城市環(huán)境安全模糊綜合評價方法研究

竇培謙

（中國勞動關(guān)系學(xué)院 安全工程系，北京 100048）

城市環(huán)境安全模糊綜合評價方法研究

竇培謙

（中國勞動關(guān)系學(xué)院 安全工程系，北京 100048）

北京作為我國的首都、環(huán)境保護(hù)的首善之區(qū)，在環(huán)境問題上應(yīng)該，也必須是安全的。但實際上，北京大氣污染、水體污染日益加劇，水資源緊張，環(huán)境安全形勢嚴(yán)峻。本文根據(jù)2005—2014年十年環(huán)境污染統(tǒng)計數(shù)據(jù)，運用層次分析法、灰色聚類分析法對北京市城市環(huán)境安全進(jìn)行了評價分析，結(jié)果表明，北京市城市環(huán)境安全度為6.3～6.89，屬于較安全級別。十年來北京市環(huán)境安全狀況呈好轉(zhuǎn)趨勢，環(huán)境安全度最低值出現(xiàn)在2006年，最高值出現(xiàn)在2011年，增幅9%。地表水的氨氮、BOD、高錳酸鹽指數(shù)及大氣污染中的PM10污染相對嚴(yán)重。PM10安全度指數(shù)2005—2007年偏低，由于奧運減排措施的持續(xù)作用及沙塵影響減弱，2006—2013年安全度逐年增高，2014年安全度略有下降，但整體呈好轉(zhuǎn)趨勢。北京市地表水污染仍為有機污染型，2005—2014年的十年間，通過結(jié)構(gòu)減排、工程減排、監(jiān)管減排等措施，地表水有機污染得到很大改善，各項污染物濃度總體呈下降趨勢?？傮w而言，環(huán)境空氣質(zhì)量仍未達(dá)標(biāo)，水環(huán)境污染仍較突出，應(yīng)針對評價結(jié)果加大相應(yīng)的環(huán)境治理措施，確保首都環(huán)境安全。

北京市；層次分析法；灰色聚類；環(huán)境安全

引言

隨著全球安全態(tài)勢的變化以及全球環(huán)境問題日趨緊迫，環(huán)境安全問題正在嚴(yán)重威脅著人類社會的生存與發(fā)展，由環(huán)境引發(fā)的安全問題也引起了環(huán)境科學(xué)、安全科學(xué)、社會科學(xué)，以及生態(tài)科學(xué)、資源科學(xué)等多個學(xué)科的關(guān)注和研究。早在20世紀(jì)70年代，人們就將環(huán)境與安全聯(lián)系起來進(jìn)行研究，并產(chǎn)生了“環(huán)境安全”這個術(shù)語[1-4]。環(huán)境安全研究是從安全的視角研究分析日趨嚴(yán)峻的環(huán)境問題對人類社會生存與發(fā)展構(gòu)成的威脅。改革開放以來，我國經(jīng)濟發(fā)展總體上采用的是“粗放型”、“資源型”發(fā)展模式，經(jīng)濟獲得迅猛發(fā)展的同時對人類生存環(huán)境也帶來了嚴(yán)峻考驗，環(huán)境問題一旦失控所帶來的影響絕不亞于傳統(tǒng)國家安全問題中的軍事威脅。國內(nèi)外學(xué)者基于安全視角、環(huán)境視角、生態(tài)學(xué)視角等不同角度[5，6]和尺度圍繞環(huán)境安全問題做了大量研究工作，內(nèi)容多集中于在生態(tài)環(huán)境安全評價和自然資源安全評價，運用暴露-響應(yīng)分析法[7-9]、綜合指數(shù)評價法[10-13]、生態(tài)承載力分析法[14]、生態(tài)模型評價方法及景觀生態(tài)學(xué)方法[12，15]等進(jìn)行環(huán)境安全評價。

城市是被人類高度開發(fā)的場所，為了自身的生存和發(fā)展，大量自然資源和能源被開發(fā)與消耗，同時產(chǎn)生大量的污染物質(zhì)和廢棄物，當(dāng)超過城市環(huán)境容量時，城市生態(tài)環(huán)境受到破壞，對人與自然的和諧發(fā)展帶來負(fù)面影響。北京作為一個特大城市、我國的首都，是我國政治、科技和文化中心，其特殊的地位要求城市環(huán)境問題必須是安全的。因此如何量化城市環(huán)境污染的安全狀況已迫在眉睫。本文借鑒了灰色聚類相關(guān)理論和方法，以北京市為例，通過對城市環(huán)境安全評價指標(biāo)的綜合分析，對城市環(huán)境安全度進(jìn)行定級[15,16]。

