錢(qián)琪所 ，林秀珠

(1. 云南省環(huán)境工程評(píng)估中心，云南 昆明 650032；2. 福建師范大學(xué)福清分校，福建 福清 350300)

城市噪聲監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)研究

錢(qián)琪所1，林秀珠2

(1. 云南省環(huán)境工程評(píng)估中心，云南 昆明 650032；2. 福建師范大學(xué)福清分校，福建 福清 350300)

摘要：為探討城市以較少網(wǎng)格監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲得較科學(xué)的聲環(huán)境信息，分析區(qū)域環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化問(wèn)題，減少每年監(jiān)測(cè)帶來(lái)的巨大工作量。在借鑒國(guó)內(nèi)噪聲監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)境噪聲污染特征，以福建省某城市為例，運(yùn)用物元分析法和熵權(quán)法確定最優(yōu)測(cè)點(diǎn)數(shù)，把該市區(qū)域環(huán)境噪聲普查的152個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位優(yōu)化為12個(gè)。將此方法與統(tǒng)計(jì)分析方法作比較，經(jīng)驗(yàn)證，兩種方法監(jiān)測(cè)的等效聲級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)差平均值均<2dB(A)，監(jiān)測(cè)結(jié)果之間無(wú)顯著性差異

關(guān)鍵詞：城市噪聲監(jiān)測(cè)；優(yōu)化布點(diǎn)；物元分析；熵權(quán)法；統(tǒng)計(jì)分析法

0引言

城市區(qū)域環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)作為環(huán)境監(jiān)測(cè)體系的一個(gè)重要組成部分，噪聲監(jiān)測(cè)布點(diǎn)的合理性關(guān)系到能否客觀、準(zhǔn)確地反映城市噪聲環(huán)境質(zhì)量。城市環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)研究的一個(gè)重要內(nèi)容就是用較少的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位來(lái)反映整個(gè)城市的噪聲水平。為了解決城市噪聲監(jiān)測(cè)的實(shí)際問(wèn)題，須選取一個(gè)或多個(gè)能代表整個(gè)城市建成區(qū)環(huán)境噪聲平均水平的測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行長(zhǎng)期噪聲定點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)優(yōu)化布點(diǎn)工作進(jìn)行了大量的研究[1-5]。

本研究以福建省某城市網(wǎng)格布點(diǎn)法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，以物元分析法和熵權(quán)法確定最優(yōu)測(cè)點(diǎn)數(shù)，并將其結(jié)果與統(tǒng)計(jì)分析方法作比較。

1物元模型相關(guān)理論[6-9]

1.1理想點(diǎn)和期望點(diǎn)

對(duì)某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，選擇出各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)值的最大值和最小值。對(duì)于越大越好型指標(biāo)，其最小值和最大值分別構(gòu)成“最佳理想點(diǎn)”a(最小值)和“最次理想點(diǎn)”b(最大值)，并取各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)值的平均值構(gòu)成“期望點(diǎn)”c(均值)。

1.2構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣和節(jié)域物元矩陣

由“期望點(diǎn)”c分別與“最佳理想點(diǎn)”a和“最次理想點(diǎn)”b構(gòu)成兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣：

(1)

(2)

由a、b兩點(diǎn)組成的事物，其各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值的范圍相比較標(biāo)準(zhǔn)事物數(shù)值的范圍擴(kuò)大化了，其量值范圍組成節(jié)域事物的物元矩陣：

(3)

式中：M 表示事物；Qj表示關(guān)于M事物的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3物元矩陣的構(gòu)建

將每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位作為一個(gè)事物，其指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值構(gòu)成一個(gè)物元矩陣：

(4)

式中：xij(i=1，2，……，n； j=1，2，……，m)為第i個(gè)點(diǎn)第j項(xiàng)污染指標(biāo)值。

1.4熵權(quán)法賦權(quán)

為了避免人為因素的干擾，在確定權(quán)重時(shí)，采用Shannon法，從指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)入手，利用數(shù)據(jù)自身信息，客觀賦權(quán)。其具體步驟如下：

(1)初始矩陣的構(gòu)建

設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象有m個(gè)指標(biāo)，則第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第j個(gè)指標(biāo)記為xij，其形成初始矩陣：

(5)

(2)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化矩陣

利用指標(biāo)不同屬性，可將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為正向型指標(biāo)和負(fù)向型指標(biāo)。因此，在確定各指標(biāo)權(quán)重之前，需要先對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行歸一化處理，具體方法如下：

(6)

從而得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

(7)

(3) 熵的確定

設(shè)第j個(gè)指標(biāo)第i個(gè)評(píng)價(jià)點(diǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)比重為：

