環(huán)境壓力指數(shù)及我國大氣環(huán)境壓力狀況評價

胡炳清,覃麗萍,柴發(fā)合,易 鵬 (中國環(huán)境科學研究院,北京 100012)

大氣環(huán)境是人類賴以生存的寶貴資源.然而,隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,人類經(jīng)濟活動所產(chǎn)生的大氣污染物排放量超過了大氣的自凈能力,對大氣環(huán)境產(chǎn)生了越來越大的壓力.如果這種壓力超過了大氣環(huán)境的最大承受能力,則會對人類的生活、生產(chǎn)和身體健康等方面產(chǎn)生危害,甚至人類社會也會無法生存.因此,如何定量評價大氣污染物排放量對大氣環(huán)境的壓力,以及如何根據(jù)大氣環(huán)境壓力的現(xiàn)狀及長期發(fā)展趨勢,協(xié)調經(jīng)濟發(fā)展與大氣環(huán)境效應之間的關系,是可持續(xù)發(fā)展研究的重要課題.

關于大氣環(huán)境質量評價的問題,國內外已經(jīng)進行了許多研究,提出了一些原則和評價標準,并用一定的評價方法對大氣環(huán)境質量的優(yōu)劣進行定性或定量的評估.但是,在大氣環(huán)境壓力的定量評價問題上,目前還沒有相關的研究.國內外現(xiàn)有的大氣環(huán)境質量評價方法大體可分為以下幾類[1]:大氣污染指數(shù)法、大氣污染生物評價法、大氣污染經(jīng)濟學評價法、專家評價法和模糊數(shù)學法.其中以大氣污染指數(shù)法的研究和應用最為廣泛,國際上最具代表性的評價方法有美國污染物標準指數(shù)評價法(PSI)[1]、美國格林環(huán)境空氣污染綜合指數(shù)[1]和加拿大環(huán)境空氣質量指數(shù)[1]等.我國專家學者在國外方法的基礎上,結合我國大氣污染的特點和實際,先后開發(fā)了環(huán)境空氣污染指數(shù)法(API)[2]和上海指數(shù)法[3].除典型評價方法之外,國內外又提出了多種大氣環(huán)境質量分析和評價的新方法,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡法[4]、遺傳算法[5]、集對分析法[6]、距離判別法[7]、物元可拓法[8]、環(huán)境壓力總量指標體系[9]等.這些方法的共同特點是依據(jù)大氣污染物的分級標準,根據(jù)大氣環(huán)境中各種污染物的監(jiān)測結果,評價大氣環(huán)境質量達到哪一級標準,且評價結論是抽象的描述性的結論,難以預測大氣環(huán)境變化的趨勢.鑒于此,本文設計了一種定量評價大氣環(huán)境壓力的方法——大氣環(huán)境壓力指數(shù)(AEPI)法,并利用該方法對我國大氣環(huán)境壓力狀況進行評價,為環(huán)保部門進行環(huán)境規(guī)劃與管理提供依據(jù).

1 環(huán)境壓力指數(shù)

環(huán)境壓力指數(shù)(EPI)是指人類經(jīng)濟社會活動對環(huán)境產(chǎn)生不利影響與作用而導致的環(huán)境壓力的綜合指數(shù).環(huán)境壓力指數(shù)可以分為絕對環(huán)境壓力指數(shù)和相對環(huán)境壓力指數(shù).絕對環(huán)境壓力指數(shù)是指單位面積上人類經(jīng)濟社會活動產(chǎn)生環(huán)境污染物的強度,相對環(huán)境壓力指數(shù)是指單位面積上人類經(jīng)濟社會活動產(chǎn)生環(huán)境污染物的強度與表征空氣質量優(yōu)劣的無量綱指數(shù)(權重)的乘積.

