属性识别理论模型在土壤重金属污染评价中的应.pdf

第 26 卷 第 1 期2010 年 1 月福建师范大学学报(自然科学版)Jo u r n a l o f Fu j i a nN o r ma l U n i v e r s i t y(N a t u r a l Sc i e n c eEd i t i o n)V o l.26 N o.1Ja n.2010文章编号:1000-5277(2010)01-0114-06属性识别理论模型在土壤重金属污染评价中的应用林 晨,张江山*,林增祥(福建师范大学环境科学与工程学院,福建 福州 350108)摘要:利用熵权法建立了基于熵权的属性识别模型.采用土壤环境质量标准 G B15618-1995,用此模型对南京市六合区的水稻田土壤重金属污染进行评价.实例应用表明属性识别理论应用于土染重金属污染综合评价是可行的,评价结果比较合理.关键词:属性识别理论模型;熵权;土壤;重金属中图分类号:X 825 文献标识码:A 收稿 日期:2009-01-06 作者 简介:林晨(1984),女,福建福 州人,硕士 研究生.*通讯 作者Application of Attribute Recognition Theoretical Modelin Heave Metal Pollution Assessment of SoilLIN Chen,ZHANG Jiang-shan*,LIN Zeng-xiang(College of Environment Science and Engineering,Fujian Normal University,Fuzhou 350108,China)Abstract:A t t r i b u t er e c o g n i t i o n t h e o r e t i c a lmo d e li ss e tu p ma k i n gu s eo fe n t r o p ywe i g h t.Ba s e do nt h ed e ma n do f St a n d a r do f So i l E n v i r o n me n t a l Q u a l i t yA s s e s s me n t(G B15618-1995),s o i l e n v i r o n me n t a l q u a l i t yo f p a d d yf i e l di nN a n j i n g,p l o w l a n di nK u n s h a na n dv e g e t a b l ef i e l di nU r u mc h i w e r e a s s e s s e di na t t r i b u t e r e c o g n i t i o nt h e o r e t i c a l me t h o d.T h e r e-s u l t swe r ea p p r o p r i a t ea n ds h o w e dt h a tt h ea t t r i b u t er e c o g n i t i o nt h e o r e t i c a l mo d e l c a nb eu s e di nt h eh e a v yme t a l p o l l u t i o nd e g r e ej u d g me n t o f s o i l.Key words:a t t r i b u t er e c o g n i t i o nt h e o r e t i c a l mo d e l;e n t r o p yw e i g h t;s o i l;h e a v yme t a l土壤是人类赖以生存的最基本的自然资源之一.土壤受重金属或类金属毒物污染后,常常通过农作物和水进入人体,并通过在生物体内的富集对人类和环境产生威胁.土壤中重金属元素主要有自然来源和人为干扰输入两种途径.随着工矿企业的发展,交通运输工具的普及,农业生产活动的进行,“三废”排放量增加,含重金属的化肥、杀虫剂和除草剂被大量使用,使土壤受到不同程度的重金属污染,严重影响了人类健康和环境安全1.本文将土壤重金属性识别理论模型应用到土壤重金属污染评价中,旨在为土壤重金属污染评价提出一种简便而实用的评价方法.1 属性识别理论模型简介1.1 属性空间矩阵及分类标准矩阵的建立2 在某一研究对象空间 X 上取 n 个样本,构成一个样本空间:X=x1,x2,xn,xi表示第 i 个评价对象;每个对象有 m 个评价指标,评价指标空间为 I=I1,I2,Im,Ij表示第 j 个评价指标;对每个评价指标取值有 k 个评价等级,构成评价对象 X 的评价空间 j.若第 i 个评价对象的第 j 个评价指标 Ij的数量值为 xij,那么对于第 i 个样品,对 m 个指标测量后,以得到一个向量:xi=xi1,xi2,xim,1 i n.