环境压力指数及我国大气环境压力状况评价

2013-09-07胡炳清覃丽萍柴发合中国环境科学研究院北京100012

中国环境科学 2013年9期

胡炳清,覃丽萍,柴发合,易鹏 (中国环境科学研究院,北京 100012)

大气环境是人类赖以生存的宝贵资源.然而,随着现代工业的迅速发展,人类经济活动所产生的大气污染物排放量超过了大气的自净能力,对大气环境产生了越来越大的压力.如果这种压力超过了大气环境的最大承受能力,则会对人类的生活、生产和身体健康等方面产生危害,甚至人类社会也会无法生存.因此,如何定量评价大气污染物排放量对大气环境的压力,以及如何根据大气环境压力的现状及长期发展趋势,协调经济发展与大气环境效应之间的关系,是可持续发展研究的重要课题.

关于大气环境质量评价的问题,国内外已经进行了许多研究,提出了一些原则和评价标准,并用一定的评价方法对大气环境质量的优劣进行定性或定量的评估.但是,在大气环境压力的定量评价问题上,目前还没有相关的研究.国内外现有的大气环境质量评价方法大体可分为以下几类[1]:大气污染指数法、大气污染生物评价法、大气污染经济学评价法、专家评价法和模糊数学法.其中以大气污染指数法的研究和应用最为广泛,国际上最具代表性的评价方法有美国污染物标准指数评价法(PSI)[1]、美国格林环境空气污染综合指数[1]和加拿大环境空气质量指数[1]等.我国专家学者在国外方法的基础上,结合我国大气污染的特点和实际,先后开发了环境空气污染指数法(API)[2]和上海指数法[3].除典型评价方法之外,国内外又提出了多种大气环境质量分析和评价的新方法,如人工神经网络法[4]、遗传算法[5]、集对分析法[6]、距离判别法[7]、物元可拓法[8]、环境压力总量指标体系[9]等.这些方法的共同特点是依据大气污染物的分级标准,根据大气环境中各种污染物的监测结果,评价大气环境质量达到哪一级标准,且评价结论是抽象的描述性的结论,难以预测大气环境变化的趋势.鉴于此,本文设计了一种定量评价大气环境压力的方法——大气环境压力指数(AEPI)法,并利用该方法对我国大气环境压力状况进行评价,为环保部门进行环境规划与管理提供依据.

1 环境压力指数

环境压力指数(EPI)是指人类经济社会活动对环境产生不利影响与作用而导致的环境压力的综合指数.环境压力指数可以分为绝对环境压力指数和相对环境压力指数.绝对环境压力指数是指单位面积上人类经济社会活动产生环境污染物的强度,相对环境压力指数是指单位面积上人类经济社会活动产生环境污染物的强度与表征空气质量优劣的无量纲指数(权重)的乘积.

1.1 区域绝对环境压力指数

区域绝对环境压力指数(RAEPI)是指区域(全国、省、市等)环境污染物排放强度(RECEI)与区域陆地国土面积(RA)的比.计算公式如下:

式中: ECi表示区域第i种污染物排放总量,对于大气环境来说,目前i只考虑SO2、NOx、烟尘和粉尘,kg/a; QSi表示第i种污染物对应的环境空气质量标准中的标准值,mg/m3; RECEI表示区域环境污染物排放强度,m3/a;ai为无量纲系数,对大气污染物来说,其值为 106; RA表示区域的陆地面积,km2; RAEPI表示区域绝对环境压力指数,m/a;β为无量纲系数,10-6.陆地国土面积(RA)的比.计算公式如下:

行业绝对环境压力指数(IAEPI)是指某一区域内该行业环境污染物排放强度(IECEI)与区域

1.2 行业绝对环境压力指数

式中:IGDP为某一区域该行业的 GDP,万元;RGDP为对应区域的总 GDP,万元;γ为该行业GDP占区域总GDP的比例;IECi表示该行业第i种污染物排放总量,kg/a; IECEI表示行业环境污染物排放强度; m3/a; IAEPI表示行业环境压力指数,m/a.

上述公式在构建涉及多种污染物的环境压力综合指数时采用了加和的方式,其物理意义为各种污染物空间分布浓度达到环境质量标准时的厚度之和.此外,还可使用最大值法、算术平均法等构建环境压力综合指数,但应对不同构建方法计算得到的综合指数与所表征的客观实际状况的相符性进行分析评价.

2 我国大气环境压力状况评价

利用环境压力指数法评价我国大气环境压力的状况,各指标的具体数据来源于中国统计年鉴[10]、中国环境统计年报[11-15]和环境空气质量标准(GB3095—1996)[16],其中计算时 QSi取环境空气质量二级标准值.

2.1 省级区域大气环境压力状况

省级区域大气污染物排放包括工业源和生活源两部分.根据区域绝对大气环境压力指数的定义以及公式(1)和公式(2),计算得到了2006～2010年全国及各省级行政区域绝对大气环境压力指数,部分计算结果见表1.同时,计算了每个年份区域绝对大气环境压力指数的均值(μ)、标准差(σ)、偏度和峰度.

