基于熵权的TOPSIS法及其在水环境质量综合评价中的应用(1).pdf

基于熵权的 TOPSIS 法及其在水环境质量 综合评价中的应用 ＊ 陈 强 杨晓华 北京师范大学水环境模拟国家重点实验室, 北京 100875 摘要 为了克服 TOPSIS 法中向量归一化出现的依赖于评价单位以及负理想解选取没有考虑到与理想解之间距离的 相对重要性现象, 提出了基于熵权的 TOPSIS 法。 在新的评价方法中, 采用比例归一化方法并通过引进熵权和虚拟最 劣解, 解决了上述问题。 并将该方法应用于长江望江楼站点, 对其近 8 年的水质状况作出了综合评价。 最后, 将新方 法的评价结果与传统 TOPSIS 法的评价结果进行了比较, 结果表明, 新方法的评价更为合理。 关键词 水环境质量 TOPSIS法 熵权 综合评价 ＊国家重点基础研究发展规划项目 2003CB415204 ; 国家科技攻关 项目 2004 -BA611B -02 -04 -01 0 引言 水环境质量综合评价实际上是依据水体污染物 浓度的分级标准 ,比较待评价的水环境中各污染物监 测值与哪级标准浓度最接近, 则它就被视为符合该级 水环境质量标准 [ 1-12] 。本研究所介绍的 TOPSIS 法是 系统工程中有限方案多目标决策分析的一种常用技 术,近年来也被用于多指标的综合评价 。为了使评价 结果更为合理, 本研究提出了基于熵权 , 采取比例归 一化, 并使用虚拟最劣解改进的 TOPSlS 法 [ 13 -15] ,并用 新方法对长江流域望江楼站点的水环境质量进行了 综合评价 。最后将新方法的评价结果与传统 TOPSIS 法的评价结果进行了比较 。 1 基于熵权的 TOPSIS 法 TOPSIS technique for order preference by similarity to an ideal solution 法 [ 16-18] 是一种逼近于理想解的排序 法,该方法只要求各分效用函数具有单调递增 或递 减 性就行 。其中“理想解”和“负理想解”是 TOPSIS 法的 2 个基本概念 。所谓理想解 记为 x 是一设想 的最优的解 方案 , 它的各个属性值都达到各备选方 案中的最好的值 ; 而负理想解 记为 x - 是一设想的 最劣的解 方案 ,它的各个属性值都达到各备选方案 中的最坏的值。方案排序的规则是把各备选方案与 x 、x -作比较 , 若其中有一个方案最接近 x , 同时 又最远离 x - ,则该方案是备选方案中的最好的方案 。 这里的基于熵权的 TOPSIS 法比原来的 TOPSIS 法的改进在 其一, 采用比例归一化以代替向量归一 化; 其二,采用熵权的权重模型 ; 其三, 为了使各数据 与评价标准的对比更加分明, 评价的分级更加明确, 将虚拟最劣解取值反方向延长 2 倍, 也就是在理想解 x 和负理想解 x-的延长线上找出一个虚拟最劣解 x ＊ 3x - - 2x ,并用 x ＊取代负理想解 x- 。 基于熵权的水环境质量综合评价 TOPSIS 法可分 为以下6 步 步1 构造规范化决策矩阵 R。对于 n 个评价单 元、m 个评价指标的水环境质量综合评价问题 ,其决 策矩阵 A 为 f1 f2 fm A x1 x2  xn a11a12a1m a21a22a2m  an1an2anm 式中 aijfj xi ,表示第 i 个评价单元 备选方 案 的第 j 个评价指标值 。 i 1, , n ; j 1, 2, , m 。并对 A 进行规范化处理成矩阵R R r11r12r1m r21r22r2m  rn1rn2rnm 1 其中 ,效益型公式为 rijy ij-y min j y max j-y min j 成本型公式为 rij y max j-yij y max j-y min j 步2 构造加权的规范化决策矩阵 V。 采用熵权权重模型, 计算权重 。 75 环 境 工 程 2007年 8 月第25 卷第4 期 首先 , Ej-K ∑ n i 1 pijlnpij 2 其中 pijfj xi ∑ n i 1 fj xi fj xi 为第 i 个方案xi的第j 个属性值。 准则集的总 熵为 E ∑ m j1 Ej 由于信息量与熵成反比关系, 因此可以用下列的 量表征信息量权系数 。 dj1 -Ej 或 wj dj ∑ m j1 dj , j 1,2, ,m 3 由于各评价指标的重要性已隐含在分级标准中, 本研究由分级标准值来确定常规权重 λ j, 该权重计 算公式如下 λ j s k- 1 j s1j ∑ m p1 s k- 1 p s1p , j 1,2, ,m 。 4 式中 λj 第 j 个指标的常规权重 ; k 标准分级数 。 综合常规权重 λ j和客观权重wj可得新的改进 的熵权权重。 w 0 j λ jwj ∑ m j 1 λ jwj 5 V v11v12v1m v21v22v2m  vn1vn2vnm 6 vijw 0 jrij, i 1, , n ; j 1,2, , m 。 w 0 j是第j 个属性 指标 的权重 。 步3 确定理想解 x 、负理想解 x -和虚拟最劣 解 x ＊ x＊ 3x - - 2x 。 x { max i vij i 1, 2, , n} { x 1, x 2, , x m} x - { min i vij i 1 ,2, , n} { x - 1, x - 2, , x - m} x ＊ { 3x - 1-2x 1,3x - 2- 2x 2, ,3x - m-2x m} { x ＊ 1, x ＊ 2, , x ＊ m} 步4 计算距离。每个方案到理想解 x 的距离是 s i ∑ m j 1 vij-x j 2 7 每个方案到虚拟最劣解 x ＊的距离是 s ＊ i ∑ m j 1 vij-x ＊ j 2 8 步 5 计算每个方案对理想解的相对接近度指数 ci。 cis ＊ i s ＊ is i 9 步 6 按 ci由大到小的顺序排列方案的优先 次序 。 以上 6步构成确定水环境质量等级的基于熵权 的水环境质量综合评价 TOPSIS 法。 2 应用实例 利用目前正在进行的全国水资源综合规划所提供 的资料,现用本方法对长江流域望江楼站污染较重的 4 月份水环境质量进行评价 。水环境质量评价标准见 表1; 望江楼 19932004- 04水环境监测指标见表2。 表 1 水环境质量评价标准mg L 项目Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类 溶解氧 ≥饱和率 90 或7. 5 7. 5～ 66～ 55～ 33～ 2 高锰酸盐指数≤22～ 44～ 66～1010～ 15 BOD5 ≤3≤33～ 44～ 66～ 10 NH3-N ≤0. 150. 15～ 0. 50. 5～ 11～ 1. 51. 5～ 2 挥发酚≤0. 002≤0. 0020. 002～ 0. 005 0. 0005～0. 010. 01～ 0. 1 镉≤0. 0010. 001～ 0. 005 0. 001～ 0. 005 0. 001～ 0. 0050. 01 表 2 望江楼 19932000-04水环境监测指标mg L 年份 年 溶解氧 高锰酸 盐指数 BOD5NH3-N挥发酚镉 19937 . 82. 96 . 20. 470 . 0090 19940 . 17. 947. 811. 60 . 0040 19952 . 19. 431. 83. 880 . 0040 19960 . 