城市環境安全模糊綜合評價方法研究

竇培謙

（中國勞動關系學院 安全工程系，北京 100048）

城市環境安全模糊綜合評價方法研究

竇培謙

（中國勞動關系學院 安全工程系，北京 100048）

北京作為我國的首都、環境保護的首善之區，在環境問題上應該，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，環境安全形勢嚴峻。本文根據2005—2014年十年環境污染統計數據，運用層次分析法、灰色聚類分析法對北京市城市環境安全進行了評價分析，結果表明，北京市城市環境安全度為6.3～6.89，屬于較安全級別。十年來北京市環境安全狀況呈好轉趨勢，環境安全度最低值出現在2006年，最高值出現在2011年，增幅9%。地表水的氨氮、BOD、高錳酸鹽指數及大氣污染中的PM10污染相對嚴重。PM10安全度指數2005—2007年偏低，由于奧運減排措施的持續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，通過結構減排、工程減排、監管減排等措施，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。總體而言，環境空氣質量仍未達標，水環境污染仍較突出，應針對評價結果加大相應的環境治理措施，確保首都環境安全。

北京市；層次分析法；灰色聚類；環境安全

引言

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

城市是被人類高度開發的場所，為了自身的生存和發展，大量自然資源和能源被開發與消耗，同時產生大量的污染物質和廢棄物，當超過城市環境容量時，城市生態環境受到破壞，對人與自然的和諧發展帶來負面影響。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境問題必須是安全的。因此如何量化城市環境污染的安全狀況已迫在眉睫。本文借鑒了灰色聚類相關理論和方法，以北京市為例，通過對城市環境安全評價指標的綜合分析，對城市環境安全度進行定級[15,16]。

2 北京市城市環境安全綜合評價方法

2.1 城市環境安全評價指標體系

評價指標體系的建立是進行綜合評價的基礎，評價指標的選取是否適宜，將直接影響綜合評價的結果。因此，建立科學的評價指標體系是進行安全綜合評價的關鍵，應遵循客觀科學性、系統整體性和可操作性等原則[17-19]。環境安全的內涵非常豐富，不同的評價內容和目的需要選取的指標體系也是不同的，城市環境安全評價的主體內涵越廣，需要的指標體系越復雜。中國科學院構筑的可持續發展指標體系包括294個指標和47個指數；聯合國可持續發展委員會以社會、經濟、環境和機構以及壓力-狀態-響應概念模型為基礎，形成了一個142個指標的指標體系（P-S-T模型）[16]。

本文評價是從環境污染問題入手來研究城市環境安全，因此指標體系的建立是以環境污染為依據。結合2005—2014年《中國環境統計年鑒》和《北京市環境狀況公報》，確定了北京市城市環境安全指標體系（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重，選取了超標率較高的二氧化硫、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫，由于細顆粒物濃度從2013年開始才作為監測指標，因此本文中2008—2012年PM2.5質量濃度數據來源于美國大使館官方網站(http://www.stateair.net/ web/historical/1/1.html) ， 2005—2007年PM2.5質量濃度數據來源于于揚《北京市PM2.5中主要重金屬元素污染特征及季節變化分析》[17]。二是地表水污染。歷年地表水水質監測數據表明北京市水質總體較為穩定，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項監測指標中超標率較高的高錳酸鹽指數、溶解氧、氨氮、五日生化需氧量作為評價指標。三是噪聲污染，選取了區域環境噪聲和交通環境噪聲。四是固體廢棄物。北京市工業廢物和城區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生量太高，固體廢棄物仍然是影響城市環境安全問題的一大隱患，選取了工業廢物、危險廢物、生活垃圾作為評價指標。五是生態環境。選取了涵蓋生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地退化指數、環境質量指數的生態環境質量指數作為評價指標。

表1 城市環境安全評價指標體系

2.2 評價指標的權值的確定

各指標對城市環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城市安全的影響的重要程度，根據評價指標的特點，采用了改進的三標度層次分析法和專家經驗估算法確定各指標的權值，見表2。

表2 北京市城市環境安全指標權重值

2.3 綜合評價模型

聚類分析是用數學方法定量地確定聚類對象間的親疏關系進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灰色理論的白化函數而形成的一種新的聚類方法。根據相關的國家標準，并結合評價實際，將大氣、水環境、固體廢棄物、噪聲、生態環境分為5個灰類[15,16]。在評價城市環境安全程度時，主要是為了保證人群健康和城市、鄉村的動植物，在長期和短期接觸情況下，不發生傷害。因此在評價城市環境安全度時，以二級標準為基準進行數據的無量綱化處理。灰色聚類的步驟如下:

（1）把聚類對象作為樣本，把樣本的量化性質作為樣本指標。若有m個樣本（監測點），每個樣本各有n個指標（污染因子），且每個指標有j個灰類（環境質量分級），則由m個樣本的n個指標的白化數構成矩陣為：