设 F 为 X 上某类属性空间,(c1,c2,cK)为属性空间 F 的有序分割类,代表有 K 个属性级别,满足c1c2 cK,每一个评价指标的属性分类已知,写成属性分类标准矩阵如下:c1 c2 cKI1I2Im a11a12a1Ka21a22a2Kam1am2am K.其中,ajh满足 aj 1aj2 aj 2 ajK,1 j m,1 h K.1.2 样品属性测度的计算3计算第 i 个评价样品的第 j 个指标实际测量值 xij属于 cl类的单指标属性测度 uijl(1 l K),可假定 aj1aj 2 aj K.当 xij aj1时,取 uij1=1,uij 2=uij 3=uij K=0;(1)当 xij ajK时,取 uij K=1,uij 1=uij 2=uij K-1=0;(2)当 ajl xij ajl+1时,取 uijl=aij+1-xijaij+1-ajl,uijl+1=xij-aijaij+1-ajl,uij k=0,k l+1.(3)在知道第 i 个样品各指标测量值的属性测度后,现在计算第 i 个样品 xi的属性测度 uik.设指标权向量为(w1,w2,wm),wj 0,mj=1wj=1.由指标权重可得到属性测度,即:uik=u(xi ck)=mj=1wjuijk,1 i n,1 k K.(4)设置信度 (0.5 1,一般取 0.6 0.7),计算:k0=mi n k:kl=1uxi(cl),1 k K,(5)则认为 xi属于 ck0级别.如果需要对评价对象进行比较分析,则需按照评分准则进行评分计算:qxi=Kl=1nluxi(cl),(6)其中 q 为属性集的强弱,用分数来表示;qxi为第 i 个评价对象评价分数;l 为第 i 个评价对象的第 j 个评价因子所属的污染级别.则可根据 qxi的大小对 xi进行比较和排序.通常,对 c1 c2 cK的情形,取 ni=K+1-i,它表示有序分割类(c1,c2,cK)中类别的重要性是等间隔下降的;对 c1 c2 cK的情形,取 ni=1,它表示有序分割类(c1,c2,cK)中类别的重要性是等间隔上升的.1.3 熵值法确定权重系数在信息论中,熵是系统无序程度的度量,它还可以度量数据所提供的有效信息量 4.因此,可以用熵来确定权重.“熵权”理论是一种客观赋权方法,在土壤重金属污染评价中,通过对“熵”的计算确定权重,就是根据各项监测指标值的差异程度,确定各指标的权重.使用熵权法主要有以下 4 个步骤5:(1)构建 n 个样品 m 个评价指标的判断矩阵:R=(xij)n m(i=1,2,n;j=1,2,m).(2)进行判断矩阵归一化,形成新的判断矩阵 B:bij=(xij-xmi n)/(xma x-xmi n).(7)式中 xma x,xmi n分别为同指标下不同样品中最不满意者和最满意者(越小越满意).(3)根据熵的定义,n 个被评价对象 m 个评价指标,可以确定评价指标的熵为:Hj=-1l nnni=1fijl n fij,i=1,2,n;j=1,2,m.(8)511 第 1 期 林 晨等:属性识别理论模型在土壤重金属污染评价中的应用式中fij=(1+bij)/ni=1(1+bij),(9)并假定,当 fij=0 时,fijl n fij=0.(4)计算评价指标的熵权 w:wj=1-Hjm-mj=1Hj,mj=1wj=1.(10)2 属性识别理论模型在土壤重金属污染评价中的应用选取土壤中最常见的重金属污染物镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍为参评因子.采用土壤环境质量标准(G B 15618-1995)对样品进行评价.该标准分级的内涵为:一级标准为保护区域自然生态,维护自然背景的土壤环境质量的限制值;二级标准为保障农业生产、维护人体健康的土壤限制值;三级标准为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值.各标准值见表 1.借助文献 6 的土壤各种重金属元素实测数据资料见表 2,该资料是以江苏省南京市六合区玉带乡和南京钢铁公司的土壤采样点为研究对象.采样点土壤类型均为江淤土.主要污染类型为农药化肥污染和工矿业废弃物污染,利用方式为水稻田.表 1 土壤环境质量标准值(G B15618-1995)mg k g-1项目 一级自然背景二级(p H 值)7d.5三级(p H 值)6.5镉0.20.30.30E.61.0汞0G.150.30.51E.01.5砷水田153025.2030 旱田154030.2540铜农田等3550100E100400 果园-150200E200400铅35250300E350500铬水田90250300E350400 旱田90150200E250300锌100200250E300500镍404050.60200表 2 土壤样品中各重金属元素含量的分析数据采样点编号p H 值/(mg k g-1f)镉汞砷铜铅铬锌镍17.160.2020v.30410.70163u.34033.42086.260111.60051E.04027.050.4530v.5868.84024u.19821.61364.02475.75660E.36436.980.7670v.3038.09022u.68624.13173.160111.28739E.27847.230.7280v.98011.55025u.27721.96976.921133.68337E.81357.440.7540v.3048.72015u.77619.22141.91865.70829E.29867.270.3880v.3579.41024u.10823.92764.55077.31535E.3652.1 建立分类标准矩阵由表 1 可知,二级标准值与采样点的 p H 值有关.