食品污染綜合評(píng)價(jià)的模糊數(shù)學(xué)方法

1、2000年 5月M ay, 2000食品污染綜合評(píng)價(jià)的模糊數(shù)學(xué)方法3周澤義 1, 2, 樊耀波 1, 王敏健 (11中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 , 北京 100085, E 2m ail :m j w ang m ail . rcees. ac . cn ; 21國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心 摘要 :研究食品污染綜合評(píng)價(jià)的模糊數(shù)學(xué)方法 , 建立食品污染綜合評(píng)價(jià)的模糊數(shù)學(xué)方法模型 , 并應(yīng)用于北京市主要蔬菜 、 水果和 肉類中重金屬 、 農(nóng)藥 、 多環(huán)芳烴 、 硝酸鹽和亞硝酸鹽污染調(diào)查結(jié)果的綜合評(píng)價(jià) , 取得了較為滿意的結(jié)果 . 關(guān)鍵詞 :食品污染 , 綜合評(píng)價(jià) , 模糊數(shù)學(xué) .中圖分類號(hào) :X 11

2、文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :025023301(2000 0320022205 3國(guó)家 “ 九五” 科技攻關(guān)課題 :962120280(T he N ati onal KeyScience and T echno logy P ro ject during the N inth F ive 2Year P lan Peri od , num bered :962120280 33通訊聯(lián)系人作者簡(jiǎn)介 :周澤義 (1966 , 男 , 安徽巢縣人 , 理學(xué)博士 , 工程師 , 分析化學(xué)專業(yè) 收稿日期 :1999207224Fuzz i ng M a thema tics M ethod i n

3、the Com prehen sive A en t ofFood Con tam i na tion3Zhou Zeyi 1, 2, Fan Yaobo 1, W ang M in jian 1(11R r 2, inese A 2cadem y of Sciences , Beijing 100085, E 2m m . 2. R esearch Center fo r CRM , Beijing :a of fuzzing m athem atics in the app licati on of food contam inati on comp re 2hensive ent . m

4、 athem atics model of food contam inati on comp rehensive assess m ent w as con 2structed , h w as p roved to be useful in the comp rehensive assess m ent of heavy m etals , pesticides , po ly 2cyclic arom atic hydrocarbons , nitrate and nitrite com tam inati on in the vegetables , fruits and m eats

5、 in Beijing city .Keywords :food contam inati on , comp rehensive assess m ent , fuzzing m athem atics. 模糊數(shù)學(xué)方法已用于水質(zhì)污染 、 大氣污染和多目 標(biāo)規(guī)劃等綜合評(píng)價(jià)方面 1,2. 如何利用大量的食品及污 染物的背景信息 、 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 、 試驗(yàn)研究成果等來評(píng)價(jià)食 品污染水平 , 得到優(yōu)先監(jiān)測(cè)污染物和優(yōu)先監(jiān)測(cè)食品品 種一直是人們關(guān)注的問題 . 文獻(xiàn)報(bào)道的食品污染評(píng)價(jià) 方法往往只根據(jù)各污染物的限量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行逐級(jí)評(píng)價(jià) , 對(duì)多污染物的綜合評(píng)價(jià)主要是主觀比較判斷 , 沒有量 化比較的概念 35, 近

6、年來 , 國(guó)外一些研究機(jī)構(gòu) 6,7在 確定優(yōu)先監(jiān)測(cè)污染物和優(yōu)先監(jiān)測(cè)食品品種時(shí) , 對(duì)各評(píng) 價(jià)因素確定評(píng)價(jià)打分細(xì)則 , 進(jìn)行量化比較打分 , 最后將 各評(píng)價(jià)因素的打分結(jié)果以乘積的形式計(jì)算 , 根據(jù)計(jì)算 值的大小進(jìn)行排序 , 這種辦法雖然很有效 , 但理論上無 法解釋 6,7. 本文將研究如何利用模糊數(shù)學(xué)中的評(píng)價(jià)方 法來綜合評(píng)價(jià)食品污染水平 , 并將該方法應(yīng)用于北京 市主要蔬菜 、 水果和肉類中重金屬 、 農(nóng)藥 、 多環(huán)芳烴 、 硝 酸鹽和亞硝酸鹽污染調(diào)查結(jié)果的綜合評(píng)價(jià) , 得出了北 京市食品污染的主要污染物和主要污染食品 .1模糊數(shù)學(xué)的評(píng)價(jià)方法模糊數(shù)學(xué)是描述沒有明確界限的模糊事物的數(shù)學(xué)分析方法