69. 932. 68. 010 . 0400 . 011 19971 . 63. 914. 910. 50 . 0140 19980 . 79. 818. 42. 530 . 0230 19990 . 910 . 141. 02. 570 . 0160 20001 . 46. 224. 96. 220 . 0180 采用本方法进行评价, 望江楼水环境质量从优到 劣依次为 1993 年、1995 年、1997 年、1994 年 、 2000 年 、 1999年、1998 年、1996 年 。可以看出 1996 年到2000年 的水环境质量有所改观 。由于 1993 年水环境质量介 于Ⅰ 级和Ⅱ级标准最低界限值之间, 所以它属于Ⅱ 级 。 1995年 、 1997年 、 1994年水环境质量介于Ⅲ级和Ⅳ级标 准最低界限值之间, 所以它们属于Ⅳ级。而 2000 年 、 1999年 、 1998年 、 1996年水环境质量介于Ⅳ级和Ⅴ级标 准最低界限值之间,所以它们属于Ⅴ级。 评价结果如表 3 所示 , 由表 3 可以看出 1993 年 76 环 境 工 程 2007年 8 月第25 卷第4 期 到2000年望江楼的水环境质量日趋恶化, 必须要对 其进行治理。通过理论分析和所掌握的数据新方法 的评价结果比原有 TOPSIS 法结果更为科学合理。 表 3 望江楼 19932000 -04水环境质量评价结果 方法 年份 19931994199519961997199819992000 改进的 TOPSIS 方法 ⅡⅣⅣⅤⅣⅤⅤⅤ 原有的 TOPSIS 方法 ⅡⅤⅤ劣ⅤⅤⅤⅤⅤ 3 结论 本研究提出了基于熵权的改进的 TOPSIS 法。新 方法对决策矩阵规范化既采用了比例规一化方法,解 决了原有 TOPSIS 法中采用向量归一化方法出现的依 赖于评价单位这一问题,又用虚拟最劣解取代负理想 解,解决了评价结果不分明问题。新方法采用新的熵 权权重模型,这样使得评价更加客观合理。另外,用该 法对长江流域望江楼站点的水环境质量进行了综合评 价,取得了比原来的TOPSIS 法更加合理的评价结果。 参考文献 [ 1] Hwang C L, Lin M J. 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So, some suggestions were given as following leakage prevention structure of our domestic waste landfill should be composite leakage prevention structure; the thickness of artificial membrane and compacted clay liner must be at least 1. 5mm and 50 cm respectively. Keywords domestic waste landfill, leakage control structure and standard WET DYNAMIC ANAEROBIC FERMENTATION OF MUNICIPAL ORGANIC WASTES Xiao Hong Peng Hong 65 Abstract Based on analysis of the current status o treatment technology for municipal organic wastes and according to domestic conditions, wet dynamic anaerobic fermentation was put forward as a new type of process. Further, the optimal program of wet dynamic anaerobic fermentation was selected. As the core part, the technological process and the function of every partwere emphatically introduced. In conclusion, the advantages of the technology were summarized and the disadvantages were explored and relative measures were suggested. Keywords organic wastes, wet dynamic anaerobic fermentation and process research DEVELOPMENT OF FULL DIGITAL ENVIRONMENTAL MONITORING SYSTEM IN PAN STEEL WORKSWang Xue Yue Haifeng Xie Zhijiang et al 70 Abstract It was studied network-topological structure based on B S and C S, logical fabric and a series of key technologies. Four data levels, signal acquiring level, digital data collecting level, part districtmanagement level and center management level, were designedinthe system, and user terminals were divided into part clients, center clients and mobile clients, whichwere connected via Internet or Intranet. It adopt support vector machine SVM to gain more exact exhausting value of smog and dust than sensors. The application indicated the system run reliably and expediently, which could be a reference for other environment monitoring applications in big enterprises. Keywords digital, environment, image processing, SVM and monitoring system THE STUDY AND APPLICATION OF THE DETERMINATION OF BOD WITH DIFFERENTIAL PRESSURE Wang Xiquan Wang Qiuju Kong Xiangyi 74 Abstract The determination of BOD using pressure distinction instrument was studied because it has the advantages of simple operation, simplifies a lot