1.1 區(qū)域絕對環(huán)境壓力指數(shù)

區(qū)域絕對環(huán)境壓力指數(shù)(RAEPI)是指區(qū)域(全國、省、市等)環(huán)境污染物排放強度(RECEI)與區(qū)域陸地國土面積(RA)的比.計算公式如下:

式中: ECi表示區(qū)域第i種污染物排放總量,對于大氣環(huán)境來說,目前i只考慮SO2、NOx、煙塵和粉塵,kg/a; QSi表示第i種污染物對應的環(huán)境空氣質量標準中的標準值,mg/m3; RECEI表示區(qū)域環(huán)境污染物排放強度,m3/a;ai為無量綱系數(shù),對大氣污染物來說,其值為 106; RA表示區(qū)域的陸地面積,km2; RAEPI表示區(qū)域絕對環(huán)境壓力指數(shù),m/a;β為無量綱系數(shù),10-6.陸地國土面積(RA)的比.計算公式如下:

行業(yè)絕對環(huán)境壓力指數(shù)(IAEPI)是指某一區(qū)域內該行業(yè)環(huán)境污染物排放強度(IECEI)與區(qū)域

1.2 行業(yè)絕對環(huán)境壓力指數(shù)

式中:IGDP為某一區(qū)域該行業(yè)的 GDP,萬元;RGDP為對應區(qū)域的總 GDP,萬元;γ為該行業(yè)GDP占區(qū)域總GDP的比例;IECi表示該行業(yè)第i種污染物排放總量,kg/a; IECEI表示行業(yè)環(huán)境污染物排放強度; m3/a; IAEPI表示行業(yè)環(huán)境壓力指數(shù),m/a.

上述公式在構建涉及多種污染物的環(huán)境壓力綜合指數(shù)時采用了加和的方式,其物理意義為各種污染物空間分布濃度達到環(huán)境質量標準時的厚度之和.此外,還可使用最大值法、算術平均法等構建環(huán)境壓力綜合指數(shù),但應對不同構建方法計算得到的綜合指數(shù)與所表征的客觀實際狀況的相符性進行分析評價.

2 我國大氣環(huán)境壓力狀況評價

利用環(huán)境壓力指數(shù)法評價我國大氣環(huán)境壓力的狀況,各指標的具體數(shù)據(jù)來源于中國統(tǒng)計年鑒[10]、中國環(huán)境統(tǒng)計年報[11-15]和環(huán)境空氣質量標準(GB3095—1996)[16],其中計算時 QSi取環(huán)境空氣質量二級標準值.

2.1 省級區(qū)域大氣環(huán)境壓力狀況

省級區(qū)域大氣污染物排放包括工業(yè)源和生活源兩部分.根據(jù)區(qū)域絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù)的定義以及公式(1)和公式(2),計算得到了2006～2010年全國及各省級行政區(qū)域絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù),部分計算結果見表1.同時,計算了每個年份區(qū)域絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù)的均值(μ)、標準差(σ)、偏度和峰度.

根據(jù)表 1的計算結果,分別按照|Xi-μ|<σ、|Xi-μ|<2σ、Xi<μ和Xi<全國值(其中Xi為第i個區(qū)域的RAEPI值)等4種條件對2006年至2010年省級區(qū)域絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù)進行了統(tǒng)計分析.分析結果發(fā)現(xiàn),在1倍標準差范圍內的區(qū)域有29～30個,占總區(qū)域數(shù)的93.5%～96.8%,在2倍標準差范圍內的區(qū)域有30個,占區(qū)域總數(shù)的96.8%.表明RAEPI的分布相對比較集中在平均值兩側,且小于均值的個數(shù)多,呈現(xiàn)正(右)偏態(tài)分布,偏態(tài)系數(shù)在 4.01～4.31之間.其中小于均值的區(qū)域有20～23個,小于全國值的區(qū)域有9個.各個年份小于全國值的省份有內蒙古、黑龍江、海南、四川、云南、西藏、甘肅、青海和新疆9個省和自治區(qū).

從圖1可知,除上海和天津外,其他省級區(qū)域的RAEPI均小于500;而且除安徽2007年、寧夏2010年外,從安徽開始的 19個省級區(qū)域的RAEPI小于200m/a;除吉林的2010年外,從吉林開始的10個省級區(qū)域的RAEPI小于100m/a;青海和西藏2個省級區(qū)域的RAEPI則小于10m/a.從變化趨勢來看,除天津總體呈上升趨勢外,絕大多數(shù)省級區(qū)域的RAEPI都有不同程度的下降,相對于2006年來說,天津、浙江、寧夏、福建、吉林、四川、云南、內蒙古、甘肅、新疆、青海和西藏12個省級區(qū)域2010年的RAEPI上升了.

