Copeland法與證據權重法在污染物危害性排序上的對比研究

朱曉晶，于洋，竹濤，鄭玉婷，任幸，林軍

1. 生態環境部固體廢物與化學品管理技術中心，北京 100029 2. 中國礦業大學(北京)，北京 100083

我國經濟快速增長，工業化、城市化進程不斷加快，使得環境持續惡化，大氣污染對人體健康、生態環境及氣候變化等帶來了不利影響[1]。20世紀90年代，發達國家相繼頒布或修訂了相關法規，逐漸重視對有毒有害大氣污染物的環境管理。1990年，美國《清潔空氣法案》(簡稱CAA)提出有毒有害大氣污染物的概念[2]，并建立了包括187種有毒有害大氣污染物的《有毒有害大氣污染物名錄》和包括30種有毒有害大氣污染物的《城區有害空氣污染物名錄》，為政府管控污染物、減輕大氣環境污染狀況提供重要支撐。自1996年起，日本開始關注有毒有害大氣污染物的治理，根據《大氣污染防治法》將248種污染物列入《有毒有害大氣污染物名錄》，其中包括了23種優先控制污染物[3]。近年來，我國也加強了對有毒有害大氣污染物的環境管理，《大氣污染防治法》要求根據污染物對公眾健康和生態環境的危害和影響程度，公布《有毒有害大氣污染物名錄》，實行風險管理。

Copeland計分排序法應用領域廣泛。該方法最初是在一次針對“數學在社會學上的應用”的研討會上由密西根大學Copelanda提出的，它是一種非參數排序方法，計算過程簡單，現已應用到社會學排序問題[4]、企業信息化績效評價[5]、灌溉用水效率評價[6]等方面。在環境科學研究方面，李成東等[7]選擇Copeland計分排序法對化學物質進行生態毒性的排序，與日本環境省公布的環境評價結果對比發現二者基本相符，證明Copeland計分排序法在化學物質生態毒性排序上的應用具有一定的合理性。

證據權重法是篩選有毒有害污染物常用方法。該方法在污染物篩選中一直被廣泛應用，Doran和Parkin[8]首先采用了證據權重法對土壤質量進行了評價；于云江等[9]利用證據權重法選取對區域環境影響較大的9個單項因子作為篩選指標開展大氣污染物篩選；許詠梅等[10]利用證據權重法對新疆國家灰漠土基地1990—2002年長期定位試驗土壤的監測數據進行了計算分析；韓絮等[11]利用證據權重法評價了污染物的毒性和暴露水平；岑科達和邱東鶴[12]在對化工園區大氣污染物進行篩選時，在證據權重法的基礎上結合實際情況進行了改良，以污染物的致癌性、急性毒性、化學反應活性為篩選因子篩選污染物；黃震[13]利用證據權重法對上海市石化行業廢氣進行了優先污染物的篩選；歐盟水框架指令(簡稱WFD)利用“綜合基于監測和模型的優先集設置法”(簡稱COMMPS)[14]篩選提出了水環境優先化學物質管理名單。

我國鮮有學者開展有毒有害大氣污染物篩選技術研究。借鑒發達國家及科研機構經驗，利用Copeland計分排序法和證據權重法，選擇不同篩選因子，分別對污染物進行危害特性優先性排序，對篩選結果進行斯皮爾曼[15]相關性分析，并討論了利用2種方法篩選污染物的優缺點，以期為我國有毒有害大氣污染物篩選方法的建立提供一個可供比較的新視角。

1 研究方法(Research methods)

1.1 數據的選擇

美國根據《清潔空氣法案》建立了《有毒有害大氣污染物名錄》，截至2016年，經多次修訂最終將187種有毒有害大氣污染物列入該名錄[16]。美國根據《清潔水法》(簡稱CWA)建立了《優先控制水污染物名錄》，并制定了排放限值標準，后經多次修訂將126種污染物列入該名錄[17]。