2 北京市城市環(huán)境安全綜合評價方法

2.1 城市環(huán)境安全評價指標(biāo)體系

評價指標(biāo)體系的建立是進(jìn)行綜合評價的基礎(chǔ)，評價指標(biāo)的選取是否適宜，將直接影響綜合評價的結(jié)果。因此，建立科學(xué)的評價指標(biāo)體系是進(jìn)行安全綜合評價的關(guān)鍵，應(yīng)遵循客觀科學(xué)性、系統(tǒng)整體性和可操作性等原則[17-19]。環(huán)境安全的內(nèi)涵非常豐富，不同的評價內(nèi)容和目的需要選取的指標(biāo)體系也是不同的，城市環(huán)境安全評價的主體內(nèi)涵越廣，需要的指標(biāo)體系越復(fù)雜。中國科學(xué)院構(gòu)筑的可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系包括294個指標(biāo)和47個指數(shù)；聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展委員會以社會、經(jīng)濟、環(huán)境和機構(gòu)以及壓力-狀態(tài)-響應(yīng)概念模型為基礎(chǔ)，形成了一個142個指標(biāo)的指標(biāo)體系（P-S-T模型）[16]。

本文評價是從環(huán)境污染問題入手來研究城市環(huán)境安全，因此指標(biāo)體系的建立是以環(huán)境污染為依據(jù)。結(jié)合2005—2014年《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》和《北京市環(huán)境狀況公報》，確定了北京市城市環(huán)境安全指標(biāo)體系（表1）。主要包括五部分：一是大氣污染。北京市大氣污染較為嚴(yán)重，選取了超標(biāo)率較高的二氧化硫、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫，由于細(xì)顆粒物濃度從2013年開始才作為監(jiān)測指標(biāo)，因此本文中2008—2012年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來源于美國大使館官方網(wǎng)站(http://www.stateair.net/ web/historical/1/1.html) ， 2005—2007年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來源于于揚《北京市PM2.5中主要重金屬元素污染特征及季節(jié)變化分析》[17]。二是地表水污染。歷年地表水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明北京市水質(zhì)總體較為穩(wěn)定，隨著點源污染控制能力的提高，面源污染較為突出，生活污染源是造成水體污染的主要因素，選取了21項監(jiān)測指標(biāo)中超標(biāo)率較高的高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、氨氮、五日生化需氧量作為評價指標(biāo)。三是噪聲污染，選取了區(qū)域環(huán)境噪聲和交通環(huán)境噪聲。四是固體廢棄物。北京市工業(yè)廢物和城區(qū)生活垃圾處理率較高，危險廢物基本得到安全處置，但每年固體廢棄物產(chǎn)生量太高，固體廢棄物仍然是影響城市環(huán)境安全問題的一大隱患，選取了工業(yè)廢物、危險廢物、生活垃圾作為評價指標(biāo)。五是生態(tài)環(huán)境。選取了涵蓋生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)、環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)作為評價指標(biāo)。

表1 城市環(huán)境安全評價指標(biāo)體系

2.2 評價指標(biāo)的權(quán)值的確定

各指標(biāo)對城市環(huán)境安全的影響的重要程度不同，為了確切地反映各評價指標(biāo)城市安全的影響的重要程度，根據(jù)評價指標(biāo)的特點，采用了改進(jìn)的三標(biāo)度層次分析法和專家經(jīng)驗估算法確定各指標(biāo)的權(quán)值，見表2。

表2 北京市城市環(huán)境安全指標(biāo)權(quán)重值

2.3 綜合評價模型

聚類分析是用數(shù)學(xué)方法定量地確定聚類對象間的親疏關(guān)系進(jìn)行分類的一種多元分析方法。灰色聚類是普通聚類方法的拓廣，是在聚類分析方法中引進(jìn)灰色理論的白化函數(shù)而形成的一種新的聚類方法。根據(jù)相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合評價實際，將大氣、水環(huán)境、固體廢棄物、噪聲、生態(tài)環(huán)境分為5個灰類[15,16]。在評價城市環(huán)境安全程度時，主要是為了保證人群健康和城市、鄉(xiāng)村的動植物，在長期和短期接觸情況下，不發(fā)生傷害。因此在評價城市環(huán)境安全度時，以二級標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的無量綱化處理。灰色聚類的步驟如下:

