環境壓力指數及我國大氣環境壓力狀況評價

胡炳清,覃麗萍,柴發合,易 鵬 (中國環境科學研究院,北京 100012)

大氣環境是人類賴以生存的寶貴資源.然而,隨著現代工業的迅速發展,人類經濟活動所產生的大氣污染物排放量超過了大氣的自凈能力,對大氣環境產生了越來越大的壓力.如果這種壓力超過了大氣環境的最大承受能力,則會對人類的生活、生產和身體健康等方面產生危害,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境的壓力,以及如何根據大氣環境壓力的現狀及長期發展趨勢,協調經濟發展與大氣環境效應之間的關系,是可持續發展研究的重要課題.

關于大氣環境質量評價的問題,國內外已經進行了許多研究,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境質量的優劣進行定性或定量的評估.但是,在大氣環境壓力的定量評價問題上,目前還沒有相關的研究.國內外現有的大氣環境質量評價方法大體可分為以下幾類[1]:大氣污染指數法、大氣污染生物評價法、大氣污染經濟學評價法、專家評價法和模糊數學法.其中以大氣污染指數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評價法(PSI)[1]、美國格林環境空氣污染綜合指數[1]和加拿大環境空氣質量指數[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,先后開發了環境空氣污染指數法(API)[2]和上海指數法[3].除典型評價方法之外,國內外又提出了多種大氣環境質量分析和評價的新方法,如人工神經網絡法[4]、遺傳算法[5]、集對分析法[6]、距離判別法[7]、物元可拓法[8]、環境壓力總量指標體系[9]等.這些方法的共同特點是依據大氣污染物的分級標準,根據大氣環境中各種污染物的監測結果,評價大氣環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,難以預測大氣環境變化的趨勢.鑒于此,本文設計了一種定量評價大氣環境壓力的方法——大氣環境壓力指數(AEPI)法,并利用該方法對我國大氣環境壓力狀況進行評價,為環保部門進行環境規劃與管理提供依據.

1 環境壓力指數

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

1.1 區域絕對環境壓力指數

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

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

行業絕對環境壓力指數(IAEPI)是指某一區域內該行業環境污染物排放強度(IECEI)與區域

1.2 行業絕對環境壓力指數

式中:IGDP為某一區域該行業的 GDP,萬元;RGDP為對應區域的總 GDP,萬元;γ為該行業GDP占區域總GDP的比例;IECi表示該行業第i種污染物排放總量,kg/a; IECEI表示行業環境污染物排放強度; m3/a; IAEPI表示行業環境壓力指數,m/a.

上述公式在構建涉及多種污染物的環境壓力綜合指數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境壓力綜合指數,但應對不同構建方法計算得到的綜合指數與所表征的客觀實際狀況的相符性進行分析評價.

2 我國大氣環境壓力狀況評價

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

2.1 省級區域大氣環境壓力狀況

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

根據表 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個區域的RAEPI值)等4種條件對2006年至2010年省級區域絕對大氣環境壓力指數進行了統計分析.分析結果發現,在1倍標準差范圍內的區域有29～30個,占總區域數的93.5%～96.8%,在2倍標準差范圍內的區域有30個,占區域總數的96.8%.表明RAEPI的分布相對比較集中在平均值兩側,且小于均值的個數多,呈現正(右)偏態分布,偏態系數在 4.01～4.31之間.其中小于均值的區域有20～23個,小于全國值的區域有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.

從圖1可知,除上海和天津外,其他省級區域的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個省級區域的RAEPI小于100m/a;青海和西藏2個省級區域的RAEPI則小于10m/a.從變化趨勢來看,除天津總體呈上升趨勢外,絕大多數省級區域的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個省級區域2010年的RAEPI上升了.

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

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

2.2 省級工業行業大氣環境壓力狀況

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

根據表 2,分別按照|Xi-μ|<σ、|Xi-μ|<2σ、Xi<μ和Xi<全國值(其中Xi為第i個區域的IAEPI值)等4種條件對2006年至2010年省級工業行業絕對大氣環境壓力指數進行了統計分析.結果發現,在1倍標準差范圍內的區域有29～30個,占總區域數的93.5%～96.8%,在2倍標準差范圍內的區域有30個,占區域總數的96.8%.表明IAEPI的分布相對比較集中在平均值兩側,且小于均值的個數多,呈現正(右)偏態分布,偏態系數在3.57～4.22之間.其中小于均值的區域有20～22個,小于全國值的區域有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;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年省級工業行業絕對大氣環境壓力指數(m/a)Table 2 IAEPI of China provinces from 2006 to 2010(m/a)

圖2 省級工業行業絕對大氣環境壓力指數(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個省級區域的IAEPI小于400m/a;從吉林開始的10個省級區域的IAEPI小于 200m/a;新疆、青海和西藏 3個省級區域的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年省級區域(左)及工業行業(右)絕對大氣環境壓力的分布圖,根據 RAEPI和IAEPI指數值,分為5類(指數值<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境壓力的幾大特征:

(1) 省級 RAEPI存在明顯的空間差異,表現為以上海、天津為最大的大氣環境壓力中心,向南、北和西 3個方向大氣環境壓力逐漸降低,陸地邊疆和少數民族地區大氣環境壓力最小的空間分布態勢; 形成了以長江三角洲、京津冀為重點區域的、除福建以外的東部沿海地帶是絕對大氣環境壓力最大或較大的區域,也是今后大氣環境污染控制的重點區域;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域.