化學物質進入不同介質可能會對人體或生態環境造成不同程度的負面影響，也被稱為污染物，綜合考慮美國《有毒有害大氣污染物名錄》及《優先控制水污染物名錄》所包含的污染物，取其交集，最終選取50種化學物質進行計分排序，具體污染物信息見表1。

1.2 方法的選擇

1.2.1 Copeland計分排序法

Copeland計分排序法使用部分有序集合的概念和社會選擇理論[18]相結合，是一種少數服從多數的賦分排序法。設有i個物質，j個指標，將各個物質的同一指標相互比較，將之分為優等、同等、劣等三等級，若比較結果相同，則為同等，賦值為0；若優于另一物質，則為優等，賦值為1；若劣于另一物質，則為劣等，賦值為-1。該物質與其余各個物質的同一指標比較完后將所有得分求和，再將所有指標評比得分相加，得到最后結果。依據最后得分，按照分值大小排序。

如圖1所示，圖1(1)為物質A、B、C、D、E及其指標1、指標2對應數值，將物質A的指標1、2分別與物質B的指標1、2對應數值比較大小，所得分數加和為0，填入圖1(2)對應位置，再將物質A的指標1、2分別與物質C的指標1、2對應數值比較大小，所得分數加和為2，填入圖1(2)對應位置，以此類推得到圖1(3)所示分數，最后按照圖1(3)對應分數，以大至小按順序排列得到圖1(4)，即為最后結果。

表1 本研究考察的50種污染物Table 1 50 Types of pollutants in this study

1.2.2 證據權重法

證據權重法是對各個污染物進行指標的選擇并設置相應權重，每個指標需要分級賦分，根據毒性或其他因素的強弱分級，且所附分值需均成正相關，如毒性越大，分值越高。各指標所得分值與相應權重因子相乘，最后將該物質各指標與相應權重因子乘積相加得到最后分值，根據分值大小，按照數值從大至小的順序排列，篩選出所需污染物。

如圖2所示，圖2(1)中物質A的指標1、2對應數值分別與權重1、2對應數值相乘，加和后填入圖2(2)，根據圖2(2)中分值大小按照從大至小的順序排列得到圖2(3)所示結果。經綜合考慮，本研究選擇各指標權重均為1。

1.3 指標的選擇

大氣污染物可能對人體健康及生態環境造成危害，因此選擇健康危害和環境危害2類指標。在健康危害方面，人體暴露于大氣中，可能通過吸入[19-22]、皮膚暴露[22-23]等方式進入人體并造成不同程度的危害，綜合考慮污染物對人體健康急慢性效應的各種表現形式，將致癌性、致突變性、生殖毒性、急性毒性(吸入)和急性毒性(經皮)等作為健康危害指標。在環境危害方面，大氣污染物可能通過干、濕沉降形式進入水體并對水環境及水生生物造成危害，并有可能長時間存在于水體中，對水生生物造成持續性傷害，將持久性以及對水生生物的急、慢性危害作為環境危害指標。

健康危害指標和環境危害指標按照《化學品分類和標簽規范》系列國家標準(GB 30000.2—2013～30000.29—2013)中的規定進行分級；污染物危害信息主要參考美國有毒物質數據庫[24](HSDB)、國際癌癥研究機構[25](IARC)的分類結果、以及歐盟[26]和日本[26]的化學品GHS分類結果，GHS為“全球化學品統一分類和標簽制度”。

本文采用Copeland計分排序法與證據權重法分別對所選50種污染物進行危害性排序。分別選用4個指標、6個指標、8個指標對污染物危害性進行排序，見表2。由于選用不同指標結果可能會有差異，為能比較二者排序結果，選用統一指標計分排序。

圖1 Copeland計分排序法解析Fig. 1 Analysis of Copeland score sorting method

圖2 證據權重法解析Fig. 2 Analysis of weight-of-evidence method

2 結果與分析(Results and analysis)

