随着全球安全态势的变化以及全球环境问题日趋紧迫，环境安全问题正在严重威胁着人类社会的生存与发展，由环境引发的安全问题也引起了环境科学、安全科学、社会科学，以及生态科学、资源科学等多个学科的关注和研究。早在20 世纪70 年代，人们就将环境与安全联系起来进行研究，并产生了“环境安全”这个术语^{[1, 2, 3, 4]}。环境安全研究是从安全的视角研究分析日趋严峻的环境问题对人类社会生存与发展构成的威胁。改革开放以来，我国经济发展总体上采用的是“粗放型”、“资源型”发展模式，经济获得迅猛发展的同时对人类生存环境也带来了严峻考验，环境问题一旦失控所带来的影响绝不亚于传统国家安全问题中的军事威胁。国内外学者基于安全视角、环境视角、生态学视角等不同角度^{[5, 6]} 和尺度围绕环境安全问题做了大量研究工作，内容多集中于在生态环境安全评价和自然资源安全评价，运用暴露- 响应分析法^{[7, 8, 9]}、综合指数评价法^{[10,11,12,13]}、生态承载力分析法^[14]、生态模型评价方法及景观生态学方法^{[12, 15]}等进行环境安全评价。

城市是被人类高度开发的场所，为了自身的生存和发展，大量自然资源和能源被开发与消耗，同时产生大量的污染物质和废弃物，当超过城市环境容量时，城市生态环境受到破坏，对人与自然的和谐发展带来负面影响。北京作为一个特大城市、我国的首都，是我国政治、科技和文化中心，其特殊的地位要求城市环境问题必须是安全的。因此如何量化城市环境污染的安全状况已迫在眉睫。本文借鉴了灰色聚类相关理论和方法，以北京市为例，通过对城市环境安全评价指标的综合分析，对城市环境安全度进行定级^{[15, 16]}。

评价指标体系的建立是进行综合评价的基础，评价指标的选取是否适宜，将直接影响综合评价的结果。因此，建立科学的评价指标体系是进行安全综合评价的关键，应遵循客观科学性、系统整体性和可操作性等原则^{[17, 18, 19]}。环境安全的内涵非常丰富，不同的评价内容和目的需要选取的指标体系也是不同的，城市环境安全评价的主体内涵越广，需要的指标体系越复杂。中国科学院构筑的可持续发展指标体系包括294 个指标和47 个指数；联合国可持续发展委员会以社会、经济、环境和机构以及压力- 状态- 响应概念模型为基础，形成了一个142个指标的指标体系（P-S-T 模型）^[16]。

本文评价是从环境污染问题入手来研究城市环境安全，因此指标体系的建立是以环境污染为依据。结合2005—2014 年《中国环境统计年鉴》和《北京市环境状况公报》，确定了北京市城市环境安全指标体系（表1）。主要包括五部分：一是大气污染。北京市大气污染较为严重，选取了超标率较高的二氧化硫、可吸入颗粒物（PM10）、二氧化硫，由于细颗粒物浓度从2013 年开始才作为监测指标，因此本文中2008—2012 年PM_2.5 质量浓度数据来源于美国大使馆官方网站(http://www.stateair.net/web/historical/1/1.html)，2005—2007 年PM_2.5 质量浓度数据来源于于扬《北京市PM_2.5 中主要重金属元素污染特征及季节变化分析》^[17]。二是地表水污染。历年地表水水质监测数据表明北京市水质总体较为稳定，随着点源污染控制能力的提高，面源污染较为突出，生活污染源是造成水体污染的主要因素，选取了21 项监测指标中超标率较高的高锰酸盐指数、溶解氧、氨氮、五日生化需氧量作为评价指标。三是噪声污染，选取了区域环境噪声和交通环境噪声。四是固体废弃物。北京市工业废物和城区生活垃圾处理率较高，危险废物基本得到安全处置，但每年固体废弃物产生量太高，固体废弃物仍然是影响城市环境安全问题的一大隐患，选取了工业废物、危险废物、生活垃圾作为评价指标。五是生态环境。选取了涵盖生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数、环境质量指数的生态环境质量指数作为评价指标。

表1()

