陳軍飛a,,陳 琳

(河海大學(xué)a.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.商學(xué)院,江蘇 南京 211100)

人口快速增長、城市化進(jìn)程加快使環(huán)境問題日益顯現(xiàn),大氣污染、水體污染等各種環(huán)境問題頻發(fā),引起了社會的廣泛關(guān)注。2016年我國“十三五”規(guī)劃指出,當(dāng)前工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的任務(wù)尚未完成,生態(tài)環(huán)境保護(hù)仍面臨著巨大的壓力,需發(fā)展資源節(jié)約循環(huán)利用關(guān)鍵技術(shù)和生態(tài)治理技術(shù),加快節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展[1]。2017年我國發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)環(huán)保設(shè)施和城市污水垃圾處理設(shè)施向公眾開放的指導(dǎo)意見》,主要用于指導(dǎo)各地環(huán)境監(jiān)測、城市污水處理、城市生活垃圾處理、危險廢物處理。國家越來越重視經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變和生態(tài)環(huán)境的保護(hù),以促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)于環(huán)境狀況的研究,學(xué)者們從不同角度進(jìn)行了研究:一是從經(jīng)濟(jì)與環(huán)境研究角度,研究經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境污染之間的關(guān)系[2-5];二是建立環(huán)境狀況指標(biāo)體系,對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了分類與評價[6-9]。還有學(xué)者對環(huán)境狀況進(jìn)行了細(xì)分,研究影響環(huán)境質(zhì)量的大氣、水、工業(yè)污染等[10]。從研究方法看,環(huán)境質(zhì)量評價方法主要包括指數(shù)法、主成分法、不確定等方法。Liu等通過構(gòu)造相關(guān)指數(shù)研究了經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境狀況之間的關(guān)系[11];Tran等采用主成分法對環(huán)境進(jìn)行了總體評價[12];劉志國等采用灰色系統(tǒng)評價方法、空氣污染綜合指數(shù)等方法評價了我國西部河谷型城市的環(huán)境質(zhì)量,并分析了其環(huán)境變化的趨勢[13]。已有研究發(fā)現(xiàn),關(guān)于環(huán)境質(zhì)量的研究取得了較好的成果,環(huán)境質(zhì)量與城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在密不可分的關(guān)系。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,環(huán)境污染將會先上升后下降;當(dāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定程度時,環(huán)境污染會逐漸改善,環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)增長呈現(xiàn)倒“U”型關(guān)系,即環(huán)境庫茲涅茨曲線。中國社會科學(xué)院指出,我國仍處在環(huán)境庫茲涅茨曲線上升時期,但有望在2030年甚至更早接近曲線峰值。不少學(xué)者采用綜合評價方法對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評價,但已有研究在指標(biāo)選取上選擇的指標(biāo)不全面。近年大氣污染、PM2.5、酸雨、農(nóng)業(yè)面源對環(huán)境的影響越來越大,引起了社會的廣泛關(guān)注。符璐等認(rèn)為環(huán)境空氣質(zhì)量評價需依據(jù)空氣中的PM2.5、PM10、二氧化硫等影響因子的含量進(jìn)行評價[14];耶魯發(fā)布的《2016年全球環(huán)境績效指數(shù)報告》顯示,我國仍然是PM2.5超標(biāo)重災(zāi)區(qū)，因此本文把PM2.5、酸雨、臭氧等指標(biāo)納入考慮范圍。此外,聲環(huán)境越來越受到重視,本文把聲環(huán)境也納入指標(biāo)體系,使指標(biāo)體系更加全面[15]。在需要考慮的指標(biāo)體系中,不同因子對環(huán)境的影響程度不同,且因子之間存在相關(guān)性。