7、. 利用模糊數(shù)學(xué)中的模糊變換可以對(duì)各有關(guān)因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià) . 綜合評(píng)價(jià)問題也是多目標(biāo)決策問 題 . 用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí) , 應(yīng)具備 3個(gè)條 件 :(1 因素集合 U =u 1, u 2, , u n ,共有 n 個(gè)因素 . (2 評(píng)價(jià) (評(píng)語(yǔ) 集 V =v 1, v 2, , v m ,有 m 個(gè)評(píng)價(jià) . 即代表評(píng)價(jià)等級(jí) 、 分類的集合 (3 評(píng)價(jià)矩陣設(shè)第 i 個(gè)因素的單因素評(píng)價(jià)為 i =(r i 1, r i 2, r i m , 它可以看作是 V 上的一個(gè)模糊子集 , 其中 r ik 表示第 i 個(gè)因素的評(píng)價(jià)對(duì)于第 k 個(gè)等級(jí)的隸屬度(隸屬度 :屬于或相關(guān)的程度 , n 個(gè)因素的

8、總的評(píng)價(jià)矩 陣為 :=12=r 11r 12 r 1m r 21r 22 r 2m r n 1r n 2r n (1在進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí) , 要考慮各個(gè)因素對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)所起作用的大小 , 這種評(píng)價(jià)作用就形成了因素集合 U 上的一個(gè)模糊子集 =(1, 2, , n (2其中 i 為 u i 對(duì) 的隸屬度 , 它就是單獨(dú)考慮因素 u i 對(duì) 評(píng)價(jià)等級(jí)所起作用大小的度量 , 代表了根據(jù)單因素 u i 評(píng)價(jià)等級(jí)的能力 , 其極值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)歸納值給出 . 稱 U ,V , 為評(píng)價(jià)空間. 給定 , 后 , 即可進(jìn)行綜合評(píng)價(jià) , 這 種運(yùn)算一般寫成如下形式 :=×(3用圖框可表示為 : (總因素 總評(píng)價(jià)結(jié)

9、果根據(jù)對(duì) 取不同類型的運(yùn)算 , 就構(gòu)成了不同的評(píng)價(jià)模型 . 在食品污染綜合評(píng)價(jià)中筆者將采用下面的評(píng) 價(jià)模型 :記作 M ( , , 其中 , (100, i =1n 個(gè)數(shù)在:b j = ni =1i rij=m in (100, ni =1i rij(5上述模型有下面 2個(gè)特點(diǎn) :在決定各因素的評(píng)價(jià)對(duì) 等級(jí) v j 的隸屬度 b j 時(shí) , 考慮了所有因素 u i (i =1, 2, ,n 的影響 ; 由于同時(shí)考慮所有因素 , 所以各 i 具有權(quán)系數(shù)的含義 , 因此 i 應(yīng)滿足歸一化的條件 , 即 ni =1i =1. 可以說這個(gè)模型代表 “加權(quán)平均型” 的綜合評(píng)價(jià) , 簡(jiǎn)單的說 , 該模型的