2.1 Copeland計分排序法篩選結果

2.1.1 不同篩選指標排序結果

針對50種污染物，分別選擇4、6和8個指標，利用Copeland計分排序法開展污染物危害性優先性排序，結果如表3所示。

選擇4個指標時，排序前10的污染物共有11種，分別為：2,4-二硝基甲苯、2,3,7,8-四氯二苯并對二噁英、林丹、苯、三氯乙烯、4,4'-二氨基聯苯、六氯苯、六氯乙烷、氯丹、五氯苯酚和毒殺芬；排序后10的污染物共有13種，分別為：1,2,4-三氯苯、2,4-二硝基苯酚、2,4,6-三氯苯酚、異佛爾酮、丙烯醛、一氯甲烷、氯乙烷、1,1-二氯乙烯、氯苯、1,1-二氯乙烷、4-硝基苯酚、1,2-二苯肼和鄰苯二甲酸二甲酯。

選擇6個指標時，排序前10的污染物共有10種，分別為：2,4-二硝基甲苯、五氯苯酚、1,1,2,2-四氯乙烷、林丹、硝基苯、四氯化碳、二(2-氯乙基)醚、六氯環戊二烯、苯酚和丙烯腈；排序后10的污染物共有10種，分別為：鄰苯二甲酸二丁酯、1,2-二氯乙烷、1,2,4-三氯苯、2,4,6-三氯苯酚、氯苯、一氯甲烷、氯乙烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二苯肼和鄰苯二甲酸二甲酯。

選擇8個指標時，排序前10的污染物共有10種，分別為：2,4-二硝基甲苯、五氯苯酚、丙烯腈、林丹、2,4-二硝基苯酚、2,3,7,8-四氯二苯并對二噁英、1,1,2-三氯乙烷、三氯乙烯、六氯環戊二烯和4,4'-二氨基聯苯；排序后10的污染物共有10種，分別為：乙苯、六氯丁二烯、鄰苯二甲酸二丁酯、4-硝基苯酚、甲苯、1,2,4-三氯苯、氯苯、氯乙烷、1,1-二氯乙烷和鄰苯二甲酸二甲酯。

表2 選擇指標內容Table 2 Selection of index content

表3 Copeland計分排序法排序結果Table 3 The ranking results of Copeland score sorting method

選擇4、6和8個指標時，均排在前10的污染物共有3種，分別為：五氯苯酚、2,4-二硝基甲苯和林丹。均排在后10的污染物共有5種，分別為：1,2,4-三氯苯、氯苯、氯乙烷、1,1-二氯乙烷和鄰苯二甲酸二甲酯。

2.1.2 不同指標篩選結果相關性分析

采用Copeland計分排序法分別選擇4、6和8個指標對50種污染物進行危害性排序，排序在前10的污染物去重后共有19種，排序在后10的污染物去重后共有18種，排序在前10的污染物與排序在后10的污染物中有一個重復項，為2,4-二硝基苯酚。結果表明，利用Copeland計分排序法在危害性排序上能實現優先性排序，將污染物的危害程度區分開。

選擇不同篩選因子開展Copeland計分排序會得到不同結果。對不同篩選指標篩選得到的結果進行斯皮爾曼相關系數(Spearman Correlation Coefficient)分析，結果見表4。結果表明：4個指標與6個指標排序結果、6個與8個指標排序結果、4個與8個指標排序結果相關系數分別為0.6568、0.7556和0.5541，所選指標相差數量少時相關性較好，相差數量多時，相關性較弱。研究發現，選擇不同指標會得到不同的排序結果，當污染物存在于不同環境介質中，應根據其存在特征、可能對人體或環境造成危害途徑及環境介質特點選擇恰當的篩選指標。

表4 Copeland計分排序法不同指標數 排序結果相關性Table 4 The correlation of sorting results by Copeland score sorting method with different indexes

2.2 證據權重法排序結果

2.2.1 不同篩選指標排序結果

針對50種污染物，分別選擇4、6和8個指標，利用證據權重法在其危害性上進行排序，排序結果如表5所示。

選擇4個指標時，排序前10的污染物共有13種，分別為：2,4-二硝基甲苯、2,3,7,8-四氯二苯并對二噁英、林丹、苯、三氯乙烯、4,4'-二氨基聯苯、六氯苯、六氯乙烷、氯丹、五氯苯酚、毒殺芬、硝基苯和DEHP；排序后10的污染物共有13種，分別為：1,2,4-三氯苯、2,4-二硝基苯酚、2,4,6-三氯苯酚、異佛爾酮、丙烯醛、一氯甲烷、氯乙烷、1,1-二氯乙烯、氯苯、1,1-二氯乙烷、4-硝基苯酚、1,2-二苯肼和鄰苯二甲酸二甲酯。