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

（2）數據的標準化處理。為了對各樣本指標進行綜合分析和使聚類結果具有可比性，在灰色聚類過程中需要對白化數Cki和灰類進行無量綱化處理。

a.樣本指標的白化數的標準化處理。對于聚類樣本指標的原始白化數的標準化處理值按下述公式計算：

式中， cki為第k個監測點第i個污染因子的實測值；c0i第i個污染因子的參考標準。

b.灰類的標準化處理。為使原始白化數與灰類之間能比較分析，仍用c0i進行無量綱化處理。

式中，rij為第i個污染因子第j個灰類sij的標準化處理值；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準。

（3）確定白化函數。將聚類指標按聚類等級規定白化函數。白化函數反映聚類指標對灰類的親疏關系。對于第i個污染因子第j灰類，可以用白化函數曲線或關系式表達各個污染因子的白化值分別對j個灰類的親疏關系。第i個污染因子的灰類1的白化函數為:

第i個污染因子的灰類h-1白化函數為:

第i個污染因子的灰類h的白化函數為:

式中，B為城市環境安全單因子安全評價值；fij(x)為各評價指標對應的各灰類的白化函數值；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）環境安全度計算。用以下公式計算城市環境安全度：

（4）環境單因子評價：

式中，T為城市環境安全度；Ck為各評價指標的權值；fij(x) 為各評價指標對應的各灰類的白化函數值；wi為安全單因子評價值。

2.4 環境安全狀態分級

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

表3 城市環境安全性等級

3 北京市城市環境安全評價

北京作為我國的首都、環境保護的首善之區，在環境問題上應該，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，加劇了環境不安全度。根據2005—2014年《中國環境年鑒》和《北京市環境質量狀況公報》的相關統計數據，對北京市城市環境安全度進行計算，結果見圖1。從圖1可以看出，北京市城市環境安全度為6.3～6.89，屬于較安全級別，環境安全度最低值出現在2006年，T2006=6.3，最高值出現在2011年T2011=6.89，增幅9%。從整體來看，2005—2014年的十年中，北京市城市環境安全狀態呈不斷好轉趨勢。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，北京市強力推進區域聯防聯控，嚴格監管制度，城市整體環境狀況有了明顯改善。

圖1 北京市2005—2014年城市環境安全度

從污染單因子評價指數（圖2）來看，地表水中氨氮、BOD、高錳酸鹽指數及大氣污染中的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重，在今后環保工作中應引起足夠的重視。

圖2 污染物單因子評價值

從地表水中氨氮、BOD、高錳酸鹽指數及大氣污染中的PM10、PM2.5安全度指數的年際分布來看（圖3），PM10安全度指數2005—2007年偏低，2006年得分最低為0.23（0.161mg/m3）,這與2006年嚴重的沙塵型污染有關，2006—2007年是北京奧運會前大規模建設時期，局地污染源和不利擴散的天氣條件共同導致了PM10安全度指數偏低。2006—2013年安全度逐年增高，2014年安全度略有下降，但整體呈好轉趨勢，這與奧運減排措施的持續作用及沙塵影響減弱有關。PM2.5安全度指數2008—2010年較低，分別為0.18、0.17、0.18，自2011年開始PM2.5安全度指數略有回升，但明顯低于2005—2007年，這與數據來源差異有關，另外PM2.5質量濃度數據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《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）中Ⅴ類標準，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《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）中Ⅴ類標準，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，通過結構減排、工程減排、監管減排等措施，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《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準，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，盡管化學需氧量、五日生化需氧量等污染物基本達到穩定排放標準，但此標準明顯高于地表水環境質量標準，因此對于河道而言仍是污水排放，導致市區河湖和城鎮下游河道污染物超標嚴重；二是雨季城市降雨徑流污染、雨污合流管道溢流污水污染，以及農業面源污染對地表水環境質量也產生較大影響。

4 結論與建議

本文采用模糊聚類分析法對北京市環境安全狀況進行評價，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、生態環境5個評價子集共14個指標，根據評價結果，北京市環境狀況為較安全級別，2005—2014年十年間，環境安全狀況有轉好的趨勢。地表水水的氨氮、BOD、高錳酸鹽指數及大氣污染中的PM10、PM2.5污染相對嚴重，這是北京市環境保護工作最應努力的方向，應堅持“預防優先、防治結合”的原則，積極推進污染物排放總量削減，大力促進產業結構和能源結構的優化調整，深入治理大氣、水等各類環境污染，不斷完善環境保護法規、政策、標準等保障體系，努力實現首都環境與人類社會的可持續發展。

（1）深化產業結構調整，推進污染減排，在原有節能減排措施的基礎上，繼續深化產業結構調整，扎實推進污染減排。將不符合首都功能定位的產業，尤其是高能耗、高污染、高耗水的落后工藝和設備及時調整退出，鼓勵發展高效、低耗、低污染的科技創新型現代工業；繼續嚴格控制新建燃煤設施，實施現有燃煤設施清潔能源改造，全面推進煙氣脫硫脫硝技術。