10、物理意義是加權(quán)平均 , 數(shù)學(xué)運(yùn)算變成 一般矩陣乘法 .2北京市食品污染調(diào)查的綜合評(píng)價(jià) 211評(píng)價(jià)因素北京市食品污染調(diào)查中 , 共調(diào)查了土豆 , 大蔥 , 大 白菜 , 黃瓜 , 洋白菜 , 番茄 , 茄子 , 冬瓜 , 蔥頭 , 芹菜 , 西 瓜 , 柑橘 , 蘋果 , 香蕉 , 梨和豬肉 16種食品 ; 每種食品均 測(cè)定了 DD T , 666, 敵敵畏 , 敵百蟲 , 樂果 , 氧化樂果 , 甲 拌磷 , 對(duì)硫磷 , 甲基對(duì)硫磷 , 辛硫磷 , 馬拉硫磷 , 銅 , 鎘 , 汞 , 鉛 , 鉻 , 錳 , 鎳 , 砷 , 蒽 , 苯并 a 蒽 , 螢蒽 , 苯并 a 芘 , 硝酸鹽和亞硝酸

11、鹽 25種污染物 . 要從這 16種食品和25種污染物中評(píng)價(jià)篩選出主要污染食品和主要污染物 , 就必須綜合考慮下面這些因素 :如品種的多樣性 、 污染物的多樣性 、 各種污染物 , . 1表 1評(píng)價(jià)因素量化比較 6, 7評(píng) 價(jià) 因 素影響因子大小打分污染指數(shù) (I 超標(biāo)率 (C 污染物的毒性 (D 污染物在環(huán)境中的富集 (E :污染物 的暴露時(shí)間和富集行為 I =110C =110D =110E =15各污染物的毒性 (D 量化打分原則和打分結(jié)果見 表 23; 各污染物在環(huán)境中的富集 (E 打分原則和打 分結(jié)果見表 451各類食品的消費(fèi)量 (V 量化打分原則為 :銷售量小 于 5萬 t 為 1

12、; 58萬 t 為 2; 811萬 t 為 3; 1114萬 t 為 4; 1417萬 t 為 5; 大于 17萬 t 為 6表 6為所要 研究的 16種食品量化打分結(jié)果 .表 2污染物的毒性量化打分原則 6毒 性 征 狀量化打分 (D 值 對(duì)人有顯著致癌性或?qū)?dòng)物有強(qiáng)烈致癌性 , 對(duì)遺傳基因有損害或能夠進(jìn)行毒性復(fù)制 .對(duì)動(dòng)物有顯著致癌性 , 體內(nèi)試驗(yàn)有致突變性或能夠毒性復(fù)制或?qū)θ说捏w細(xì)胞具有遺傳損害性 . 至少有一項(xiàng)試管致突變性試驗(yàn)呈陽(yáng)性或體內(nèi)復(fù)制篩余物試驗(yàn)呈陽(yáng)性或?qū)?dòng)物有顯著致癌性 , 而對(duì)人的致突變性或毒性復(fù)制不明確或不確定 .對(duì)呼吸道顯著敏感或口服致毒量在 90d 研究中小于 5m g

13、 kgbw d -1. 對(duì)皮膚顯著敏感或口服致毒量在 90d 研究中小于 5m g kgbw d -1. 沒有數(shù)據(jù)表明具有致突變性或毒性復(fù)制或顯著累積效應(yīng) .有一項(xiàng)體內(nèi)致突變?cè)囼?yàn)呈陰性但至少有一項(xiàng)試管試驗(yàn)呈陽(yáng)性或體內(nèi)復(fù)制篩余物試驗(yàn)呈陰性或 無重復(fù)毒性劑量數(shù)據(jù) .致畸變性呈陰性或口服對(duì)鼠半致死量 LD 50 25m g kg .試管基因突變?cè)囼?yàn)呈陰性或僅使染色體異?；騼H對(duì)生育力有影響 , 或口服對(duì)鼠半致死量 LD 50 2000m g kg , 或?qū)ζつw有腐蝕或?qū)ρ劬?yán)重?fù)p傷 .使眼 , 呼吸道或皮膚感到不舒服 , 或口服對(duì)鼠半致死量 LD 50 200m g kg .10987651 4321