選擇6個指標時，排序前10的污染物共有11種，分別為：2,4-二硝基甲苯、1,1,2,2-四氯乙烷、五氯苯酚、硝基苯、二(2-氯乙基)醚、林丹、六氯環戊二烯、苯、2,3,7,8-四氯二苯并對二噁英、丙烯醛和四氯化碳；排序后10的污染物共有13種，分別為：甲苯、1,2-二氯乙烷、1,1-二氯乙烯、4-硝基苯酚、異佛爾酮、氯苯、一氯甲烷、1,2,4-三氯苯、氯乙烷、2,4,6-三氯苯酚、1,1-二氯乙烷、1,2-二苯肼和鄰苯二甲酸二甲酯。

選擇8個指標時，排序前10的污染物共有12種，分別為：2,3,7,8-四氯二苯并對二噁英、五氯苯酚、2,4-二硝基甲苯、林丹、丙烯腈、丙烯醛、1,1,2,2-四氯乙烷、三氯乙烯、六氯環戊二烯、DEHP、4,4'-二氨基聯苯和2,4-二硝基苯酚；排序后10的污染物共有12種，分別為：萘、鄰苯二甲酸二丁酯、六氯丁二烯、乙苯、異佛爾酮、甲苯、氯苯、1,2,4-三氯苯、氯乙烷、1,1-二氯乙烷、4-硝基苯酚和鄰苯二甲酸二甲酯。

選擇4、6和8個指標時，均排在前10的污染物共有4種，分別為：五氯苯酚、2,3,7,8-四氯二苯并對二噁英、2,4-二硝基甲苯和林丹。均排在后10的污染物共有7種，分別為：異佛爾酮、4-硝基苯酚、1,2,4-三氯苯、氯苯、氯乙烷、1,1-二氯乙烷和鄰苯二甲酸二甲酯。

2.2.2 不同指標篩選結果相關性分析

采用證據權重法分別選擇4、6和8個指標對50種污染物進行危害性排序，排序在前10的污染物去重后共有20種，排序在后10的污染物去重后共有19種，排序在前10的污染物與排序在后10的污染物中僅有2種污染物重復，為丙烯醛與2,4-二硝基苯酚。

證據權重法選擇不同篩選因子排序會得到不同結果。對不同篩選指標篩選得到的結果進行斯皮爾曼相關系數分析，結果見表6。結果表明：4個指標與6個指標排序結果、6個與8個指標排序結果、4個與8個指標排序結果相關系數分別為0.7339、0.8334和0.6077。所選指標相差數量少時相關性較好，相差數量多時，相關性較弱，這種現象與Copeland計分排序法篩選結果一致。

表5 證據權重法排序結果Table 5 Ranking results by weight-of-evidence method

2.3 Copeland計分排序法與證據權重法結果對比

綜合2種方法在選擇4個指標時的排序結果，排序均在前10的污染物共11種，分別為：2,4-二硝基甲苯、2,3,7,8-四氯二苯并對二噁英、林丹、苯、三氯乙烯、4,4'-二氨基聯苯、六氯苯、六氯乙烷、氯丹、五氯苯酚和毒殺芬；排序均在后10的污染物共13種，分別為：1,2,4-三氯苯、2,4-二硝基苯酚、2,4,6-三氯苯酚、異佛爾酮、丙烯醛、一氯甲烷、氯乙烷、1,1-二氯乙烯、氯苯、1,1-二氯乙烷、4-硝基苯酚、1,2-二苯肼和鄰苯二甲酸二甲酯。