表1 城市环境安全评价指标体系

表1 城市环境安全评价指标体系

各指标对城市环境安全的影响的重要程度不同，为了确切地反映各评价指标城市安全的影响的重要程度，根据评价指标的特点，采用了改进的三标度层次分析法和专家经验估算法确定各指标的权值，见表2。

表2()

表2 北京市城市环境安全指标权重值

表2 北京市城市环境安全指标权重值

聚类分析是用数学方法定量地确定聚类对象间的亲疏关系进行分类的一种多元分析方法。灰色聚类是普通聚类方法的拓广，是在聚类分析方法中引进灰色理论的白化函数而形成的一种新的聚类方法。根据相关的国家标准，并结合评价实际，将大气、水环境、固体废弃物、噪声、生态环境分为5 个灰类^{[15, 16]}。在评价城市环境安全程度时，主要是为了保证人群健康和城市、乡村的动植物，在长期和短期接触情况下，不发生伤害。因此在评价城市环境安全度时，以二级标准为基准进行数据的无量纲化处理。灰色聚类的步骤如下:

（1）把聚类对象作为样本，把样本的量化性质作为样本指标。若有m 个样本（监测点），每个样本各有n个指标（污染因子），且每个指标有j 个灰类（环境质量分级），则由m 个样本的n 个指标的白化数构成矩阵为：

其中，C_ki 为第k 个聚类样本第i 个聚类指标的白化值（污染浓度值），k ∈（1，2，…，m），i∈（l，2，…，n）。

（2）数据的标准化处理。为了对各样本指标进行综合分析和使聚类结果具有可比性，在灰色聚类过程中需要对白化数C_ki 和灰类进行无量纲化处理。

a. 样本指标的白化数的标准化处理。对于聚类样本指标的原始白化数的标准化处理值按下述公式计算：

式中，c_ki 为第k 个监测点第i 个污染因子的实测值；c_0i 第i 个污染因子的参考标准。

b. 灰类的标准化处理。为使原始白化数与灰类之间能比较分析，仍用c_0i 进行无量纲化处理。

式中，r_ij 为第i 个污染因子第j 个灰类 s_ij 的标准化处理值；s_ij 为第i 个污染因子第j 个灰类值；c_0i 为第i 个污染因子的参考标准。

（3）确定白化函数。将聚类指标按聚类等级规定白化函数。白化函数反映聚类指标对灰类的亲疏关系。对于第i 个污染因子第j 灰类，可以用白化函数曲线或关系式表达各个污染因子的白化值分别对j 个灰类的亲疏关系。第i 个污染因子的灰类1 的白化函数为:

第i 个污染因子的灰类h-1 白化函数为:

第i 个污染因子的灰类h 的白化函数为:

（4）环境单因子评价：

式中，B 为城市环境安全单因子安全评价值；f_ij(x)为各评价指标对应的各灰类的白化函数值；w_i 为安全单因子评价值。5 代表“非常安全”，4 代表“安全”，3 代表“基本安全”，2 代表“安全”，1 代表“极不安全”

（5）环境安全度计算。用以下公式计算城市环境安全度：

式中，T 为城市环境安全度；C_k 为各评价指标的权值；f_ij(x) 为各评价指标对应的各灰类的白化函数值；wi 为安全单因子评价值。

当描述城市环境安全性的评价指标的第一类的白化函数值都是l 时，城市环境安全度为10，因此凡是大于等于10 的环境安全度，都表明城市环境是安全的，适宜人类居住根据安全度值的不同，可将城市环境安全度分为5 个等级，如表3 所示。

表3()

表3 城市环境安全性等级

表3 城市环境安全性等级

北京作为我国的首都、环境保护的首善之区，在环境问题上应该，也必须是安全的。而实际上，北京大气污染、水体污染日益加剧，水资源紧张，固体废弃物排放量与日俱增，加剧了环境不安全度。根据2005—2014年《中国环境年鉴》和《北京市环境质量状况公报》的相关统计数据，对北京市城市环境安全度进行计算，结果见图1。从图1 可以看出，北京市城市环境安全度为6.3～6.89，属于较安全级别，环境安全度最低值出现在2006 年，T₂₀₀₆=6.3，最高值出现在2011 年T₂₀₁₁=6.89，增幅9%。从整体来看，2005—2014 年的十年中，北京市城市环境安全状态呈不断好转趋势。随着《2013—2017年清洁空气行动计划》的全面落实和《北京市大气污染防治条例》及《北京市水污染防治条例》的正式实施，北京市强力推进区域联防联控，严格监管制度，城市整体环境状况有了明显改善。