14、1默認(rèn)值 :對(duì)無法確定毒性大小的以默認(rèn)值計(jì) 323期環(huán)境科學(xué) 表 3污染物的毒性量化打分結(jié)果 8, 9污染物 D 值 污染物 D 值 污染物 D 值 敵敵畏 8硝酸鹽 7銅 7敵百蟲 8亞硝酸鹽 9鋅 2樂果 8蒽 8鎘 8氧化樂果 8苯并 a 蒽 8汞 7甲拌磷 7螢蒽 8鉛 8對(duì)硫磷 9苯并 a 芘 8鉻 7甲基對(duì)硫磷 966610錳 8辛硫磷 7DD T 9砷 8馬拉硫磷 9鎳 8表 4污染物在環(huán)境中的富集量化打分原則 6, 7生物富集因子 (BCF log K 1 ow 量化打分 (E 值 小于 10小于 2110100232 1001, 000343 1, 00010, 000454

15、大于 10, 000大于 551 log K ow :正辛醇 2水分配系數(shù) 表 5污染物在環(huán)境中的富集量化打分結(jié)果 1016污染物 E 值 log K ow BCF 值 1 重金屬 E 值 log K ow BCF 值 1 66655115對(duì)硫磷 33176DD T 5517甲基對(duì)硫磷 221蒽 4415444苯并 a蒽 5519122螢蒽 551331<1苯并 a芘 561041<1硝酸鹽 1<101<1亞硝酸鹽 1<1鉛 1<1 1143鉻 1<1 10177錳 1<1 10180砷 1<1甲拌磷 33183鎳 1<1 1 生物富

16、集因子 .表 6食品的消費(fèi)量化打分結(jié)果 萬 t品種 土豆 大蔥 白菜 黃瓜 洋白菜 蕃茄 冬瓜 茄子 蔥頭 芹菜 西瓜 柑橘 蘋果 香蕉 梨 瘦肉 消費(fèi)量 20161213161912181113101611177185811681444810141112197144415015量化 (各污染物的污染指數(shù) (I 和超標(biāo)率 (C 打分原則見表 7表 7污染指數(shù)和超標(biāo)率打分原則污染指數(shù) 量化打分 (I 值 超標(biāo)率 量化打分 (C 值 小于 011 011012 012013 013014 014015 015016 017018 018019 019110 110210 210410 410610

17、 610810 8101010 101012100 12101410 >1410 1234567891112131415161718小于 0110110120120130130140140150150160170180180190191109101010101012101210141014101610161018101810201020102210>22101234567891112131415161718212評(píng)價(jià)方法 121211主要污染物的評(píng)價(jià)篩選采用模糊數(shù)學(xué)中的模糊變換對(duì) 25種污染物進(jìn)行 綜合評(píng)價(jià) (1 評(píng)價(jià)因素集合 U =某類污染物加權(quán)污染指數(shù) (Ii; 某類污染物加權(quán)

18、超標(biāo)率 (C t ; 污染物毒性 (D ; 污染物在環(huán)境中的富集 (E ,共有 4個(gè)因素 (2 評(píng)價(jià)集 V =DD T , 666, 敵敵畏 , 敵百早 , 樂果 , 氧化樂果 , 甲拌磷 , 對(duì)硫磷 , 甲基對(duì)硫磷 , 辛硫磷 , 馬拉 硫 磷 , 銅 , 隔 , 汞 , 鉛 , 鉻 , 錳 , 鎳 , 砷 , 蒽 , 苯并 a 蒽 , 螢 蒽 , 苯并 a 芘 , 硝酸鹽 , 亞硝酸鹽 ,25個(gè)污染物的評(píng) 價(jià) (3 評(píng)價(jià)矩陣 , 4個(gè)評(píng)價(jià)因素的總的評(píng)價(jià)矩陣為 : =123=r 11r 12 r 125r 21r 22 r 225r 31r 32 r 325r 41r 42 r(6 上述矩陣