而从表 2 知,6 个采样点的 p H 值总是介于 6.57.5 之间,从而确定各评价指标的二级标准值.根据表 1 的土壤环境质量标准构建分类标准矩阵:611福 建 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2010 年 一级 二级 三级镉汞砷铜铅铬锌镍 0.20.31.00.150.51.51525303510040035300500903004001002505004050200.2.2 计算土壤样品各指标测量值的属性测度利用公式(1)-(3)计算各样品的属性测度,从而得到 6 个样品的属性测度矩阵.分别为:样品一:u11 1u1 12u113u12 1u1 22u123u13 1u1 32u133u14 1u1 42u143u15 1u1 52u153u16 1u1 62u163u17 1u1 72u173u18 1u1 82u183=0.9800.02000.5600.44001000.5640.43601001000.9230.07700.9930.0070;样品二:0.7810.21900.9140.08601001001001001000.9310.0690;样品三:0.3330.66700.5630.43701001001001000.9250.0750100;样品四:0.3890.61100.5200.48001001001001000.7750.2250100;样品五:0.3510.64900.5600.4400100100100100100100;样品六:0.8740.12600.4090.5910100100100100100100.2.3 计算 8 个评价指标的权重利用公式(7)-(9)和公式(10)计算出熵 Hj和熵权 wj(见表 3).表 3 各指标熵及熵权评价指标熵 Hj熵权 wj镉0.9830.133汞0.9770.180砷0.9830.133铜0.9890.086铅0.9850.117铬0.9880.094锌0.9820.140镍0.9850.117711 第 1 期 林 晨等:属性识别理论模型在土壤重金属污染评价中的应用 从熵和熵权的计算结果可以看出,熵值越大,则熵权越小 7.2.4 样品的综合属性测度向量按式(4)得属性综合测度分布矩阵为:样品一:u1=(0.869,0.131,0);样品二:u2=(0.947,0.053,0);样品三:u3=(0.822,0.178,0);样品四:u4=(0.801,0.199,0);样品五:u5=(0.834,0.166,0);样品六:u6=(0.878,0.122,0).2.5 土壤重金属污染的综合评价结果采用置信度准则的方法评判土壤污染的类别,取置信度 =0.7,根据式(5)计算可得 6 个样品的级别均为一级.2.6 各点位的综合分数及排序在上面土壤重金属污染的例子中,可以认为污染程度越低越“强”,因在该例中,c1c2 c3,于是(c1,c2,c3)为有序分割类.根据式(6)得到的不同采样点的排序(取 ni=K+1-i)如表 4 所示.表 4 不同采样点的排序采样点1G2u3456-综合分数2.8692.9472G.8222u.8012.8342.878排序3G1u5642-2.7 结果分析比较属性识别法的评价结果与文献6的模糊综合评判法的评价结果对比见表 5.表 5 不同方法下土壤重金属污染程度评价结果样品属性识别理论模糊综合评判加权平均模型单因素决定模型1一级一级二级2一级二级二级3一级一级二级4一级一级二级5一级一级三级6一级一级一级 针对本文采样点土壤的特征,加权平均模型优于单因素决定模型 7.因此,此处只比较属性识别理论与加权平均模型这两种方法.从表 5 可以看出,属性识别模型的评价结果与加权平均模型的评价结果基本吻合,区别在于样品二运用属性识别理论判断为一级,而用加权平均模型判断为二级.主要原因是加权评价模型主要适用于各个参评因素超标情况接近,即不存在单因素否决,且评价出发点为希望评价体现不同参评因子对土壤重金属环境质量的综合影响的情况.而属性识别模型在评价空间内具有有序分割类,根据属性测度计算指标权重,并在计算权重分配时,会使镉、汞、锌等重金属影响较大的指标被适当放大,而影响较小的砷、铅、铬等指标权重则相对较小.因此,属性识别理论对该类型土壤重金属评价优于加权平均模型和单因素决定模型.3 结论(1)属性识别模型综合了多重指标下的重金属污染评价,避免了盲目地利用单个指标评判土壤重金属是否超标.(2)引入熵权来确定权重,避免了主观确定权重的随意性,有效地解决了土壤中重金属含量的多少问题,且结果合理,计算简便.