（1）把聚類對象作為樣本，把樣本的量化性質(zhì)作為樣本指標(biāo)。若有m個樣本（監(jiān)測點），每個樣本各有n個指標(biāo)（污染因子），且每個指標(biāo)有j個灰類（環(huán)境質(zhì)量分級），則由m個樣本的n個指標(biāo)的白化數(shù)構(gòu)成矩陣為：

其中，Cki為第k個聚類樣本第i個聚類指標(biāo)的白化值（污染濃度值），k∈（1，2，…，m），i∈（l，2，…，n）。

（2）數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。為了對各樣本指標(biāo)進(jìn)行綜合分析和使聚類結(jié)果具有可比性，在灰色聚類過程中需要對白化數(shù)Cki和灰類進(jìn)行無量綱化處理。

a.樣本指標(biāo)的白化數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。對于聚類樣本指標(biāo)的原始白化數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理值按下述公式計算：

式中， cki為第k個監(jiān)測點第i個污染因子的實測值；c0i第i個污染因子的參考標(biāo)準(zhǔn)。

b.灰類的標(biāo)準(zhǔn)化處理。為使原始白化數(shù)與灰類之間能比較分析，仍用c0i進(jìn)行無量綱化處理。

式中，rij為第i個污染因子第j個灰類sij的標(biāo)準(zhǔn)化處理值；sij為第i個污染因子第j個灰類值；c0i為第i個污染因子的參考標(biāo)準(zhǔn)。

（3）確定白化函數(shù)。將聚類指標(biāo)按聚類等級規(guī)定白化函數(shù)。白化函數(shù)反映聚類指標(biāo)對灰類的親疏關(guān)系。對于第i個污染因子第j灰類，可以用白化函數(shù)曲線或關(guān)系式表達(dá)各個污染因子的白化值分別對j個灰類的親疏關(guān)系。第i個污染因子的灰類1的白化函數(shù)為:

第i個污染因子的灰類h-1白化函數(shù)為:

第i個污染因子的灰類h的白化函數(shù)為:

式中，B為城市環(huán)境安全單因子安全評價值；fij(x)為各評價指標(biāo)對應(yīng)的各灰類的白化函數(shù)值；wi為安全單因子評價值。 5代表“非常安全”，4代表“安全”，3代表“基本安全”，2代表“安全”，1代表“極不安全”

（5）環(huán)境安全度計算。用以下公式計算城市環(huán)境安全度：

（4）環(huán)境單因子評價：

式中，T為城市環(huán)境安全度；Ck為各評價指標(biāo)的權(quán)值；fij(x) 為各評價指標(biāo)對應(yīng)的各灰類的白化函數(shù)值；wi為安全單因子評價值。

2.4 環(huán)境安全狀態(tài)分級

當(dāng)描述城市環(huán)境安全性的評價指標(biāo)的第一類的白化函數(shù)值都是l時，城市環(huán)境安全度為10，因此凡是大于等于10的環(huán)境安全度，都表明城市環(huán)境是安全的，適宜人類居住根據(jù)安全度值的不同，可將城市環(huán)境安全度分為5個等級，如表3所示。

表3 城市環(huán)境安全性等級

3 北京市城市環(huán)境安全評價

北京作為我國的首都、環(huán)境保護(hù)的首善之區(qū)，在環(huán)境問題上應(yīng)該，也必須是安全的。而實際上，北京大氣污染、水體污染日益加劇，水資源緊張，固體廢棄物排放量與日俱增，加劇了環(huán)境不安全度。根據(jù)2005—2014年《中國環(huán)境年鑒》和《北京市環(huán)境質(zhì)量狀況公報》的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對北京市城市環(huán)境安全度進(jìn)行計算，結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，北京市城市環(huán)境安全度為6.3～6.89，屬于較安全級別，環(huán)境安全度最低值出現(xiàn)在2006年，T2006=6.3，最高值出現(xiàn)在2011年T2011=6.89，增幅9%。從整體來看，2005—2014年的十年中，北京市城市環(huán)境安全狀態(tài)呈不斷好轉(zhuǎn)趨勢。隨著《2013—2017年清潔空氣行動計劃》的全面落實和《北京市大氣污染防治條例》及《北京市水污染防治條例》的正式實施，北京市強力推進(jìn)區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控，嚴(yán)格監(jiān)管制度，城市整體環(huán)境狀況有了明顯改善。