根据表 1的计算结果,分别按照|Xi-μ|<σ、|Xi-μ|<2σ、Xi<μ和Xi<全国值(其中Xi为第i个区域的RAEPI值)等4种条件对2006年至2010年省级区域绝对大气环境压力指数进行了统计分析.分析结果发现,在1倍标准差范围内的区域有29～30个,占总区域数的93.5%～96.8%,在2倍标准差范围内的区域有30个,占区域总数的96.8%.表明RAEPI的分布相对比较集中在平均值两侧,且小于均值的个数多,呈现正(右)偏态分布,偏态系数在 4.01～4.31之间.其中小于均值的区域有20～23个,小于全国值的区域有9个.各个年份小于全国值的省份有内蒙古、黑龙江、海南、四川、云南、西藏、甘肃、青海和新疆9个省和自治区.

从图1可知,除上海和天津外,其他省级区域的RAEPI均小于500;而且除安徽2007年、宁夏2010年外,从安徽开始的 19个省级区域的RAEPI小于200m/a;除吉林的2010年外,从吉林开始的10个省级区域的RAEPI小于100m/a;青海和西藏2个省级区域的RAEPI则小于10m/a.从变化趋势来看,除天津总体呈上升趋势外,绝大多数省级区域的RAEPI都有不同程度的下降,相对于2006年来说,天津、浙江、宁夏、福建、吉林、四川、云南、内蒙古、甘肃、新疆、青海和西藏12个省级区域2010年的RAEPI上升了.

表1 2006～2010年省级区域绝对大气环境压力指数(m/a)Table 1 RAEPI of China provinces from 2006 to 2010(m/a)

图1 省级区域绝对大气环境压力指数(2006～2010年)Fig.1 RAEPI of China provinces (2006～2010)

2.2 省级工业行业大气环境压力状况

根据行业大气环境压力指数的定义以及式(3)～式(5),计算得到了 2006～2010年全国及各省级行政区域工业行业绝对大气环境压力指数,部分计算结果见表 2.同时,计算了每个年份工业行业绝对大气环境压力指数的均值(μ)、标准差(σ)、中位数、偏度和峰度.

根据表 2,分别按照|Xi-μ|<σ、|Xi-μ|<2σ、Xi<μ和Xi<全国值(其中Xi为第i个区域的IAEPI值)等4种条件对2006年至2010年省级工业行业绝对大气环境压力指数进行了统计分析.结果发现,在1倍标准差范围内的区域有29～30个,占总区域数的93.5%～96.8%,在2倍标准差范围内的区域有30个,占区域总数的96.8%.表明IAEPI的分布相对比较集中在平均值两侧,且小于均值的个数多,呈现正(右)偏态分布,偏态系数在3.57～4.22之间.其中小于均值的区域有20～22个,小于全国值的区域有8～9个.2006年小于全国值的省份有内蒙古、黑龙江、海南、云南、西藏、甘肃、青海和新疆 8个省和自治区;2007～2009年小于全国值的省份为 9个时,增加的是四川;2010年则在2009年的基础上减少海南.

表2 2006～2010年省级工业行业绝对大气环境压力指数(m/a)Table 2 IAEPI of China provinces from 2006 to 2010(m/a)

图2 省级工业行业绝对大气环境压力指数(2006～2010年)Fig.2 IAEPI of China provinces (2006～2010)

从图2可知,除上海、天津和北京的2010年外,其余省级区域的IAEPI均小于1000m/a;而且除安徽的2006年、贵州的2007年和宁夏的2010年外,从安徽开始的19个省级区域的IAEPI小于400m/a;从吉林开始的10个省级区域的IAEPI小于 200m/a;新疆、青海和西藏 3个省级区域的IAEPI小于30m/a.从变化趋势来看,天津、浙江、宁夏、福建、海南总体呈明显的上升趋势;其中,与2006年相比较,2010年IAEPI上升的省级区域有15个:天津、北京、江苏、山东、浙江、山西、宁夏、福建、陕西、海南、云南、黑龙江、甘肃、新疆和青海.

图3为2010年省级区域(左)及工业行业(右)绝对大气环境压力的分布图,根据 RAEPI和IAEPI指数值,分为5类(指数值<50,50～100,100～200,200～500,>500m/a)进行渲染.结合图3及上述分析可以得到我国大气环境压力的几大特征:

(1) 省级 RAEPI存在明显的空间差异,表现为以上海、天津为最大的大气环境压力中心,向南、北和西 3个方向大气环境压力逐渐降低,陆地边疆和少数民族地区大气环境压力最小的空间分布态势; 形成了以长江三角洲、京津冀为重点区域的、除福建以外的东部沿海地带是绝对大气环境压力最大或较大的区域,也是今后大气环境污染控制的重点区域;同时,西南的重庆和西北的宁夏,中部的河南与山西也是值得重点关注的区域.