江蘇省作為我國的經(jīng)濟(jì)大省,戰(zhàn)略地位突出,是長江經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分。近年來江蘇省的城市化水平快速增長,同時也產(chǎn)生了一些環(huán)境問題,經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口集聚、資源環(huán)境約束之間的矛盾越來越突出。2017年江蘇省把“生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量”作為“六個高質(zhì)量”之一,提出要大力補(bǔ)齊生態(tài)環(huán)境突出短板，如何實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展是該省可持續(xù)發(fā)展研究中亟待解決的問題。2017年江蘇省環(huán)境狀況公報顯示,2017年該省共發(fā)生了《7次重污染天氣過程》,且13個省轄市環(huán)境空氣質(zhì)量均未達(dá)到國家二級標(biāo)準(zhǔn)要求,經(jīng)濟(jì)與環(huán)境質(zhì)量發(fā)展不平衡、治污力度不夠、公眾環(huán)保意識薄弱。鑒于環(huán)境質(zhì)量和污染排放與污染治理具有密切的相關(guān)關(guān)系,本文通過建立反映環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)體系,運(yùn)用因子分析和加權(quán)主成分距離聚類分析法,對2012—2016年江蘇省13個省轄市的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評價研究,得出其環(huán)境狀況分類與環(huán)境質(zhì)量的影響因素,由此為城市環(huán)境污染治理與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 江蘇環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系構(gòu)建

由于指標(biāo)體系的建立對評價結(jié)果具有較大的影響,為了嚴(yán)謹(jǐn)和客觀,本文以江蘇省13個省轄市作為研究對象,根據(jù)科學(xué)性、可操作性和綜合性原則,采用專家咨詢法,并根據(jù)江蘇省環(huán)境狀況公報對環(huán)境狀況的總結(jié),充分考慮水環(huán)境、空氣環(huán)境、固體廢物和聲環(huán)境,綜合考慮工業(yè)、農(nóng)業(yè)、居民生活方面的環(huán)境狀況,綜合環(huán)境相關(guān)研究成果[16-20],選取了與環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)的16項指標(biāo),見表1。其中,化學(xué)需氧量排放來源于包括工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、城鎮(zhèn)生活源、集中治理設(shè)施;氨氮排放量來源于包括工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、城鎮(zhèn)生活源、集中治理設(shè)施;二氧化硫排放來源包括工業(yè)源、城鎮(zhèn)生活源、集中式治理設(shè)施;氮氧化物、煙(粉)塵排放來源于包括工業(yè)源、城鎮(zhèn)生活源、機(jī)動車、集中式治理設(shè)施。由于PM2.5數(shù)據(jù)是從2012年開始統(tǒng)計,所以本文選取江蘇省2012—2016年5年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 環(huán)境污染程度評價指標(biāo)體系

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文原始指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于2013—2017年的《江蘇省統(tǒng)計年鑒》和各省轄市統(tǒng)計年鑒、環(huán)境狀況公報。由于各個指標(biāo)之間存在量綱上的不統(tǒng)一,且各指標(biāo)屬于不同類型,有些指標(biāo)的屬性值越大越好(如一般工業(yè)固體廢棄物利用量)，而有些指標(biāo)的屬性值越小越好(如工業(yè)廢水排放量、城鎮(zhèn)生活污水排放量等),所以將原始數(shù)據(jù)采用極大值標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行指標(biāo)屬性值的標(biāo)準(zhǔn)化,以消除變量間在量綱和類型上的不同以及對聚類結(jié)果的影響。

對正向指標(biāo):

(1)

對負(fù)向指標(biāo):

(2)

式中,Xi為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值;xi為指標(biāo)的實(shí)際值;xmax、xmin分別為指標(biāo)實(shí)際值的最大值和最小值。

2.2 研究方法

關(guān)于環(huán)境質(zhì)量的評價方法主要包括綜合指數(shù)法、灰色系統(tǒng)評價方法、層次分析法、模糊數(shù)學(xué)法等，各類方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。綜合指數(shù)法具有不可比性,灰色系統(tǒng)評價方法分辨率較低,模糊數(shù)學(xué)法具有不準(zhǔn)確性[21,22],本文采用改進(jìn)的聚類分析方法對環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價。聚類分析是依據(jù)研究對象的個體特征,對其進(jìn)行分類的方法，其基本思想為:先將n個樣品各自作為一類,然后規(guī)定樣品之間的距離和類與類之間的距離,再進(jìn)行逐級合并,直至所有樣品都成為一類為止[23]。指標(biāo)之間高度相關(guān)性導(dǎo)致了傳統(tǒng)聚類分析方法無法獲得良好的分類效果,已有研究采用聚類分析進(jìn)行評價多采用一般主成分聚類分析方法進(jìn)行評價[24]。一般主成分聚類分析方法克服了指標(biāo)之間高度相關(guān)性對分類結(jié)果的影響,能較好地解決多指標(biāo)評價的要求,但卻忽略了不同主成分因子對分類重要性的客觀差異,進(jìn)而影響到分類的準(zhǔn)確性[25];而加權(quán)主成分距離聚類克服了一般主成分聚類的缺點(diǎn),具有良好的實(shí)用性。本文采用加權(quán)主成分距離聚類分析法對江蘇省各省轄市的環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行分類評價。