(8)

則第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵為：

(9)

(4)熵權(quán)的確定

第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為：

(10)

1.5構(gòu)建關(guān)聯(lián)函數(shù)

根據(jù)節(jié)域物元矩陣和標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣，分別構(gòu)建待優(yōu)化物元與標(biāo)準(zhǔn)物元之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)Ka(xij)、Kb(xij)以及綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)Ka(xi)、Kb(xi)。以Ka(xi)、Kb(xi)為坐標(biāo)軸，做出待優(yōu)化斷面的聚點(diǎn)圖。根據(jù)圖中點(diǎn)的分布，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。

各單項(xiàng)環(huán)境污染因子對(duì)“最佳”和“最次”理想點(diǎn)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值為：

Ka(xij)=(xij-cj)/(cj-aj)

(11)

綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

(12)

2實(shí)例分析

2.1選擇理想點(diǎn)和期望點(diǎn)

以福建省某城市的環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，最后3行列出了“最佳理想點(diǎn)a”、“最次理想點(diǎn)b”和“數(shù)學(xué)期望點(diǎn)c”的數(shù)據(jù)，具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)及表1中的數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣和節(jié)域矩陣：

2.2構(gòu)建物元矩陣

根據(jù)式(4)和表1分別寫(xiě)出各個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)的物元矩陣，限于篇幅，只給出1號(hào)測(cè)點(diǎn)的物元矩陣：

2.3熵權(quán)法賦權(quán)

2.3.1構(gòu)建初始矩陣

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，形成初始矩陣：

表1　福建省某城市噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2.3.2矩陣標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)環(huán)境噪聲的屬性，判斷其評(píng)價(jià)指標(biāo)為負(fù)向型指標(biāo)。因此，根據(jù)式(6)的負(fù)向型指標(biāo)對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行歸一化處理，從而得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

2.3.3權(quán)重系數(shù)的確定

根據(jù)熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表2。

2.4關(guān)聯(lián)函數(shù)的確定

據(jù)式(11)、式(12)測(cè)算綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)值，結(jié)果見(jiàn)表3。以Ka、Kb為坐標(biāo)軸，分別作出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的點(diǎn)聚圖，如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，幾乎所有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)都分布在Ⅱ、Ⅳ兩個(gè)象限內(nèi)。其中，Ⅱ象限內(nèi)的點(diǎn)符合最劣點(diǎn)條件，Ⅳ象限內(nèi)的點(diǎn)符合最佳點(diǎn)條件?？拷c(diǎn)的點(diǎn)在一定條件下可以向第Ⅱ象限、Ⅳ象限轉(zhuǎn)化。本研究采用的點(diǎn)位分類(lèi)方法是：計(jì)算所有點(diǎn)位與原點(diǎn)之間的距離r。在同一象限內(nèi)，r≤0.2的點(diǎn)位歸為同一類(lèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，0.21的點(diǎn)位為同一類(lèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)此方法的計(jì)算結(jié)果，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)可分為十二類(lèi)，見(jiàn)表4。

表2　各指標(biāo)熵值與熵權(quán)

表3　綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)結(jié)果

表4　各點(diǎn)位的分類(lèi)結(jié)果類(lèi)別點(diǎn)位距離平均值優(yōu)選點(diǎn)位一

類(lèi)別點(diǎn)位距離平均值優(yōu)選點(diǎn)位一1、2、38、54、55、93、100、103、128、140、144、170、171、172、177、180、185、41、45、133、99、122、147、187、121、67、71、75、79、83、1150.100945二36、107、135、156、160、173、179、33、48、95、138、24、146、183、42、96、101、1230.2914156三69、130、131、137、184、25、178、4、52、116、1820.46914四53、70、150、1570.758070五118、158、1140.8620114六43、441.307444七30、37、39、40、51、61、62、63、68、89、105、117、120、136、143、174、175、176、47、91、110、139、106、134、31、73、74、80、81、102、112、113、126、127、1810.0919181八3、10、11、21、28、60、78、104、132、19、20、32、65、72、88、108、125、186、5、15、92、77、1290.293620九12、29、49、50、56、97、23、76、1090.484229十22、57、13、85、86、98、111、6、640.660098十一66、140.856614十二87、1241.094887