表1 2006～2010年省級區(qū)域絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù)(m/a)Table 1 RAEPI of China provinces from 2006 to 2010(m/a)

圖1 省級區(qū)域絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù)(2006～2010年)Fig.1 RAEPI of China provinces (2006～2010)

2.2 省級工業(yè)行業(yè)大氣環(huán)境壓力狀況

根據(jù)行業(yè)大氣環(huán)境壓力指數(shù)的定義以及式(3)～式(5),計算得到了 2006～2010年全國及各省級行政區(qū)域工業(yè)行業(yè)絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù),部分計算結果見表 2.同時,計算了每個年份工業(yè)行業(yè)絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù)的均值(μ)、標準差(σ)、中位數(shù)、偏度和峰度.

根據(jù)表 2,分別按照|Xi-μ|<σ、|Xi-μ|<2σ、Xi<μ和Xi<全國值(其中Xi為第i個區(qū)域的IAEPI值)等4種條件對2006年至2010年省級工業(yè)行業(yè)絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù)進行了統(tǒng)計分析.結果發(fā)現(xiàn),在1倍標準差范圍內的區(qū)域有29～30個,占總區(qū)域數(shù)的93.5%～96.8%,在2倍標準差范圍內的區(qū)域有30個,占區(qū)域總數(shù)的96.8%.表明IAEPI的分布相對比較集中在平均值兩側,且小于均值的個數(shù)多,呈現(xiàn)正(右)偏態(tài)分布,偏態(tài)系數(shù)在3.57～4.22之間.其中小于均值的區(qū)域有20～22個,小于全國值的區(qū)域有8～9個.2006年小于全國值的省份有內蒙古、黑龍江、海南、云南、西藏、甘肅、青海和新疆 8個省和自治區(qū);2007～2009年小于全國值的省份為 9個時,增加的是四川;2010年則在2009年的基礎上減少海南.

表2 2006～2010年省級工業(yè)行業(yè)絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù)(m/a)Table 2 IAEPI of China provinces from 2006 to 2010(m/a)

圖2 省級工業(yè)行業(yè)絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù)(2006～2010年)Fig.2 IAEPI of China provinces (2006～2010)

從圖2可知,除上海、天津和北京的2010年外,其余省級區(qū)域的IAEPI均小于1000m/a;而且除安徽的2006年、貴州的2007年和寧夏的2010年外,從安徽開始的19個省級區(qū)域的IAEPI小于400m/a;從吉林開始的10個省級區(qū)域的IAEPI小于 200m/a;新疆、青海和西藏 3個省級區(qū)域的IAEPI小于30m/a.從變化趨勢來看,天津、浙江、寧夏、福建、海南總體呈明顯的上升趨勢;其中,與2006年相比較,2010年IAEPI上升的省級區(qū)域有15個:天津、北京、江蘇、山東、浙江、山西、寧夏、福建、陜西、海南、云南、黑龍江、甘肅、新疆和青海.

圖3為2010年省級區(qū)域(左)及工業(yè)行業(yè)(右)絕對大氣環(huán)境壓力的分布圖,根據(jù) RAEPI和IAEPI指數(shù)值,分為5類(指數(shù)值<50,50～100,100～200,200～500,>500m/a)進行渲染.結合圖3及上述分析可以得到我國大氣環(huán)境壓力的幾大特征:

(1) 省級 RAEPI存在明顯的空間差異,表現(xiàn)為以上海、天津為最大的大氣環(huán)境壓力中心,向南、北和西 3個方向大氣環(huán)境壓力逐漸降低,陸地邊疆和少數(shù)民族地區(qū)大氣環(huán)境壓力最小的空間分布態(tài)勢; 形成了以長江三角洲、京津冀為重點區(qū)域的、除福建以外的東部沿海地帶是絕對大氣環(huán)境壓力最大或較大的區(qū)域,也是今后大氣環(huán)境污染控制的重點區(qū)域;同時,西南的重慶和西北的寧夏,中部的河南與山西也是值得重點關注的區(qū)域.

