京津冀大氣污染聯防聯控區域細分與等級評價*

薛 儉 陳強強

(陜西科技大學經濟與管理學院，陜西 西安 710021)

近年來，我國大氣污染已呈現區域性特征[1]，現有的屬地治理方式已不能對區域大氣污染進行有效治理[2]。系統整合環境治理資源，嚴格落實屬地責任，建立各部門統一調動的聯防聯控機制,目前已形成廣泛共識[3-4]。科學確定聯防聯控的區域范圍和治理優先等級成為聯防聯控有效性的關鍵[5]。

目前劃分聯防聯控區域的方法主要有兩種：一是按照大氣污染自身特點[6],二是按照生態環境的地理特點(即大氣流動規律)[7]。現有的兩種方法都缺乏系統性[8]。前者將大氣污染孤立研究，未能全面考慮污染地區的自然、經濟、社會等綜合因素；后者雖然將污染地區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狀。對于京津冀這樣大范圍的空氣污染治理，參與主體多，導致協調困難[9]。

制定聯防聯控子區域及劃分治理等級的相關研究成果較少，但可借鑒多屬性綜合評價在其他領域的研究成果。多屬性綜合評價理論中，優劣解距離(TOPSIS)法被用于城鎮污水治理績效評價[10]、區域發展模式選擇[11]、城市/行業競爭力比較[12]、水資源環境評價[13]、工業污染或環境績效評價[14]、項目環境風險評價[15]以及大氣污染治理等級評價[16]。但是，TOPSIS法存在一定的應用局限性：可能會出現與理想點歐式距離更近或與負理想點的歐式距離也更接近的情況，在此情況下的評價結果并不能完全反映出各方案的優劣性。灰色關聯分析法常被用于電網規模評價[17]、環境影響因素評價[18]、空氣污染評價[19]、水質評價[20]等方面。然而灰色關聯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聯性進行度量，僅僅根據灰色關聯分析法來對系統進行優選決策是不準確的。因此本研究結合TOPSIS法和灰色關聯分析法各自優勢建立TOPSIS-灰色關聯綜合評價模型，使得評價結果更具綜合性，可提高系統評價貼切度。該綜合評價模型已應用到旅游產業競爭力評價[21]、建筑業可持續發展評價[22]、水質評價[23]、環境承載能力評價[24]等方面，目前尚無用于區域大氣污染聯防聯控等級評價的案例。

本研究采用一元線性回歸、聚類分析、相關性分析等方法劃分聯防聯控子區域范圍；然后構建聯防聯控子區域大氣污染水平、平均人口密度、對區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；接著建立TOPSIS-灰色關聯綜合評價模型確定各子區域的污染治理優先等級；最后把新方法應用到我國京津冀區域PM2.5和O3污染聯防聯控實例中。

1 研究方法

1.1 聯防聯控子區域劃分方法

(1) 區域內的聯防聯控城市的選擇

以區域Q內某城市的第p種大氣污染物濃度為自變量，以區域Q的該大氣污染物濃度為因變量進行線性回歸。設定一個臨界值，R2大于這個臨界值則將該城市作為區域Q內聯防聯控候選城市之一[25]。

(2) 任意兩城市之間大氣污染相關性分析

算出大氣污染區域Q內任意兩城市之間第p種大氣污染物的皮爾遜相關系數，該系數越接近于1，則表明這兩城市之間的污染相互傳輸程度越強[26]。

(3) 聯防聯控區域劃分

基于相關性分析結果，對候選城市進行聚類分析[27]，得到區域Q內針對第p種污染物的聯防聯控子區域。

1.2 聯防聯控子區域等級排名評價指標選擇

(1) 大氣污染水平

在大氣污染區域Q內，聯防聯控子區域Qi的第p種污染物日均濃度越大，則它對當地、區域Q內其他聯防聯控子區域大氣污染影響程度越高，越應優于其他聯防聯控子區域治理[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。而一個區域人口密度越高，該區域面臨的大氣污染對身體健康的傷害可能就越大，越應優于其他聯防聯控子區域治理。

(3) 對區域整體污染的影響程度

以聯防聯控子區域Qi的第p種大氣污染物日均濃度數據為自變量，以區域Q的第p種大氣污染物日均濃度為因變量進行線性回歸，如果斜率越大，則說明這個子區域對區域Q大氣污染水平影響越大，越應優于其他聯防聯控子區域治理。

(4) 污染治理彈性

各聯防聯控子區域由于經濟發展、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防聯控等級排名評價指標之一。可以用變異系數反映離散程度，變異系數越大，離散程度越高，說明污染治理彈性越大，效果越顯著。