（2）落實全面防控，持續改善空氣質量。以京津冀地區大氣污染聯防聯控為契機，以空氣質量持續改善為目標，構建基于空氣質量達標的總量控制和污染減排體系。加強在區域大氣污染防治，實行多種污染物的協同控制，嚴控重點行業污染物排放標準，加強機動車污染控制，減少污染區域轉移，提升區域整體環境質量。

（3）深化防治結合，穩步提升水環境質量。加快城鎮和鄉鎮污水治理設施建設以及配套管網建設，逐步提高污水處理廠污染物排放標準，開展污水深度治理與資源化利用；逐步關停不符合北京市功能定位的水污染企業，推進工業園區水污染防治，深化工業企業廢水治理，確保工業水污染排放穩定達標；探索建立具有自身特色的水環境管理模式，在兼顧效率與公平的前提下，改進水環境管理，促進水資源的可持續利用。

（4）提升監管能力，完善環境管理體系。圍繞污染物總量減排與環境質量改善目標，建立和完善污染源與環境質量監測系統，整體提高污染源監測能力和水平。積極探索建立“市級、區縣、街道鄉鎮、企業”四級監管模式，形成層級分明、互為補充的環境監察網絡，推動街道鄉鎮環境管理體系建設，促進企業環保守法自律機制建設。完善環境監察執法機制，規范環境執法行為，加強環境監察標準化建設，提升環境監察管理水平，提高環境應急能力，防范環境風險。

[1] 蔡守秋. 論環境安全問題[J]. 安全與環境學報, 2001, 1(05): 28-32.

[2] 曲格平. 關注生態安全之一: 生態環境問題已經成為國家安全的熱門話題[J]. 環境保護2002, (05): 3-5.

[3] 張勇, 葉文虎. 國內外環境安全研究進展述評[J]. 中國人口·資源與環境, 2006, 16(03): 130-134.

[4] 閻靜, 劉靜靜. 環境安全: 概念的演進與釋義[J]. 科學·經濟·社會, 2008, 26(03): 97-100, 105-105.

[5] 何平, 詹存衛. 環境安全的理論分析[J]. 環境保護, 2004 (11): 53-57.

[6] Floyd R, Mattew R A. 環境安全研究[J]. 馬也力, 譯. 中國環境管理, 2014, 6(04): 56-62.

[7] 丘寧, 葛江華, 張秀菊, 等. 水環境安全模糊綜合評價方法研究[J]. 中國農村水利水電, 2013 (06): 61-65.

[8] 劉惠君, 閆旭騫, 林大澤. 礦區生態系統健康現狀模糊綜合評價方法[J]. 中國安全科學學報, 2009, 19(12): 154-158.

[9] 楊開, 王洪禧, 劉俊良, 等. 水環境安全評價體系的指標賦權研究[J]. 環境科學與技術, 2008, 31(08): 129-131, 154-154.

[10] 夏軍, 朱一中. 水資源安全的度量: 水資源承載力的研究與挑戰[J]. 自然資源學報, 2002, 17(03): 262-269.

[11] 賴武榮, 葉茂. 城市水安全評價體系研究[J]. 甘肅水利水電技術, 2010, 46(04): 45-46, 52-52.

[12] 魏引尚, 韓國鋒, 袁珍. 陜北礦區水環境安全評價[J]. 煤礦安全, 2011, 42(03): 125-127, 131-131.

[13] 雷蕾, 姚建, 吳佼玲, 等. 環境安全及其評價指標體系初探[J]. 地質災害與環境保護, 2006, 17(01): 26-29.

[14] 胡影峰, 華虹, 陳孚江. 居住區聲環境質量的控制改善與灰色聚類評價[J]. 重慶建筑大學學報, 2006, 28(01): 96-100.

[15] 劉艷. 城市環境安全評價的研究[D]. 泰安: 山東科技大學, 2007.

[16] 孫建麗. 城市環境安全評價指標體系——以蘇州市為例[J]. 環境科學與管理, 2008, 33(07): 173-178.

[17] 于揚, 岑況, Norra S, 等. 北京市PM2.5中主要重金屬元素污染特征及季節變化分析[J]. 現代地質, 2012, 26(05): 975-982.

[18] 韓利, 梅強, 陸玉梅, 等. AHP-模糊綜合評價方法的分析與研究[J]. 中國安全科學學報, 2004, 14(07): 86-89.

[19] 李宏, 李琳. 鎮江市水環境安全評價指標體系的建立與篩選[J]. 安徽農業科學, 2010, 38(11): 5813-5816.

[20] Wang X J, Zhang J Y, Shahid S, et al. Catastrophe theory to assess water security and adaptation strategy in the context of environmental change[J]. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2014, 19(04): 463-477.

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

中央高校基本科研業務費專項基金（20110082）。

竇培謙（1981—），男，講師，主要從事環境安全研究。