京津冀大氣污染聯(lián)防聯(lián)控區(qū)域細(xì)分與等級評價*

薛 儉 陳強(qiáng)強(qiáng)

(陜西科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，陜西 西安 710021)

近年來，我國大氣污染已呈現(xiàn)區(qū)域性特征[1]，現(xiàn)有的屬地治理方式已不能對區(qū)域大氣污染進(jìn)行有效治理[2]。系統(tǒng)整合環(huán)境治理資源，嚴(yán)格落實屬地責(zé)任，建立各部門統(tǒng)一調(diào)動的聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制,目前已形成廣泛共識[3-4]?？茖W(xué)確定聯(lián)防聯(lián)控的區(qū)域范圍和治理優(yōu)先等級成為聯(lián)防聯(lián)控有效性的關(guān)鍵[5]。

目前劃分聯(lián)防聯(lián)控區(qū)域的方法主要有兩種：一是按照大氣污染自身特點[6],二是按照生態(tài)環(huán)境的地理特點(即大氣流動規(guī)律)[7]?，F(xiàn)有的兩種方法都缺乏系統(tǒng)性[8]。前者將大氣污染孤立研究，未能全面考慮污染地區(qū)的自然、經(jīng)濟(jì)、社會等綜合因素；后者雖然將污染地區(qū)影響空氣流動的自然因素考慮其中，但忽視了我國行政管理體系的現(xiàn)狀。對于京津冀這樣大范圍的空氣污染治理，參與主體多，導(dǎo)致協(xié)調(diào)困難[9]。

制定聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域及劃分治理等級的相關(guān)研究成果較少，但可借鑒多屬性綜合評價在其他領(lǐng)域的研究成果。多屬性綜合評價理論中，優(yōu)劣解距離(TOPSIS)法被用于城鎮(zhèn)污水治理績效評價[10]、區(qū)域發(fā)展模式選擇[11]、城市/行業(yè)競爭力比較[12]、水資源環(huán)境評價[13]、工業(yè)污染或環(huán)境績效評價[14]、項目環(huán)境風(fēng)險評價[15]以及大氣污染治理等級評價[16]。但是，TOPSIS法存在一定的應(yīng)用局限性：可能會出現(xiàn)與理想點歐式距離更近或與負(fù)理想點的歐式距離也更接近的情況，在此情況下的評價結(jié)果并不能完全反映出各方案的優(yōu)劣性?；疑P(guān)聯(lián)分析法常被用于電網(wǎng)規(guī)模評價[17]、環(huán)境影響因素評價[18]、空氣污染評價[19]、水質(zhì)評價[20]等方面。然而灰色關(guān)聯(lián)分析法也有不容忽視的不足之處：它只能針對各方案相同因素之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行度量，僅僅根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析法來對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)選決策是不準(zhǔn)確的。因此本研究結(jié)合TOPSIS法和灰色關(guān)聯(lián)分析法各自優(yōu)勢建立TOPSIS-灰色關(guān)聯(lián)綜合評價模型，使得評價結(jié)果更具綜合性，可提高系統(tǒng)評價貼切度。該綜合評價模型已應(yīng)用到旅游產(chǎn)業(yè)競爭力評價[21]、建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價[22]、水質(zhì)評價[23]、環(huán)境承載能力評價[24]等方面，目前尚無用于區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控等級評價的案例。

本研究采用一元線性回歸、聚類分析、相關(guān)性分析等方法劃分聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域范圍；然后構(gòu)建聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域大氣污染水平、平均人口密度、對區(qū)域整體污染的影響程度和污染治理彈性4個等級評價指標(biāo)；接著建立TOPSIS-灰色關(guān)聯(lián)綜合評價模型確定各子區(qū)域的污染治理優(yōu)先等級；最后把新方法應(yīng)用到我國京津冀區(qū)域PM2.5和O3污染聯(lián)防聯(lián)控實例中。