設(shè)F1,F2,…,Fs(s≤p)為由p維的指標(biāo)向量X=(x1,x2,…,xp)提取的主成分因子列向量，I1,I2,…,In為提取主成分因子后對應(yīng)的樣本行向量,表示第i個樣本的第j個主成分因子(i=1,2,…,n;j=1,2,…,s)。n個樣本在s維空間構(gòu)成的數(shù)據(jù)矩陣為:

F=(F1,F2,…,Fs)=I1I2…In=F11F12…F1sF21F22…F2s…………Fn1Fn2…Fns

(3)

假設(shè)所提取主成分因子F1,F2,…,Fs對應(yīng)的特征值分別為λ1,λ2,…,λs,且,λ1≥λ2≥…≥λs,βk為主成分因子Fk所對應(yīng)的特征權(quán)重。

(4)

(5)

3 江蘇省環(huán)境質(zhì)量評價

3.1 基于因子分析的指標(biāo)提取

本文對反映2012—2016年江蘇省13個省轄市環(huán)境質(zhì)量狀況的16個指標(biāo)數(shù)據(jù)采用SPSS20.0進(jìn)行因子分析,得到相應(yīng)系數(shù)的特征值、貢獻(xiàn)率、累計貢獻(xiàn)率，以2012年為例,具體見表2。從表2可知,前4個公共因子的累計貢獻(xiàn)率為84.123%,且特征值大于1,因此認(rèn)為原來的16個指標(biāo)可綜合合成4個主成分;并截至第12個因子的累計貢獻(xiàn)率已達(dá)到100%,說明第12個因子往后的4個因子對環(huán)境質(zhì)量狀況影響不大。提取的4個主成分的因子載荷矩陣見表3。

表2 相關(guān)系數(shù)的特征值、貢獻(xiàn)率、累計貢獻(xiàn)率

表3 因子載荷矩陣

從表3可知,主成分F1在氮氧化物、一般工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量、一般工業(yè)固體廢物利用量、二氧化硫的載荷值相對較大,主要反映了固體廢棄物對環(huán)境質(zhì)量狀況的影響;主成分F2在PM2.5排放年均值、PM10排放年均值、區(qū)域環(huán)境噪聲均值的載荷值相對較大,主要反映了顆粒物、噪音污染對環(huán)境質(zhì)量狀況的影響;F3在化學(xué)需氧量排放量、氨氮排放量上的載荷值相對較大,主要反映了水污染對環(huán)境質(zhì)量狀況的影響;主成分F4在一氧化碳排放年均值、臭氧排放年均值上的載荷值相對較大,主要反映了空氣污染對環(huán)境質(zhì)量狀況的影響。根據(jù)因子載荷矩陣,可計算出公共因子的因子值,因子值的計算結(jié)果見表4。

表4 因子得分

從表4可見,江蘇省13個省轄市中,主成分F1蘇州的得分最低,依次是徐州和南京,其他10個省轄市得分相對較高,說明蘇州、徐州、南京的固體廢棄物污染嚴(yán)重,其他省轄市的固體廢棄物污染相對較輕;主成分F2中13個省轄市得分都相對偏低,說明江蘇省13個省轄市的顆粒物、噪音污染都較為嚴(yán)重;主成分F3中南京、徐州、蘇州、南通、連云港、淮安、鹽城、泰州、宿遷得分較低,說明這些省轄市的水污染較嚴(yán)重;主成分F4除泰州外,其他省轄市得分偏低,說明江蘇省除泰州以外的12個省轄市的空氣污染較嚴(yán)重。整體上,江蘇省顆粒物污染、空氣污染嚴(yán)重,需要加強(qiáng)顆粒物、空氣污染的治理。