19、 r ij 表示各評(píng)價(jià)因素量化打分值 , 其中 i =42環(huán)境科學(xué) 21卷14表示評(píng)價(jià)因素 , 依次為 :污染指數(shù) (I , 超標(biāo)率 (C , 污染物的毒性 (D , 污染物在環(huán)境中的富集 (E ; j =125表示污染物的種類 , 依次為 :DD T , 666, 敵敵畏 , 敵百蟲 , 樂果 , 氧化樂果 , 甲拌磷 , 對(duì)硫磷 , 甲基對(duì)硫 磷 , 辛硫磷 , 馬拉硫磷 , 銅 , 隔 , 汞 , 鉛 , 鉻 , 錳 , 鎳 , 砷 , 蒽 , 苯并 a 蒽 , 螢蒽 , 苯并 a 芘 , 硝酸鹽 , 亞硝酸鹽 (4 確定各因素對(duì)評(píng)定結(jié)果所起作用大小的模糊子集 =(1, 2, 3, 4(

20、7其中 i 為單獨(dú)考慮因素 u i 對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)所起作用大小 的度量 , 代表了單因素 u i 評(píng)價(jià)等級(jí)的能力 , 在滿足 i 歸一化的條件前提下 , 并考慮到各因素對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)所 起作用大小相等 , 則 :=(1, 2, 3, 4 =( 0125, 0125,0125, 0125 (5 按照 =×計(jì)算矩陣的直積 , 得出評(píng)價(jià)結(jié)果 :×124× 125r r 22 r 225r 31r 32 r 325r 41r 42 r =1r 11+ +4r 41 (1r 125+ +4r 425 (8對(duì)上式計(jì)算得到的 矩陣中元素的大小進(jìn)行排序 就可以得到 25種被調(diào)查污染物的污

21、染程度排序結(jié)果 21212主要污染食品的評(píng)價(jià)篩選采用模糊數(shù)學(xué)中的模糊變換對(duì) 16種被調(diào)查的食 品污染程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià) (1 評(píng)價(jià)因素集合 U =某類食品某類污染物平均污染指數(shù) (I i , 共 25種污染物的污染指數(shù) ; 某類食品某類污染物超標(biāo)率 (C i , 共 25種污染物的超標(biāo)率 ; 食品 的消費(fèi)量 (V ,共有 51個(gè)因素 ;(2 評(píng)價(jià)集 V =土豆 , 大蔥 , 大白菜 , 黃瓜 , 洋白菜 , 番茄 , 茄子 , 冬瓜 , 蔥頭 , 芹菜 , 西瓜 , 柑橘 , 蘋果 , 香 蕉 , 梨 , 豬肉 ,16種食品的評(píng)價(jià) (3 評(píng)價(jià)矩陣 , 51個(gè)評(píng)價(jià)因素的總的評(píng)價(jià)矩陣為 :=12=r

22、 11r 12 r 116r 21r 22 r 216r 511r 512r (9上述矩陣 r ij 表示各評(píng)價(jià)因素量化打分值 , 其中 i =151表示評(píng)價(jià)因素 , 依次為 :某類食品某類污染物平均污染指數(shù) (I I , 共 25種污染物的污染指數(shù) ; 某類食品某類污染物超標(biāo)率 (C i , 共 25種污染物的超標(biāo)率 ; 食 品的消費(fèi)量 (V ; j =116表示 16種食品 , 依次為 :土 豆 、 大蔥 、 大白菜 、 黃瓜 、 洋白菜 、 番茄 、 茄子 、 冬瓜 、 蔥 頭 、 芹菜 、 西瓜 、 柑橘 、 蘋果 、 香蕉 、 梨 、 豬肉 (4 確定各因素對(duì)評(píng)定結(jié)果所起作用大小的模

23、糊子集 =(1, 2, , 51(10其中 i 為單獨(dú)考慮因素 u i 對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)所起作用大小的度量 , 代表了單因素 u I 評(píng)價(jià)等級(jí)的能力 , 在滿足 I 歸一化的條件前提下 , 并考慮到各因素對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)所 起作用大小相等 , 則 :=(1, 2, , 51 =(010196,010196, , 010196 (5 按照 ×得出評(píng)價(jià)結(jié)果 :=×=151×r 1112 r 116r 511r 512 r =1r 11+ +51r 511 (1r 116+ +51r 516 (11對(duì)上式計(jì)算得到的 矩陣中元素的大小進(jìn)行排序 就可以得到 16種被調(diào)查食品的污染程度排