1 研究方法

1.1 聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域劃分方法

(1) 區(qū)域內(nèi)的聯(lián)防聯(lián)控城市的選擇

以區(qū)域Q內(nèi)某城市的第p種大氣污染物濃度為自變量，以區(qū)域Q的該大氣污染物濃度為因變量進(jìn)行線性回歸。設(shè)定一個臨界值，R2大于這個臨界值則將該城市作為區(qū)域Q內(nèi)聯(lián)防聯(lián)控候選城市之一[25]。

(2) 任意兩城市之間大氣污染相關(guān)性分析

算出大氣污染區(qū)域Q內(nèi)任意兩城市之間第p種大氣污染物的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，該系數(shù)越接近于1，則表明這兩城市之間的污染相互傳輸程度越強(qiáng)[26]。

(3) 聯(lián)防聯(lián)控區(qū)域劃分

基于相關(guān)性分析結(jié)果，對候選城市進(jìn)行聚類分析[27]，得到區(qū)域Q內(nèi)針對第p種污染物的聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域。

1.2 聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域等級排名評價指標(biāo)選擇

(1) 大氣污染水平

在大氣污染區(qū)域Q內(nèi)，聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域Qi的第p種污染物日均濃度越大，則它對當(dāng)?shù)?、區(qū)域Q內(nèi)其他聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域大氣污染影響程度越高，越應(yīng)優(yōu)于其他聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域治理[28]。

(2) 平均人口密度

治理大氣污染問題最終的目的是降低大氣污染對居民身體健康的傷害。而一個區(qū)域人口密度越高，該區(qū)域面臨的大氣污染對身體健康的傷害可能就越大，越應(yīng)優(yōu)于其他聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域治理。

(3) 對區(qū)域整體污染的影響程度

以聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域Qi的第p種大氣污染物日均濃度數(shù)據(jù)為自變量，以區(qū)域Q的第p種大氣污染物日均濃度為因變量進(jìn)行線性回歸，如果斜率越大，則說明這個子區(qū)域?qū)^(qū)域Q大氣污染水平影響越大，越應(yīng)優(yōu)于其他聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域治理。

(4) 污染治理彈性

各聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、污染自我凈化水平不同，所以其污染治理彈性也不同。因此，將污染治理彈性作為聯(lián)防聯(lián)控等級排名評價指標(biāo)之一?？梢杂米儺愊禂?shù)反映離散程度，變異系數(shù)越大，離散程度越高，說明污染治理彈性越大，效果越顯著。

1.3 聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域等級評價模型構(gòu)建

針對大氣污染區(qū)域Q，根據(jù)1.2節(jié)的方法劃分為m個聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域，即Q={Q1，Q2，…，Qm}。對于任意聯(lián)控子區(qū)域Qi的某種污染物的聯(lián)防聯(lián)控等級評價指標(biāo)體系(N)構(gòu)建n個指標(biāo)，即N={N1，N2，…，Nn}。根據(jù)Q和N構(gòu)建評價矩陣X(見表1)。

表1 TOPSIS-灰色關(guān)聯(lián)綜合評價模型評價矩陣

(1)

(2)

表2 京津冀區(qū)域各城市之間PM2.5、O3皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣1)

(3)

如果F越接近1，說明被評價對象與最優(yōu)方案越接近，效果越好。

2 實證分析

根據(jù)《2018中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》公布的大氣污染重點區(qū)域，京津冀區(qū)域包括北京、天津、石家莊、唐山、秦皇島、衡水、廊坊、邯鄲、邢臺、保定、張家口、承德、滄州13個城市。本研究收集了來自京津冀區(qū)域81個空氣質(zhì)量監(jiān)控站的PM2.5和O3濃度數(shù)據(jù)，時間跨度從2016年1月1日到2018年12月31日，獲得的PM2.5和O3小時平均濃度有效記錄總計分別為212.87萬、212.86萬條。

2.1 聯(lián)防聯(lián)控城市的污染物相關(guān)性

表2為京津冀區(qū)域13個城市的污染物皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣。結(jié)果表明，污染相關(guān)系數(shù)存在差異，但任意兩個聯(lián)防聯(lián)控城市之間的污染相關(guān)系數(shù)顯著。