图3 2010年省级区域及工业行业绝对大气环境压力分布Fig.3 Spatial distribution of RAEPI and IAEPI of China provinces(2010)

(2) 省级 IAEPI同样存在明显的地域差异,上海、天津为南北两个最大工业行业大气环境压力中心,向南、北和西三个方向工业行业大气环境压力逐渐降低,陆地边疆和少数民族地区大气环境压力最小的空间分布态势;形成了以长三角、京津冀为重点区域的东部沿海地带,以及除江西以外的中部地区是绝对工业行业大气环境压力最大或较大的区域,也是今后大气环境污染控制的重点区域; 同时,西南的重庆、贵州和广西,西北的陕西与宁夏也是值得重点关注的区域;全国或省级工业 IAEPI绝大多数比全国或省级RAEPI大0.5～2.5倍,表明工业仍是造成大气环境压力的主要因素,尤其海南和西藏两个工业相对不发达的地区,大气环境压力指数值较小,而IAEPI与RAEPI的比值较大,说明工业的生产水平比较落后.

(3) 从时间发展过程来看,省级区域绝对大气环境压力指数(RAEPI)和省级工业绝对大气环境压力指数(IAEPI)绝大部分区域均表现为2010年比2006年有明显的下降,说明通过“十一五”期间的总量控制,大气环境压力有所缓解;RAEPI最低的4个区域甘肃、新疆、青海和西藏,在 2006～2010年间,指数的增长率较高,但增长幅度较小; IAEPI海南和新疆分别从2006年的104.22、20.23m/a上升到2010年的182.76、28.44m/a,增长率分别为 75.35%、40.53%,新疆增长幅度较小.

(4) RAEPI和IAEPI的地区差异表现为东部地区最大,中部地区次之,西部地区最小,这表明,大气环境压力与区域经济发展水平有较高的关联性,需要进一步协调经济发展与大气环境保护之间的关系.

3 结论

3.1 研究结果表明:我国省级 RAEPI和 IAEPI存在着明显的空间、地域性差异,均表现为以上海、天津为南北两个大气环境压力中心,向南、北和西三个方向逐渐降低,陆地边疆和少数民族地区大气环境压力最小;工业仍是造成我国大气环境压力的主要因素,落后地区的工业生产水平有待提高;通过“十一五”期间的总量控制,我国大气环境压力有所缓解,但不能忽视落后地区大气环境压力的上升趋势;大气环境压力与区域经济发展水平有较高的关联性,以长江三角洲、京津冀为重点区域的、大气环境压力较高的东部沿海地带,需进一步协调经济发展与大气环境保护之间的关系.

3.2 绝对大气环境压力指数能正确表征我国大气污染排放与控制状况及其区域与行业差异,对大气污染控制的分区分类管理具有指导作用;绝对环境压力指数法既考虑了污染物排放量对环境产生的压力,又考虑了区域面积、环境质量标准对环境的承受能力,综合性较强;该方法以常规国民经济统计和环境统计数据为基础,可靠性较高;该方法直观性较强,既可比较不同地区环境压力状态的差异,又可分析同一地区环境压力的长期变化趋势.这些特点表明,环境压力指数是一种值得推广的评价区域环境压力的定量方法.

[1]杨文东.武汉市大气环境质量评价模糊数学模型的研究——模糊综合评价法的研究 [D]. 武汉:武汉理工大学, 2002:4-11.

[2]中华人民共和国环境保护部.城市空气质量日报和预报技术规定(二次征求意见稿) [S].

[3]刘崇洪.不同大气质量评价方法的比较 [J]. 环境与开发,1993,8(1):22-26.

[4]李祚泳,邓新民.大气环境质量综合评价的 B-P网络模型 [J].重庆环境科学, 1994,16(6):37-40.

[5]李祚泳,彭荔红.基于遗传算法优化的大气质量评价的污染危害指数公式 [J]. 中国环境科学, 2000,20(4):313-317.

[6]李祚泳.大气环境质量综合评价的集对分析方法 [J]. 环境科学研究, 1998,11(2):31-33.

[7]朱宏兰,高伟生.距离判别法在大气环境质量现状评价中的应用[J]. 环境保护, 1997,12:23-25.

[8]陈德明,李祚泳.大气环境质量的物元分析评价法 [J]. 环境科学研究, 1994,7(2):24-28.

[9]顾晓薇,王青,刘敬智,等.环境压力指标及应用 [J]. 中国环境科学, 2005,25(3):315-319.

[10]国家统计局.中国统计年鉴 2011[EB/OL].http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2011/indexch.htm, [2011-09-20]/[2012-12-08].

[11]环境保护部.中国环境统计年报2006 [M]. 北京:中国环境科学出版社, 2006:55-58.

[12]环境保护部.中国环境统计年报2007 [M]. 北京:中国环境科学出版社, 2007:53-56.