24、序結(jié)果 213評(píng)價(jià)方法 2為進(jìn)行比較 , 按照文獻(xiàn) 6, 7提供的評(píng)價(jià)方法 , 即 用乘積的方法模型將各評(píng)價(jià)因素打分結(jié)果進(jìn)行相乘計(jì) 算 , 根據(jù)計(jì)算的結(jié)果大小進(jìn)行排序 (1 主要污染物的評(píng)價(jià)篩選北京市食品污染調(diào)查主要污染物可通過計(jì)算下式進(jìn)行排序 :R i=I i×C t×E i×Di(12式中 , I i 為加權(quán)污染指數(shù)量化打分值 ; C i 為加權(quán)超標(biāo) 率量化打分值 ; D i 為某類污染物的毒性量化打分值 ; E i 為污染物在環(huán)境中的富集量化打分值 根據(jù) R i 值的大小對(duì)污染物進(jìn)行排序以確定污染 較重的污染物 篩選結(jié)果與 212評(píng)價(jià)方法 1的主要污 染物的

25、篩選結(jié)果基本一致 (2 主要污染食品的評(píng)價(jià)篩選北京市食品污染調(diào)查主要污染食品可通過計(jì)算下式進(jìn)行排序 :F j =V j × Ni =1(I i×C i×D i ×E i (13式中 , I i 為某類食品某類污染物平均污染指數(shù)的量化 打分值 ; C i 為某類食品某類污染物超標(biāo)率量化打分值 ;D i 為某類污染物毒性量化打分值 ; E i 為某類污染物在環(huán)境中的富集量化打分值 ; N =25; V j 為某類食品消費(fèi)523期環(huán)境科學(xué) 量打分值 根據(jù) F j 值的大小對(duì)主要污染食品進(jìn)行排序以確 定污染較重的食品 篩選結(jié)果與 212評(píng)價(jià)方法 1的主 要污染食

26、品的篩選結(jié)果基本一致 食品環(huán)境污染的綜合評(píng)價(jià)一直是食品污染研究領(lǐng) 域亟待解決的論題 , 本文從模糊數(shù)學(xué)的研究方法入手 , 從理論上找到了一些依據(jù) , 嘗試了模糊數(shù)學(xué)方法在食 品環(huán)境污染綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用 參考文獻(xiàn)1水本雅晴 (日 , 劉鳳璞 , 王銘文 , 解恩澤編譯 1模糊數(shù)學(xué) 及其應(yīng)用 北京 :科學(xué)出版社 , 1986136.2錢仲范 , 刁穎敏 1環(huán)境數(shù)學(xué) 1北京 :中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社 , 199513083573許宇飛 1沈陽(yáng)市主要農(nóng)產(chǎn)品污染調(diào)查及防治途徑研究 1農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù) , 1996, 15(1 :32354潘潔 , 陸文龍 11與發(fā)展 , (4 :5, 11上海環(huán) , 15(1:

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28、h ing Food M onito ring P ri o rities Based on Po tential H ealth R isk. J. A SSOC. O F. ANALA. CH E M. , 1985, 68(1 :163416498國(guó)家環(huán)境保護(hù)局有毒化學(xué)品管理辦公室 、 化工部化學(xué)化工研究院環(huán)境保護(hù)研究所編 1化學(xué)品毒性法規(guī)環(huán)境數(shù)據(jù) 手冊(cè) 1北京 :中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社 , 19921152889農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥鑒定所主編 1新編農(nóng)藥手冊(cè) 1北京 :農(nóng)業(yè)出版 社 , 198915236210沈明珠 , 翟寶杰等 1蔬菜硝酸鹽累積研究 1圓藝學(xué)報(bào) , 1982, 9(4 :414711 R ene P T Janssen , L eo Po sthum a et al . Equilibrium parti 2 ti on of heavy m etals in D utch field so ils . II . P redicti on of m etal accum ulati on in earthwo r m s . Environm ental Toxi 2 co logy and Chem istry , 1997, 16(12 :2479248812 T em ara