2.2 劃分聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域

為確定對整個京津冀區(qū)域污染影響程度大的城市，以整個京津冀區(qū)域PM2.5、O3質(zhì)量濃度為因變量(y，mg/m3)，以各城市PM2.5、O3質(zhì)量濃度為自變量(x，mg/m3)進(jìn)行一元線性回歸分析。表3以PM2.5為例進(jìn)行說明。

以0.7作為各城市對京津冀區(qū)域污染貢獻(xiàn)大小的臨界值，如果R2>0.7，就可將該城市作為京津冀區(qū)域PM2.5聯(lián)防聯(lián)控候選城市之一。由表3可知，13個城市中除秦皇島、張家口、承德外全是津冀區(qū)域PM2.5聯(lián)防聯(lián)控的候選城市，同理得出13個城市均為O3聯(lián)防聯(lián)控候選城市。

表3 京津冀區(qū)域與各城市PM2.5線性回歸結(jié)果

根據(jù)任意候選城市之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖1所示。京津冀區(qū)域可劃分為4個PM2.5聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域，分別為Q1={天津，唐山，廊坊，滄州，北京}，Q2={邢臺，衡水，保定}，Q3={邯鄲}，Q4={石家莊}。同理，可將京津冀區(qū)域劃分為6個O3聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域，分別為Q1={邯鄲，邢臺，石家莊}，Q2={北京，廊坊，保定}，Q3={天津，唐山，秦皇島}，Q4={滄州，衡水}，Q5={張家口}，Q6={承德}。

2.3 基于TOPSIS-灰色關(guān)聯(lián)綜合評價模型的等級評價

根據(jù)1.3節(jié)的評價指標(biāo)，計算得到4個PM2.5聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域評價指標(biāo)，結(jié)果如表4所示，同理可計算得到6個O3聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域評價指標(biāo)。

圖1 京津冀區(qū)域污染候選城市的污染皮爾遜相關(guān)系數(shù)聚類圖Fig.1 Cluster diagram of pollution Pearson correlation coefficient of candidate cities in Beijing-Tianjin-Hebei region

表4 京津冀區(qū)域大氣污染4個PM2.5聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域評價指標(biāo)

運用熵值法計算出每個指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。PM2.5聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域大氣污染水平、平均人口密度、對區(qū)域整體污染的影響程度和污染治理彈性的權(quán)重系數(shù)分別為0.316、0.176、0.116、0.391，O3聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域這4項指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分別為0.247、0.020、0.432、0.301。

PM2.5、O3聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域的最優(yōu)灰色關(guān)聯(lián)度、最劣灰色關(guān)聯(lián)度和灰色關(guān)聯(lián)貼近度如表5所示。4個PM2.5聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域的優(yōu)先等級表現(xiàn)為Q4>Q1>Q3>Q2，6個O3聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域的優(yōu)先等級表現(xiàn)為Q1>Q3>Q2>Q4>Q5>Q6。

表5 最優(yōu)灰色關(guān)聯(lián)度、最劣灰色關(guān)聯(lián)度和灰色關(guān)聯(lián)貼近度

2.4 聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域分析

由于PM2.5易隨風(fēng)傳輸并長時間懸浮，因此在進(jìn)行PM2.5聯(lián)防聯(lián)控時傾向于選擇較大的區(qū)域范圍。在京津冀區(qū)域的4個PM2.5聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域中，Q1和Q2所包含的城市較多，Q3和Q4所包含的城市較少。由于承德、張家口與其他城市之間有太行山脈阻隔，故傳輸較少，因此張家口和承德未列入聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域的范圍內(nèi)，與其地理位置相符。與PM2.5相比，O3的小范圍局地污染特征更加明顯，這是由于O3自身的穩(wěn)定性較差，容易分解，無法進(jìn)行較大范圍傳輸。6個O3聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域中，Q4、Q5和Q6包含的城市均不超過兩個,Q1、Q2和Q3包含的城市也僅有3個。根據(jù)O3小范圍污染特征，可將有污染共性的城市在小范圍內(nèi)進(jìn)行規(guī)劃協(xié)調(diào)、聯(lián)動治理。