表5 江蘇省各城市環(huán)境質(zhì)量狀況聚類結(jié)果

3.2 基于聚類分析的環(huán)境質(zhì)量評價

由因子分析得到代表江蘇省2012—2016年13個省轄市的環(huán)境質(zhì)量狀況的主成分因子。本文采用加權(quán)主成分距離公式對分類統(tǒng)計量進(jìn)行計算,對江蘇省的13個省轄市的環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行了聚類分析。各省轄市分類結(jié)果見表5，通過Matlab進(jìn)行計算,所得聚類結(jié)果見圖1—5。

圖1 2012年江蘇省環(huán)境質(zhì)量聚類結(jié)果

圖2 2013年江蘇省環(huán)境質(zhì)量聚類結(jié)果

圖3 2014年江蘇省環(huán)境質(zhì)量聚類結(jié)果

圖4 2015年江蘇省環(huán)境質(zhì)量聚類結(jié)果

圖5 2016年江蘇省環(huán)境質(zhì)量聚類結(jié)果

3.3 聚類結(jié)果分析

從第一聚類到第四聚類環(huán)境質(zhì)量呈遞增關(guān)系,第一聚類的城市環(huán)境質(zhì)量最差,第四聚類的城市環(huán)境質(zhì)量最好。從表5可見,2012—2016年江蘇省13個省轄市環(huán)境質(zhì)量每年均在變化,存在一定規(guī)律。整體看,徐州、蘇州的環(huán)境質(zhì)量狀況最差,南京、鹽城其次,其他9個城市的環(huán)境質(zhì)量狀況較好且較穩(wěn)定。江蘇省13個省轄市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異化明顯。總體上,蘇南經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度最高,蘇中其次,蘇北最低。在江蘇省環(huán)境質(zhì)量分類中,蘇州、南京屬于蘇南城市,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高,環(huán)境質(zhì)量狀況較差;蘇中、蘇北城市中除徐州、鹽城外,環(huán)境質(zhì)量狀況較好,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較落后,江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與環(huán)境污染程度符合環(huán)境庫茲涅茨曲線。

江蘇省環(huán)境質(zhì)量狀況存在的問題:①徐州市2012—2016年環(huán)境質(zhì)量狀況聚類波動較大,2012年處于第一聚類,2013年處于第三聚類,2014年處于第二聚類,2015—2016年處于第一聚類,說明徐州的環(huán)境質(zhì)量狀況總體由差變好變差,變化趨勢不穩(wěn)定。從各省轄市因子得分表可知,徐州的水污染嚴(yán)重,且工業(yè)結(jié)構(gòu)以重工業(yè)為主,現(xiàn)代服務(wù)業(yè)落后。因此,要提高徐州的環(huán)境質(zhì)量,需大力發(fā)展高新技術(shù),對重工業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排,保證工業(yè)企業(yè)的良性發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善。②蘇州市在2012—2016年中有兩年處于第一聚類,其他三個年份分別處在第二、三聚類,說明蘇州的環(huán)境質(zhì)量狀況問題嚴(yán)重。從各省轄市因子得分表可見,蘇州地區(qū)固體廢棄物污染、水污染及空氣污染十分嚴(yán)重。2017年江蘇省環(huán)境保護(hù)督查組反饋督察情況顯示,蘇州市印染、電鍍、噴水制造等行業(yè)排污量大,環(huán)境整治成效不明顯,“散亂污”問題嚴(yán)重,暗黑式小作坊屢禁不止,沿江化工倉儲、污水處理環(huán)境安全隱患較大。因此,蘇州在追求GDP的同時,要健全環(huán)境保護(hù)考核評價和責(zé)任追究體系。③南京市2012—2016年除2013年外始終在第三、四聚類徘徊,說明南京市環(huán)境質(zhì)量狀況存在波動性,環(huán)境質(zhì)量整體較好。從各省轄市因子得分表可知,南京地區(qū)水污染及空氣污染較嚴(yán)重,應(yīng)加強(qiáng)對石化、鋼鐵、電力企業(yè)的整改,減少污染物排放總量,從而提高環(huán)境質(zhì)量。④鹽城市2012—2014年處于第四聚類,2015年處于第二聚類,2016年處于第三聚類,說明鹽城市的環(huán)境質(zhì)量狀況總體呈下降趨勢,需要引起重視。截至2016年,鹽城市紡織、化學(xué)原料和化學(xué)制品等產(chǎn)業(yè)占全部產(chǎn)業(yè)的38%,而這些產(chǎn)業(yè)排放大量污染物,對環(huán)境造成了極大危害。鹽城地處東部沿海地區(qū),海洋資源豐富,因此鹽城應(yīng)大力發(fā)展海洋生物、海工裝備等海洋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。⑤泰州市2012年處于第三聚類,2014—2016年處于第四聚類,說明泰州市環(huán)境質(zhì)量狀況逐漸變好;無錫、宿遷、南通、連云港、揚(yáng)州、淮安、鎮(zhèn)江、常州2012—2016年始終處于第四聚類,說明這8個城市環(huán)境質(zhì)量狀況較穩(wěn)定且較好。