表5　各功能區(qū)優(yōu)化點(diǎn)位表

注：( )內(nèi)數(shù)字為監(jiān)測(cè)點(diǎn)編碼。

2.5確定優(yōu)化點(diǎn)位

對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的選擇方法，大致可分為3種[10-12]：選擇符合程度較高的點(diǎn)作為優(yōu)選點(diǎn)；選擇符合程度最高和最不穩(wěn)定有可能轉(zhuǎn)化的點(diǎn)位為優(yōu)選點(diǎn)；將分布相對(duì)集中的點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，選擇其中符合程度最高的點(diǎn)作為該類(lèi)點(diǎn)的代表。

以上3種方法都具有一定合理性，文獻(xiàn)[13]在上述方法的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)。本研究直接采用文獻(xiàn)[13]的方法來(lái)選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。步驟如下：①計(jì)算所有的點(diǎn)與原點(diǎn)之間的距離r；②計(jì)算這些距離的平均值；③選取最接近該平均值的點(diǎn)作為該類(lèi)別的優(yōu)選點(diǎn)。

由表6可見(jiàn)，優(yōu)化法和統(tǒng)計(jì)分析法的噪聲等效聲級(jí)平均值相差不大，僅為0.47dB(A)，標(biāo)準(zhǔn)偏差值也僅為1.83dB(A)。

3結(jié)果檢驗(yàn)

3.1t檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚14]

為了檢驗(yàn)優(yōu)化出的點(diǎn)位是否能夠代表該區(qū)域環(huán)境噪聲的總體水平，本研究采用“t檢驗(yàn)”法對(duì)優(yōu)化點(diǎn)位平均值與統(tǒng)計(jì)分析平均值進(jìn)行比較。

式中：μ0為優(yōu)化法Leq值；μ為統(tǒng)計(jì)分析法Leq值；n為優(yōu)選點(diǎn)數(shù)；s為優(yōu)化法S值。

3.2t檢驗(yàn)結(jié)果

假設(shè)H0：μ=μ0，根據(jù)公式(13)計(jì)算 t 值，確定α= 0.05，根據(jù)自由度v= n-1，從 t 值表查出 t0. 05(n′)的界限值，檢驗(yàn)結(jié)果列于表7。

表7　t檢驗(yàn)結(jié)果

由表7可知，該城市各功能區(qū)及全市計(jì)算出的t值均

4結(jié)論與建議

(1)通過(guò)對(duì)城市區(qū)域環(huán)境噪聲普查優(yōu)化布點(diǎn)進(jìn)行研究分析，采用了一種簡(jiǎn)單、快速、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的城市噪聲監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)方法，既能代表整個(gè)城市區(qū)域環(huán)境噪聲的總體水平，又能代表城市不同區(qū)域的環(huán)境噪聲水平。同時(shí)，優(yōu)化出的點(diǎn)位比較均勻地分布在全市范圍內(nèi)，覆蓋了全市各個(gè)不同環(huán)境噪聲水平的小區(qū)域，能比較真實(shí)可靠地監(jiān)控全市的環(huán)境噪聲污染水平。

(2)優(yōu)選測(cè)點(diǎn)的位置兼顧了聲源、環(huán)境敏感點(diǎn)等多種因素，具有較好的代表性[15]。

(3)利用物元分析理論和熵權(quán)法選取最佳點(diǎn)位對(duì)城市區(qū)域環(huán)境噪聲進(jìn)行優(yōu)化布點(diǎn)，既能有效地反映城市聲環(huán)境質(zhì)量，滿足國(guó)家規(guī)范要求，又能節(jié)省大量人力、物力，有利于監(jiān)測(cè)水平的提高和城市聲環(huán)境的管理。

(4)將優(yōu)化結(jié)果與統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行比較，兩種方法具有相同的精密度，均無(wú)顯著性差異，結(jié)果滿意。

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Research on Optimization of Urban Noise Monitoring Site

QIAN Qi-suo1, LIN Xiu-zhu2

(1. Yunnan Provincial Center for Environmental Engineering, Kunming Yunnan 650032, China)

Abstract：In order to get more scientific acoustic environmental information with less monitoring sites, the optimization of noise monitoring sites of the urban area was analyzed. Based on the current results of optimizing the noise monitoring sites combining with the characteristics of noise pollution in China, Fuqing city was studied as a case. The 152 monitoring points were optimized to 12 using the substance element analysis and coefficient of entropy. Comparing the method with the statistical analysis method, the equivalent sound level and standard deviation of the two methods are all less 2 dB(A). Therefore, there was no significant difference between these two methods.

Key words：noise monitoring; optimization; urban noise; matter element analysis; statistical analysis

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中圖分類(lèi)號(hào)：X839.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-9655(2015)04-0112-06

作者簡(jiǎn)介：錢(qián)琪所(1979-)，男，工程師。

收稿日期：2015-03-02