以上結(jié)果表明，基于相關(guān)性分析、一元線性回歸和聚類分析劃分聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域，與大氣污染物特性、各城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、地理特征、常駐人口數(shù)量等因素相符，具有科學(xué)性。

2.5 聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域治理優(yōu)先等級評價分析

文章運用TOPSIS-灰色關(guān)聯(lián)綜合評價模型對京津冀各聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域治理等級劃分的結(jié)果與實際情況相符。PM2.5聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域中，Q4的PM2.5污染水平居首且Q4的污染治理彈性僅次于Q3，考慮Q4污染水平最嚴(yán)重，因此Q4被賦予了最高的PM2.5治理優(yōu)先等級。Q1的平均人口密度居首并且其對整個京津冀區(qū)域PM2.5污染影響程度最大，此外Q1是整個京津冀區(qū)域經(jīng)濟(jì)政治文化的中心，因此Q1的PM2.5治理優(yōu)先等級被評定為第二。Q3的污染治理彈性居首，平均人口密度僅次于Q1，因此Q3的PM2.5治理優(yōu)先等級為第三。Q2的優(yōu)先等級最低，這與Q2污染治理彈性最低且平均人口密度較低的實際情況相符。

同理，O3聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域中，Q1由于對整個京津冀區(qū)域O3污染影響程度遠(yuǎn)大于其他聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域，因此應(yīng)最先對Q1進(jìn)行O3治理，以最大程度上降低O3污染對整個京津冀區(qū)域的影響。而Q3的平均人口密度居首，有著較大的O3治理緊迫性，因此Q3的O3治理優(yōu)先等級排名第二。其他4個聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域綜合其O3濃度、O3污染影響程度、O3治理彈性和平均人口密度可得到相應(yīng)的治理等級。

以上分析表明，綜合考慮各聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域污染水平、平均人口密度、治理彈性、對整個區(qū)域污染的影響程度等多個特征，基于TOPSIS-灰色關(guān)聯(lián)綜合評價模型進(jìn)行聯(lián)防聯(lián)控等級劃分的結(jié)果與實際情況吻合，具有科學(xué)性和合理性。這種聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域劃分與等級評價有利于提高空氣質(zhì)量、縮減經(jīng)費開支，對我國大氣污染聯(lián)防聯(lián)控具有重要的戰(zhàn)略意義。

3 結(jié) 語

本研究采用相關(guān)性分析、一元線性回歸、聚類分析進(jìn)行聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域劃分；然后在構(gòu)建聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域大氣污染水平、平均人口密度、子區(qū)域?qū)^(qū)域整體污染的影響程度和污染治理彈性4個等級評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出采用TOPSIS-灰色關(guān)聯(lián)綜合評價模型劃分聯(lián)防聯(lián)控等級的新方法；最后，對2016—2018年我國京津冀區(qū)域13個城市PM2.5和O3污染聯(lián)防聯(lián)控進(jìn)行實證研究。結(jié)果表明，京津冀區(qū)域可被細(xì)分為4個PM2.5聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域，即Q1={天津，唐山，廊坊，滄州，北京}，Q2={邢臺，衡水，保定}，Q3={邯鄲}，Q4={石家莊}；6個O3聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域，即Q1={邯鄲，邢臺，石家莊}，Q2={北京，廊坊，保定}，Q3={天津，唐山，秦皇島}，Q4={滄州，衡水}，Q5={張家口}，Q6={承德}。4個PM2.5聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域的優(yōu)先等級表現(xiàn)為Q4>Q1>Q3>Q2，6個O3聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域的優(yōu)先等級表現(xiàn)為Q1>Q3>Q2>Q4>Q5>Q6。京津冀區(qū)域PM2.5和O3聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域劃分和等級評價與其自身經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、自然條件、人口現(xiàn)狀等實際情況相符，說明本研究提出的聯(lián)防聯(lián)控子區(qū)域劃分與等級評價方法具有一定科學(xué)性。