4 結(jié)論與對策建議

本文在因子分析的基礎(chǔ)上,考慮指標(biāo)之間的相關(guān)性和重要性差異,運(yùn)用加權(quán)主成分距離聚類分析方法對2012—2016年江蘇省13個省轄市的環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行了分類評價。結(jié)果發(fā)現(xiàn),2012—2016年徐州、蘇州的環(huán)境質(zhì)量狀況最差,南京、鹽城的環(huán)境質(zhì)量狀況其次,其他9個城市的環(huán)境質(zhì)量狀況較好且較為穩(wěn)定。

根據(jù)因子分析及加權(quán)主成分聚類分析的結(jié)果,結(jié)合江蘇省實(shí)際情況,本文提出以下對策建議:①推進(jìn)環(huán)保制度改革。嚴(yán)格實(shí)施生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)評價考核、生態(tài)環(huán)境檢測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、排污權(quán)有償使用和交易管理;開展生態(tài)環(huán)境損害賠償制度改革試點(diǎn),落實(shí)與污染物排放總量掛鉤的財政政策,深化水環(huán)境“雙向”補(bǔ)償制度;加快建立環(huán)保信用體系,對污染企業(yè)開展環(huán)保信用評價,對污染性企業(yè)實(shí)行分類監(jiān)管。②加強(qiáng)實(shí)施環(huán)境監(jiān)測預(yù)警與信息化。推進(jìn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè),充分應(yīng)用衛(wèi)星和無人機(jī)遙感等先進(jìn)信息技術(shù),加強(qiáng)生態(tài)地面監(jiān)測,推動“天空地”一體化生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè);加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量管理,聯(lián)合環(huán)保和質(zhì)監(jiān)部門對社會環(huán)境監(jiān)測機(jī)構(gòu)進(jìn)行管理;實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”綠色生態(tài)工程,建設(shè)完善“一企一檔”污染源信息管理系統(tǒng),完善江蘇省企業(yè)環(huán)保信用評估系統(tǒng)。③強(qiáng)化污染源環(huán)境調(diào)查和風(fēng)險調(diào)控。完善污染源信息管理系統(tǒng),制定污染治理與修復(fù)計劃;加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)察,建立省級環(huán)境保護(hù)督察機(jī)制,加大環(huán)境執(zhí)法監(jiān)管力度;完善環(huán)境應(yīng)急體系建設(shè),推進(jìn)重點(diǎn)環(huán)境風(fēng)險企業(yè)環(huán)境安全達(dá)標(biāo)建設(shè)和區(qū)域突發(fā)環(huán)境事件風(fēng)險評估。④加大環(huán)?？萍紕?chuàng)新力度,加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。大力發(fā)展新能源、信息等產(chǎn)業(yè),以新能源、信息產(chǎn)業(yè)帶動相關(guān)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展,使之成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn),并以信息化推動冶金、機(jī)械等傳統(tǒng)行業(yè)的改造與換代;通過發(fā)展高新技術(shù)對重工業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排,促進(jìn)重工業(yè)企業(yè)的良性發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善。⑤加強(qiáng)環(huán)境宣傳教育力度,引導(dǎo)公眾有序參與環(huán)境公共事務(wù)管理,提高公眾的環(huán)境保護(hù)意識。

江蘇省13個省轄市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異明顯,環(huán)境質(zhì)量呈區(qū)域性特征。對江蘇省13個省轄市的環(huán)境治理,要結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn),依靠科技引領(lǐng),加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向節(jié)能型、環(huán)保型發(fā)展,提升和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),降低能耗，減少污染物排放,從而促進(jìn)該省的排污減排和生態(tài)文明城市建設(shè)。