节，这也造成该区浅层地下水资源年布不均。

在经济发展，近几年发挥由于地理区位以及“侨乡”优势，是海峡西岸经济区重要的制造业基地，著名侨乡工贸城市。

“品牌之都”形成，“国字号”品牌117个，“七匹狼、安踏、九牧王”等品牌入选全国500个最具价值品牌。

县域经济基本
竞争力居于全国第7位，享誉“中国鞋都”等称号。

随着经济社会的快速发展，
水资源需求不断增加，供需矛盾突出，水污染严重，水生态环境受损，已成为晋江市经济社会可持续发展的重要制约因素。

2.2 晋江市浅层地下水综合评价
以能够基本了解和客观反映目标区地下水水质特征为原则布点，水质监测点采集分布见图1。

根据《地下水质量标准》(GB/T14848-93)选取总硬度(TH)、矿化度(TDS)、硫酸
盐(SO42-)、氯化物(Cl-)、铁(Fe2+)、锰(Mn2+)、铜(Cu2+)、锌(Zn2+)、硝酸盐(NO3-)、亚硝酸盐(NO2-)、氟化物(F-)、汞(Hg+)、铬(Cr6+)、氨氮(NH4+)、碳酸盐(HCO3-)共计15项评价指标，即I1={总硬度}，I2={矿化度}，I3={硫酸盐}，I4={氯化物}，I5={铁}，I6={锰}，I7={铜}，I8={锌}，I9={硝酸盐}，I10={亚硝酸盐}，I11={氟化物}，I12={汞}，I13={铬}，I14={氨氮}，I15={碳酸盐}。

把浅层地下水环境质量(水质的优劣)分为Ⅰ-V个等级(或Ⅰ-V类)，即C1={Ⅰ类，优良水平}，C2={Ⅱ类，良好水平}，C3={Ⅲ类，较好水平}，C4={Ⅳ类，较差水平}，C5={V 类，极差水平}。

分类标准矩阵如式(15)：
以样点1为计算范例，首先依据属性测度准则矩阵(见式(16))利用公式(3)-(7)进行属性测度计算得到属性测度矩阵：根据熵权确定的权重矩阵W=[0.13，0.11，
0.01，0.14，0.01，0.00，0.00，0.01，0.28，0.13，0.03，0.05，0.00，0.00，0.11]按照公式(13)计算方法，得到样点1的属性测度分布矩阵T=[0.17，0.28，0.30，0.25，0.00]，取置信度λ=0.6，由置信度准则判别准则
C1+C2+C3=0.75≥0.6，则待评价水样点1的水环境质量级别为Ⅲ类，其余以此
方法计算其余待评价水样点，最终计算结果见表1。

利用熵权属性识别模型的评价结果与模糊综合评判法的突出主因子型做比较，评价结果相同率为57%,其余评价结果不同，区别主要是临上或临下相差一个评价等级，只有SH40水样点相差两
个评价等级，分析其原因,突出主因子型的模糊综合评判法的模糊集包含关系由隶
属函数决定，利用数值代替属性，掩盖了属性本身的特点，隶属函数的构造具有随意性，难以满足累加性,在取大取小运算过程中损失中间值信息,会出现分级不清、
评价结果不合理的问题,同时浅层地下水评价主要为质量评价，是一种有序评价集
的识别问题[14]。

属性识别理论模型是建立在属性集和属性测度基础上, 以最小代价原则、最大测度准则、置信度准则和评分准则为基础的综合评价方法。

实例研究表明基于熵权的属
性识别理论，避免了权重确定中的主观性和随意性，在有序分割的基础上，利用置信度准则对评价等级进行有效识别，用于浅层地下水环境质量的综合评价是可行的。

该理论概念清晰，计算方便，具有普适性，可应用于其他方面的评价。

【相关文献】
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