圖1 北京市2005—2014年城市環(huán)境安全度

從污染單因子評價指數(shù)（圖2）來看，地表水中氨氮、BOD、高錳酸鹽指數(shù)及大氣污染中的PM2.5、PM10得分較低，分別為1、1.02、2.73、2.56、3.48，這表明地表水的有機物污染及大氣中的可吸入顆粒物污染較為嚴(yán)重，在今后環(huán)保工作中應(yīng)引起足夠的重視。

圖2 污染物單因子評價值

從地表水中氨氮、BOD、高錳酸鹽指數(shù)及大氣污染中的PM10、PM2.5安全度指數(shù)的年際分布來看（圖3），PM10安全度指數(shù)2005—2007年偏低，2006年得分最低為0.23（0.161mg/m3）,這與2006年嚴(yán)重的沙塵型污染有關(guān)，2006—2007年是北京奧運會前大規(guī)模建設(shè)時期，局地污染源和不利擴散的天氣條件共同導(dǎo)致了PM10安全度指數(shù)偏低。2006—2013年安全度逐年增高，2014年安全度略有下降，但整體呈好轉(zhuǎn)趨勢，這與奧運減排措施的持續(xù)作用及沙塵影響減弱有關(guān)。PM2.5安全度指數(shù)2008—2010年較低，分別為0.18、0.17、0.18，自2011年開始PM2.5安全度指數(shù)略有回升，但明顯低于2005—2007年，這與數(shù)據(jù)來源差異有關(guān)，另外PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)采樣點單一不能代表北京市整體水平。

圖3 各污染物安全度年際變化

地表水高錳酸鹽指數(shù)安全度值呈逐年增高的趨勢，由2015年的0.15增加到2014年的0.18，增幅為20%；地表水中氨氮濃度均超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，年際變化不顯著，其中，2007年最高，之后逐年降低，2010年略有回升，之后呈下降趨勢；地表水中五日生化需氧量（BOD5）總體呈下降趨勢，但大部分年份均超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，2006年最高，為22.79 mg/L，2014年最低，為9.58 mg/L，降幅為57.96%。這表明北京市地表水污染仍為有機污染型，2005—2014年十年間，通過結(jié)構(gòu)減排、工程減排、監(jiān)管減排等措施，地表水有機污染得到了很大改善，各項污染物濃度總體呈下降趨勢，但仍超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，原因主要有以下兩個方面：一是北京市河流的絕大部分水源來自污水處理廠的退水和再生水，盡管化學(xué)需氧量、五日生化需氧量等污染物基本達(dá)到穩(wěn)定排放標(biāo)準(zhǔn)，但此標(biāo)準(zhǔn)明顯高于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，因此對于河道而言仍是污水排放，導(dǎo)致市區(qū)河湖和城鎮(zhèn)下游河道污染物超標(biāo)嚴(yán)重；二是雨季城市降雨徑流污染、雨污合流管道溢流污水污染，以及農(nóng)業(yè)面源污染對地表水環(huán)境質(zhì)量也產(chǎn)生較大影響。

4 結(jié)論與建議

本文采用模糊聚類分析法對北京市環(huán)境安全狀況進(jìn)行評價，選取了包含大氣污染、地表水污染、噪聲污染、固體廢棄物污染、生態(tài)環(huán)境5個評價子集共14個指標(biāo)，根據(jù)評價結(jié)果，北京市環(huán)境狀況為較安全級別，2005—2014年十年間，環(huán)境安全狀況有轉(zhuǎn)好的趨勢。地表水水的氨氮、BOD、高錳酸鹽指數(shù)及大氣污染中的PM10、PM2.5污染相對嚴(yán)重，這是北京市環(huán)境保護(hù)工作最應(yīng)努力的方向，應(yīng)堅持“預(yù)防優(yōu)先、防治結(jié)合”的原則，積極推進(jìn)污染物排放總量削減，大力促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，深入治理大氣、水等各類環(huán)境污染，不斷完善環(huán)境保護(hù)法規(guī)、政策、標(biāo)準(zhǔn)等保障體系，努力實現(xiàn)首都環(huán)境與人類社會的可持續(xù)發(fā)展。