(3)通过具体的实例应用,结果表明属性识别模型应用于土壤重金属污染程度的评价是完全可行的,不仅可以判定污染的等级,还便于在样品间进行污染程度的比较,结果与其他方法基本一致,为土壤重金属污染程度的判定提供了新的思路.811福 建 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2010 年 参考文献:1 张书贵.土壤重金属污染评价与研究 J.安徽技术师范学院学报,2001,15(4):23-24.2 王丽琼.基于熵权的属性识别理论在湖泊水质富营养化评价中的应用 J.环境工程,2006,24(5):69-71.3 胡海滨,张江山,陈庆华.属性识别理论在综合评价城市污泥堆肥腐熟度中的应用 J.安全与环境工程,2007,2(14):44-48.4 M e n gQ S.In f o r ma t i o nt h e o r yM.X i A n:X i A nJi a oT o n gU n i v e r s i t yPr e s s,1989:19-36.5 闫文周,顾连胜.熵权决策法在工程评标中的应用 J.西安建筑科技大学学报,2004,36(1):98-100.6 许丽忠,张江山,王菲凤.熵权多目标决策环境监测优化布点模型及应用 J.环境工程,2007,25(1):61-63.7 朱青,周生路,孙兆金,等.两种模糊数学模型在土壤重金属综合污染评价中的应用与比较 J.环境保护科学,2004,30(123):53-56.(责任编辑:陈力勤)(上接第 102 页)结果证实获得转基因烟草,GUS 染色发现在转基因烟草中 SP S的 5 侧翼序列具有启动子活性,可以驱动 GUS 基因表达.后期将继续借助 GUS 在不同器官不同时期的表达,研究 GUS 表达的时空特异性,测定 GUS 活性,为甘蔗 SP S的启动子活性分析提供依据.参考文献:1 Jo n a t h a nI,Jo h nWC,L i s aG,e t a l.A n a l y s i so f c D N A c l o n e s e n c o d i n gs u c r o s e-p h o s p h a t es y n t h a s e i nr e l a t i o nt os u g a ri n t e r c o n v e r s i o n sa s s o c i a t e dwi t hd e h y d r a t i o ni nt h er e s u r r e c t i o np l a n tCraterostigma plantagineum H o c h s tJ.Pl a n t Ph y s i o l,1997,115:113-121.2 A n aT C B,Ju a nJ V A,M i g u e l MT,e t a l.T i s s u e-s p e c i f i ca n dd e v e l o p me n t a l p a t t e r no f e x p r e s s i o no f t h er i c esps1 g e n eJ.Pl a n t Ph y s i o l o g y,2000,124:641-653.3 M i g u e l MT,T z t z q u i C B,V e r o n i c aL B,e t a l.Fu n c t i o n a l a n a l y s i s o f t h ep r o mo t e ro f t h er i c es u c r o s ep h o s p h a t es y n t h a s eg e n e(sps1)J.Pl a n t Sc i e n c e,2004,166:131-140.4 Sw a r u pR C,Su j i t R,R a n j a nD,e t a l.Di f f e r e n t i a l t r a n s c r i p t i o n a l r e g u l a t i o no f b a n a n as u c r o s ep h o s p h a t e s y n t h a s eg e n e i nr e s p o n s e t oe t h y l e n e,a u x i n,wo u n d i n g,l o wt e mp e r a t u r e a n dd i f f e r e n t p h o t o p e r i o d s d u r i n gf r u i t r i p e n i n ga n df u n c t i o n a l a n a l y s i so f b a n a n aSPS g e n ep r o mo t e rJ.Pl a n t a,2008,229:207-223.(责任编辑:余 望)911 第 1 期 林 晨等:属性识别理论模型在土壤重金属污染评价中的应用