綜合2種方法在選擇6個指標時的排序結果，排序均在前10的污染物共8種，分別為：2,4-二硝基甲苯、五氯苯酚、1,1,2,2-四氯乙烷、林丹、硝基苯、四氯化碳、二(2-氯乙基)醚和六氯環戊二烯；排序均在后10的污染物共9種，分別為：1,2-二氯乙烷、1,2,4-三氯苯、2,4,6-三氯苯酚、氯苯、一氯甲烷、氯乙烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二苯肼和鄰苯二甲酸二甲酯。

綜合2種方法在選擇8個指標時的排序結果，排序均在前10的污染物共有9種，分別為：2,4-二硝基甲苯、五氯苯酚、丙烯腈、林丹、2,4-二硝基苯酚、2,3,7,8-四氯二苯并對二噁英、三氯乙烯、六氯環戊二烯和4,4'-二氨基聯苯；排序均在后10的污染物共10種，分別為：乙苯、六氯丁二烯、鄰苯二甲酸二丁酯、4-硝基苯酚、甲苯、1,2,4-三氯苯、氯苯、氯乙烷、1,1-二氯乙烷和鄰苯二甲酸二甲酯。

綜合2種方法在不同指標數時的排序結果，篩選出排序均在前10的污染物共有3種，為五氯苯酚、2,4-二硝基甲苯和林丹。排列在后10的污染物共有5種，分別為1,2,4-三氯苯、氯苯、氯乙烷、1,1-二氯乙烷和鄰苯二甲酸二甲酯。

分別選擇4、6和8個指標時，Copeland計分排序法與證據權重法所得排序結果相關系數均在0.94以上，具有較好的相關性(表7)。這說明Copeland計分排序法與證據權重法可用于污染物危害性排序。

表6 證據權重法不同指標數排序結果相關性Table 6 The correlation of sorting results by weight -of-evidence method with different indexes

表7 Copeland計分排序法與證據權重法的相關性Table 7 The correlation of results by Copeland score sorting method and weight-of-evidence method

3 討論(Discussion)

Copeland計分排序法和證據權重法均有優勢和劣勢。Copeland計分排序法優勢在于屬于客觀賦權法，降低主觀判斷意識，提高準確性，通過少數服從多數的方式，避免權重問題，不必考慮指標是否相關或是否能相互比較。缺點是弱化了某一指標的重要性，且隨物質數量的增多，對分數相同的物質難以更細致地比較其中的差別[27]。證據權重法是主觀賦權法，應用廣泛，運行簡便，能根據實際情況設置不同權重，增加或降低某一指標的重要性。但權重的設置依靠專家判斷，有很強的主觀性[28]，增加結果的不確定性，且注重各個指標的分級賦分處理。在選用指標較少時，不易將物質毒性差異區分開。

在篩選方法的選擇方面，主觀賦權法與客觀賦權法各有優勢，且在Copeland計分排序法與證據權重法在運用中有極高的相關性，2類篩選方法均可應用在污染物篩選上。以2,4-二硝基甲苯為例，選擇2種方法，在不同指標情況下排序時，排序均在前列。2,4-二硝基甲苯不僅在持久性指標中分值最高，在其他各項指標中也均有不小于1的分值。選擇Copeland計分排序法與證據權重法排序時，2,4-二硝基甲苯除持久性外，在其余各項指標中分值并不是最高值，但綜合各項指標情況，2,4-二硝基甲苯排序靠前。因此，Copeland計分排序法與證據權重法能綜合考慮各項指標，賦予整體危害性更大的污染物靠前的排序。