（1）深化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推進(jìn)污染減排，在原有節(jié)能減排措施的基礎(chǔ)上，繼續(xù)深化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，扎實推進(jìn)污染減排。將不符合首都功能定位的產(chǎn)業(yè)，尤其是高能耗、高污染、高耗水的落后工藝和設(shè)備及時調(diào)整退出，鼓勵發(fā)展高效、低耗、低污染的科技創(chuàng)新型現(xiàn)代工業(yè)；繼續(xù)嚴(yán)格控制新建燃煤設(shè)施，實施現(xiàn)有燃煤設(shè)施清潔能源改造，全面推進(jìn)煙氣脫硫脫硝技術(shù)。

（2）落實全面防控，持續(xù)改善空氣質(zhì)量。以京津冀地區(qū)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控為契機，以空氣質(zhì)量持續(xù)改善為目標(biāo)，構(gòu)建基于空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的總量控制和污染減排體系。加強在區(qū)域大氣污染防治，實行多種污染物的協(xié)同控制，嚴(yán)控重點行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，加強機動車污染控制，減少污染區(qū)域轉(zhuǎn)移，提升區(qū)域整體環(huán)境質(zhì)量。

（3）深化防治結(jié)合，穩(wěn)步提升水環(huán)境質(zhì)量。加快城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水治理設(shè)施建設(shè)以及配套管網(wǎng)建設(shè)，逐步提高污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，開展污水深度治理與資源化利用；逐步關(guān)停不符合北京市功能定位的水污染企業(yè)，推進(jìn)工業(yè)園區(qū)水污染防治，深化工業(yè)企業(yè)廢水治理，確保工業(yè)水污染排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；探索建立具有自身特色的水環(huán)境管理模式，在兼顧效率與公平的前提下，改進(jìn)水環(huán)境管理，促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用。

（4）提升監(jiān)管能力，完善環(huán)境管理體系。圍繞污染物總量減排與環(huán)境質(zhì)量改善目標(biāo)，建立和完善污染源與環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，整體提高污染源監(jiān)測能力和水平。積極探索建立“市級、區(qū)縣、街道鄉(xiāng)鎮(zhèn)、企業(yè)”四級監(jiān)管模式，形成層級分明、互為補充的環(huán)境監(jiān)察網(wǎng)絡(luò)，推動街道鄉(xiāng)鎮(zhèn)環(huán)境管理體系建設(shè)，促進(jìn)企業(yè)環(huán)保守法自律機制建設(shè)。完善環(huán)境監(jiān)察執(zhí)法機制，規(guī)范環(huán)境執(zhí)法行為，加強環(huán)境監(jiān)察標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，提升環(huán)境監(jiān)察管理水平，提高環(huán)境應(yīng)急能力，防范環(huán)境風(fēng)險。

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Research of Urban Fuzzy Comprehensive Evaluation Method for Environment Security

Dou Peiqian
( Department of Safety Engineering, China Institute of Industrial Relations, Beijing 100048 )

As the capital of China, the environment of Beijing should and must be safe. However, serious air pollution, shortage of water resources, increasing water pollution aggravates the situation. Based on the data of environmental statistic from 2005 to 2014 in Beijing, the article evaluated urban environment safety by using AHP and gray cluster analysis method. Results show that the urban environment safety degree changed between 6.3 to 6.89, at the third security levels, the environmental safety state was positive tendency as a whole, the lowest and highest environmental safety index set in 2006 and 2011,expanded by 9%; Comparing with other contaminations, content of ammonia nitrogen, BOD, CODMnin surface water and inhalable particle matter (PM10) was relatively high which much more attention should be paid to. The safety index of PM10was relatively lower from 2005 to 2007, as adoption of pollution cutbacks during the Olympics and weak sandstorms, it was increased year by year from 2006 to 2013, though slight recovery in 2014; the concentration of organic contaminants was the chief pollutant of surface water pollution in Beijing, permanganate index, five days' biochemical oxygen demand and ammonia nitrogen had been falling because of industrial structure-emission reduction, project-emission reduction, supervision-emission reduction during the past ten years. In general，air pollution and water pollution are the most important environmental safety problem in Beijing, appropriate measures should be taken to insure a safer human environment.

Beijing; AHP; gray cluster analysis; environment security

X915.2

1674-6252（2016）02-0089-05

A

10.16868/j.cnki.1674-6252.2016.02.089

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金（20110082）。

竇培謙（1981—），男，講師，主要從事環(huán)境安全研究。