of operating processes and BOD can be monitored continuously with the . It is concluded that there is no obvious difference between manometric and standard dilutioninoculation by the contrast of these two s and the statistical check of the difference of these two s. This has been found to be reliable through comparing the analytical results of thewater samplesusing these two s. Keywords determination, BOD and differential pressure COMPREHENSIVE ASSESSMENT OF WATER ENVIRONMENT QUALITY BY TOPSIS BASED ON ENTROPY WEIGHTChen Qiang Yang Xiaohua 75 Abstract To solve the phenomena of vector normalizationin the TOPSIS depending on the uation unit and the phenomena of the negative -ideal solution in the TOPSIS without considering the relative importance of these distances, it was put forward a new TOPSIS basedon entropy weight. In the new assessment , we adopt proportion normalization and introduce entropy weight into the assessment and the dummy negative -ideal solution to solve the said problem. Then, we make it use at the Wangjianglou in Changjiang River, and assess the quality of the water environment in the latest eight years. Finally, the result of the new is more reasonable than the traditional TOPSIS by making a comparison between the two results. Keywords water environment quality , TOPSIS , entropy weight and comprehensive assessment THE PROCESS DESIGN FOR TREATING RUBBER ACCELERATORWASTEWATER Chu Jinyu Wang Wanjun Zheng Xiaohei et al 78 Abstract Different s are used to treat different wastewater according to the characteristics factor of wastewaters, which are discharged from the production of rubber accelerators. Salinity wastewater ispretreated for desalting by evaporating. High concentrationwastewater ispretreated by micro electrolysis-Fenton oxidation -flocculating settling process. After pretreatment, the wastewaters hard to deal with are mixed with low concentration wastewater. The all wastewater is treated in the biological disposal facilities, namely combined treatment process consisting of hydrolytic -acidification, ABR andoxidation ditch. The quality of the effluent after the treatment canmeet the third -order of national standard for the comprehensive discharging of wastewater. Keywords pretreatment separately according to wastewater quality, salinity wastewater, micro -electrolysis, Fenton, hydrolytic -acidification and anaerobic baffled reactor ABR RECONSTRUCTION OFHOTDIPGALVANIZINGPROCESSFORCOMPREHENSIVE POLLUTION ABATEMENTTang Bing Bai Xuemei Cai Bin et al 81 Abstract Hot dip galvanzing production is a traditional industry with heavy pollution. Single treatment to three wastes not only brings high expense for disposal, but also presents secondary pollution. According to a reconstruction project of a hot dip galvanizing workplace inGuangzhou, the pollution sources in practical production were analysed generally, comprehensive pollution abatement in all processes was achieved through reconstructing production procedure, improving the ratio of materials and energy utilization, reducing the production of pollutants. Based on this 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25,No. 4, Aug . , 2007