圖3 2010年省級區域及工業行業絕對大氣環境壓力分布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行業大氣環境壓力中心,向南、北和西三個方向工業行業大氣環境壓力逐漸降低,陸地邊疆和少數民族地區大氣環境壓力最小的空間分布態勢;形成了以長三角、京津冀為重點區域的東部沿海地帶,以及除江西以外的中部地區是絕對工業行業大氣環境壓力最大或較大的區域,也是今后大氣環境污染控制的重點區域; 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域;全國或省級工業 IAEPI絕大多數比全國或省級RAEPI大0.5～2.5倍,表明工業仍是造成大氣環境壓力的主要因素,尤其海南和西藏兩個工業相對不發達的地區,大氣環境壓力指數值較小,而IAEPI與RAEPI的比值較大,說明工業的生產水平比較落后.

(3) 從時間發展過程來看,省級區域絕對大氣環境壓力指數(RAEPI)和省級工業絕對大氣環境壓力指數(IAEPI)絕大部分區域均表現為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,大氣環境壓力有所緩解;RAEPI最低的4個區域甘肅、新疆、青海和西藏,在 2006～2010年間,指數的增長率較高,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的地區差異表現為東部地區最大,中部地區次之,西部地區最小,這表明,大氣環境壓力與區域經濟發展水平有較高的關聯性,需要進一步協調經濟發展與大氣環境保護之間的關系.

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,均表現為以上海、天津為南北兩個大氣環境壓力中心,向南、北和西三個方向逐漸降低,陸地邊疆和少數民族地區大氣環境壓力最小;工業仍是造成我國大氣環境壓力的主要因素,落后地區的工業生產水平有待提高;通過“十一五”期間的總量控制,我國大氣環境壓力有所緩解,但不能忽視落后地區大氣環境壓力的上升趨勢;大氣環境壓力與區域經濟發展水平有較高的關聯性,以長江三角洲、京津冀為重點區域的、大氣環境壓力較高的東部沿海地帶,需進一步協調經濟發展與大氣環境保護之間的關系.

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

[1]楊文東.武漢市大氣環境質量評價模糊數學模型的研究——模糊綜合評價法的研究 [D]. 武漢:武漢理工大學, 2002:4-11.

[2]中華人民共和國環境保護部.城市空氣質量日報和預報技術規定(二次征求意見稿) [S].

[3]劉崇洪.不同大氣質量評價方法的比較 [J]. 環境與開發,1993,8(1):22-26.

[4]李祚泳,鄧新民.大氣環境質量綜合評價的 B-P網絡模型 [J].重慶環境科學, 1994,16(6):37-40.

[5]李祚泳,彭荔紅.基于遺傳算法優化的大氣質量評價的污染危害指數公式 [J]. 中國環境科學, 2000,20(4):313-317.

[6]李祚泳.大氣環境質量綜合評價的集對分析方法 [J]. 環境科學研究, 1998,11(2):31-33.

[7]朱宏蘭,高偉生.距離判別法在大氣環境質量現狀評價中的應用[J]. 環境保護, 1997,12:23-25.

[8]陳德明,李祚泳.大氣環境質量的物元分析評價法 [J]. 環境科學研究, 1994,7(2):24-28.

[9]顧曉薇,王 青,劉敬智,等.環境壓力指標及應用 [J]. 中國環境科學, 2005,25(3):315-319.

[10]國家統計局.中國統計年鑒 2011[EB/OL].http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2011/indexch.htm, [2011-09-20]/[2012-12-08].

[11]環境保護部.中國環境統計年報2006 [M]. 北京:中國環境科學出版社, 2006:55-58.

[12]環境保護部.中國環境統計年報2007 [M]. 北京:中國環境科學出版社, 2007:53-56.

[13]環境保護部.中國環境統計年報2008 [M]. 北京:中國環境科學出版社, 2008:51-54.

[14]環境保護部.中國環境統計年報2009 [M]. 北京:中國環境科學出版社, 2009:51-54.

[15]環境保護部.中國環境統計年報2010 [M]. 北京:中國環境科學出版社, 2010:49-52.

[16]GB 3095-1996 環境空氣質量標準 [S].