1.3 聯防聯控子區域等級評價模型構建

針對大氣污染區域Q，根據1.2節的方法劃分為m個聯防聯控子區域，即Q={Q1，Q2，…，Qm}。對于任意聯控子區域Qi的某種污染物的聯防聯控等級評價指標體系(N)構建n個指標，即N={N1，N2，…，Nn}。根據Q和N構建評價矩陣X(見表1)。

表1 TOPSIS-灰色關聯綜合評價模型評價矩陣

(1)

(2)

表2 京津冀區域各城市之間PM2.5、O3皮爾遜相關系數矩陣1)

(3)

如果F越接近1，說明被評價對象與最優方案越接近，效果越好。

2 實證分析

根據《2018中國生態環境狀況公報》公布的大氣污染重點區域，京津冀區域包括北京、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域81個空氣質量監控站的PM2.5和O3濃度數據，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 聯防聯控城市的污染物相關性

表2為京津冀區域13個城市的污染物皮爾遜相關系數矩陣。結果表明，污染相關系數存在差異，但任意兩個聯防聯控城市之間的污染相關系數顯著。

2.2 劃分聯防聯控子區域

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

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

表3 京津冀區域與各城市PM2.5線性回歸結果

根據任意候選城市之間的皮爾遜相關系數進行聚類分析，結果如圖1所示。京津冀區域可劃分為4個PM2.5聯防聯控子區域，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，可將京津冀區域劃分為6個O3聯防聯控子區域，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-灰色關聯綜合評價模型的等級評價

根據1.3節的評價指標，計算得到4個PM2.5聯防聯控子區域評價指標，結果如表4所示，同理可計算得到6個O3聯防聯控子區域評價指標。

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

表4 京津冀區域大氣污染4個PM2.5聯防聯控子區域評價指標

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

PM2.5、O3聯防聯控子區域的最優灰色關聯度、最劣灰色關聯度和灰色關聯貼近度如表5所示。4個PM2.5聯防聯控子區域的優先等級表現為Q4>Q1>Q3>Q2，6個O3聯防聯控子區域的優先等級表現為Q1>Q3>Q2>Q4>Q5>Q6。

表5 最優灰色關聯度、最劣灰色關聯度和灰色關聯貼近度

2.4 聯防聯控子區域分析

由于PM2.5易隨風傳輸并長時間懸浮，因此在進行PM2.5聯防聯控時傾向于選擇較大的區域范圍。在京津冀區域的4個PM2.5聯防聯控子區域中，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防聯控子區域的范圍內，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自身的穩定性較差，容易分解，無法進行較大范圍傳輸。6個O3聯防聯控子區域中，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O3小范圍污染特征，可將有污染共性的城市在小范圍內進行規劃協調、聯動治理。

以上結果表明，基于相關性分析、一元線性回歸和聚類分析劃分聯防聯控子區域，與大氣污染物特性、各城市的經濟發展水平、地理特征、常駐人口數量等因素相符，具有科學性。

2.5 聯防聯控子區域治理優先等級評價分析

文章運用TOPSIS-灰色關聯綜合評價模型對京津冀各聯防聯控子區域治理等級劃分的結果與實際情況相符。PM2.5聯防聯控子區域中，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污染水平最嚴重，因此Q4被賦予了最高的PM2.5治理優先等級。Q1的平均人口密度居首并且其對整個京津冀區域PM2.5污染影響程度最大，此外Q1是整個京津冀區域經濟政治文化的中心，因此Q1的PM2.5治理優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治理優先等級為第三。Q2的優先等級最低，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聯防聯控子區域中，Q1由于對整個京津冀區域O3污染影響程度遠大于其他聯防聯控子區域，因此應最先對Q1進行O3治理，以最大程度上降低O3污染對整個京津冀區域的影響。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治理優先等級排名第二。其他4個聯防聯控子區域綜合其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的治理等級。

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

3 結 語

本研究采用相關性分析、一元線性回歸、聚類分析進行聯防聯控子區域劃分；然后在構建聯防聯控子區域大氣污染水平、平均人口密度、子區域對區域整體污染的影響程度和污染治理彈性4個等級評價指標的基礎上，提出采用TOPSIS-灰色關聯綜合評價模型劃分聯防聯控等級的新方法；最后，對2016—2018年我國京津冀區域13個城市PM2.5和O3污染聯防聯控進行實證研究。結果表明，京津冀區域可被細分為4個PM2.5聯防聯控子區域，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聯防聯控子區域，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聯防聯控子區域的優先等級表現為Q4>Q1>Q3>Q2，6個O3聯防聯控子區域的優先等級表現為Q1>Q3>Q2>Q4>Q5>Q6。京津冀區域PM2.5和O3聯防聯控子區域劃分和等級評價與其自身經濟發展水平、自然條件、人口現狀等實際情況相符，說明本研究提出的聯防聯控子區域劃分與等級評價方法具有一定科學性。