本研究運用Copeland計分排序法和證據權重法篩選50種有毒有害大氣污染物時，篩選結果中持久性有機污染物(POPs)排序并未全部靠前。在選擇8項篩選指標排序時，2,3,7,8-四氯二苯并對二噁英、五氯苯酚和林丹排序靠前，氯丹、六氯苯、七氯、毒殺芬和六氯丁二烯排序未在前列。原因可能是本研究所用篩選指標是根據大氣污染物對人體健康或生態環境造成危害的程度與方式來確定的，包括致癌性、生殖毒性、致突變性、急性毒性和急/慢性水生危害等篩選指標，并根據各指標的分級情況賦值，綜合考慮排序，而POPs的判定指標主要考慮污染物的持久性、生物蓄積性、毒性和遠距離遷徙能力，兩者篩選指標和各指標的重要程度不同，所以導致篩選結果不同。2,3,7,8-四氯二苯并對二噁英和林丹在致癌性及持久性指標中分值最高，其余指標分值較低或為零，綜合排序靠前；五氯苯酚除持久性外，部分指標所得分值普遍高于其他物質，因此綜合排序靠前；但氯丹、六氯苯、七氯、毒殺芬和六氯丁二烯除持久性外，其余指標分值極低或為零，綜合排序未在前列，且隨指標增多排序逐漸靠后。因此，POPs類污染物不宜使用Copeland計分排序法或證據權重法進行篩選，而采用“直通車”的方法，直接將該類污染物納入管控名單可能是更好的選擇。

為更精準地將污染物可能造成危害的嚴重程度區分開，可適當改進篩選方法。針對證據權重法，可根據物質各項危害屬性的相關性，將部分指標結合統一考慮權重；此外，在健康危害方面，具有致癌性、致突變性或生殖毒性等慢性毒性的污染物的分值也應該高于僅有急性毒性的分值。Copeland計分排序法，采用少數服從多數原則，篩選指標的選擇應屬于同一水平或互不影響，避免造成僅單項指標為高危害的物質排序靠后。

根據國外污染物篩選原則，我國在建立有毒有害大氣污染物名錄時，可基于風險理念，結合我國污染物環境賦存情況，從暴露和危害兩方面對污染物進行篩選。如美國《清潔水法》中篩選優先控制污染物時，主要根據4個原則[29]：一是優先考慮有毒污染物；二是可檢出；三是具有較高檢出率；四是高產量。日本有毒有害大氣污染物在篩選時主要考慮4條原則[30]，一是國內外權威機構收錄的可能致癌且在國內產出量大的大氣污染物；二是國外或國際機構管控的且在國內產出量大的大氣污染物；三是受部分法律管控的可能對大氣造成污染的物質；四是由于其他原因通過大氣對人體健康造成影響的污染物。日本優先控制污染物篩選原則[31]，一是在工廠周圍或一般環境中檢測濃度超過規定數值的污染物以及二噁英類污染物；二是國際癌癥機構中分類為類別1且在國內有檢出的物質。污染物存在暴露的可能性才有會對人體健康或生態環境造成不利影響，可見，篩選因子的選擇除考慮危害指標外，暴露情況也需要著重考慮。

在危害篩選指標方面，應根據篩選目的及污染物對人體或環境造成危害的方式和程度決定。如應急污染物篩選指標一般考慮腐蝕性、爆炸性和刺激性等指標，不適用于有毒有害大氣污染物的篩選。美國《清潔空氣法案》指出通過吸入或其他暴露途徑，對人體健康造成或可能造成不利影響(包括但不限于已知或可能會造成致癌、致突變、致畸，導致神經毒性，引起生殖功能障礙，或導致急性或慢性毒性)或者通過大氣環境、生物累積、大氣沉降以及其他方式對環境造成不利影響的污染物(不包括意外泄漏排放到空氣中的情況)，可申請列入有毒有害大氣污染物名錄[26]。由此可知，在有毒有害大氣污染物篩選上，物質本身的毒性，如致癌性、致突變性和生殖毒性都是需要著重考慮的篩選指標；物質存在于環境介質中，隨空氣流動進行擴散，大氣中的污染物可通過干、濕沉降進入水體，對水生生物造成危害，故急性水生危害、長期水生危害等指標也同樣需要考慮。根據歐盟高關注度物質(Substances of Very High Concern, SVHCs)優先性排序規則，PBT(持久性、生物累積性、毒性物質)或vPvB(高持久性、生物累積性物質)的污染物被賦以較高權重，認為污染物能持久存在于環境中對人體健康或生態環境的威脅更大，表明持久性及生物蓄積性等指標也是需要重點考慮的因素。