圖3 2010年省級區(qū)域及工業(yè)行業(yè)絕對大氣環(huán)境壓力分布Fig.3 Spatial distribution of RAEPI and IAEPI of China provinces(2010)

(2) 省級 IAEPI同樣存在明顯的地域差異,上海、天津為南北兩個最大工業(yè)行業(yè)大氣環(huán)境壓力中心,向南、北和西三個方向工業(yè)行業(yè)大氣環(huán)境壓力逐漸降低,陸地邊疆和少數(shù)民族地區(qū)大氣環(huán)境壓力最小的空間分布態(tài)勢;形成了以長三角、京津冀為重點區(qū)域的東部沿海地帶,以及除江西以外的中部地區(qū)是絕對工業(yè)行業(yè)大氣環(huán)境壓力最大或較大的區(qū)域,也是今后大氣環(huán)境污染控制的重點區(qū)域; 同時,西南的重慶、貴州和廣西,西北的陜西與寧夏也是值得重點關注的區(qū)域;全國或省級工業(yè) IAEPI絕大多數(shù)比全國或省級RAEPI大0.5～2.5倍,表明工業(yè)仍是造成大氣環(huán)境壓力的主要因素,尤其海南和西藏兩個工業(yè)相對不發(fā)達的地區(qū),大氣環(huán)境壓力指數(shù)值較小,而IAEPI與RAEPI的比值較大,說明工業(yè)的生產(chǎn)水平比較落后.

(3) 從時間發(fā)展過程來看,省級區(qū)域絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù)(RAEPI)和省級工業(yè)絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù)(IAEPI)絕大部分區(qū)域均表現(xiàn)為2010年比2006年有明顯的下降,說明通過“十一五”期間的總量控制,大氣環(huán)境壓力有所緩解;RAEPI最低的4個區(qū)域甘肅、新疆、青海和西藏,在 2006～2010年間,指數(shù)的增長率較高,但增長幅度較小; IAEPI海南和新疆分別從2006年的104.22、20.23m/a上升到2010年的182.76、28.44m/a,增長率分別為 75.35%、40.53%,新疆增長幅度較小.

(4) RAEPI和IAEPI的地區(qū)差異表現(xiàn)為東部地區(qū)最大,中部地區(qū)次之,西部地區(qū)最小,這表明,大氣環(huán)境壓力與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平有較高的關聯(lián)性,需要進一步協(xié)調經(jīng)濟發(fā)展與大氣環(huán)境保護之間的關系.

3 結論

3.1 研究結果表明:我國省級 RAEPI和 IAEPI存在著明顯的空間、地域性差異,均表現(xiàn)為以上海、天津為南北兩個大氣環(huán)境壓力中心,向南、北和西三個方向逐漸降低,陸地邊疆和少數(shù)民族地區(qū)大氣環(huán)境壓力最小;工業(yè)仍是造成我國大氣環(huán)境壓力的主要因素,落后地區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)水平有待提高;通過“十一五”期間的總量控制,我國大氣環(huán)境壓力有所緩解,但不能忽視落后地區(qū)大氣環(huán)境壓力的上升趨勢;大氣環(huán)境壓力與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平有較高的關聯(lián)性,以長江三角洲、京津冀為重點區(qū)域的、大氣環(huán)境壓力較高的東部沿海地帶,需進一步協(xié)調經(jīng)濟發(fā)展與大氣環(huán)境保護之間的關系.

3.2 絕對大氣環(huán)境壓力指數(shù)能正確表征我國大氣污染排放與控制狀況及其區(qū)域與行業(yè)差異,對大氣污染控制的分區(qū)分類管理具有指導作用;絕對環(huán)境壓力指數(shù)法既考慮了污染物排放量對環(huán)境產(chǎn)生的壓力,又考慮了區(qū)域面積、環(huán)境質量標準對環(huán)境的承受能力,綜合性較強;該方法以常規(guī)國民經(jīng)濟統(tǒng)計和環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎,可靠性較高;該方法直觀性較強,既可比較不同地區(qū)環(huán)境壓力狀態(tài)的差異,又可分析同一地區(qū)環(huán)境壓力的長期變化趨勢.這些特點表明,環(huán)境壓力指數(shù)是一種值得推廣的評價區(qū)域環(huán)境壓力的定量方法.

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