图1()

图1 北京市2005—2014 年城市环境安全度

从污染单因子评价指数（图2）来看，地表水中氨氮、BOD、高锰酸盐指数及大气污染中的PM_2.5、PM₁₀得分较低，分别为1、1.02、2.73、2.56、3.48，这表明地表水的有机物污染及大气中的可吸入颗粒物污染较为严重，在今后环保工作中应引起足够的重视。

图2()

图2 污染物单因子评价值

从地表水中氨氮、BOD、高锰酸盐指数及大气污染中的PM₁₀、PM_2.5 安全度指数的年际分布来看（图3），PM₁₀ 安全度指数2005—2007 年偏低，2006 年得分最低为0.23（0.161mg/m³）,这与2006 年严重的沙尘型污染有关，2006—2007 年是北京奥运会前大规模建设时期，局地污染源和不利扩散的天气条件共同导致了PM₁₀ 安全度指数偏低。2006—2013 年安全度逐年增高，2014 年安全度略有下降，但整体呈好转趋势，这与奥运减排措施的持续作用及沙尘影响减弱有关。PM_2.5 安全度指数2008—2010 年较低，分别为0.18、0.17、0.18，自2011 年开始PM_2.5 安全度指数略有回升，但明显低于2005—2007 年，这与数据来源差异有关，另外PM_2.5 质量浓度数据采样点单一不能代表北京市整体水平。

图3()

图3 各污染物安全度年际变化

地表水高锰酸盐指数安全度值呈逐年增高的趋势，由2015 年的0.15 增加到2014 年的0.18，增幅为20%；地表水中氨氮浓度均超过《地表水环境质量标准》 （GB3838—2002）中Ⅴ类标准，年际变化不显著，其中，2007 年最高，之后逐年降低，2010 年略有回升，之后呈下降趋势；地表水中五日生化需氧量（BOD₅）总体呈下降趋势，但大部分年份均超过《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中Ⅴ类标准，2006 年最高，为22.79mg/L，2014 年最低，为9.58 mg/L，降幅为57.96%。这表明北京市地表水污染仍为有机污染型，2005—2014 年十年间，通过结构减排、工程减排、监管减排等措施，地表水有机污染得到了很大改善，各项污染物浓度总体呈下降趋势，但仍超过《地表水环境质量标准》Ⅴ类标准，原因主要有以下两个方面：一是北京市河流的绝大部分水源来自污水处理厂的退水和再生水，尽管化学需氧量、五日生化需氧量等污染物基本达到稳定排放标准，但此标准明显高于地表水环境质量标准，因此对于河道而言仍是污水排放，导致市区河湖和城镇下游河道污染物超标严重；二是雨季城市降雨径流污染、雨污合流管道溢流污水污染，以及农业面源污染对地表水环境质量也产生较大影响。

本文采用模糊聚类分析法对北京市环境安全状况进行评价，选取了包含大气污染、地表水污染、噪声污染、固体废弃物污染、生态环境5 个评价子集共14 个指标，根据评价结果，北京市环境状况为较安全级别，2005—2014 年十年间，环境安全状况有转好的趋势。地表水水的氨氮、BOD、高锰酸盐指数及大气污染中的PM₁₀、PM_2.5 污染相对严重，这是北京市环境保护工作最应努力的方向，应坚持“预防优先、防治结合”的原则，积极推进污染物排放总量削减，大力促进产业结构和能源结构的优化调整，深入治理大气、水等各类环境污染，不断完善环境保护法规、政策、标准等保障体系，努力实现首都环境与人类社会的可持续发展。

（1）深化产业结构调整，推进污染减排，在原有节能减排措施的基础上，继续深化产业结构调整，扎实推进污染减排。将不符合首都功能定位的产业，尤其是高能耗、高污染、高耗水的落后工艺和设备及时调整退出，鼓励发展高效、低耗、低污染的科技创新型现代工业；继续严格控制新建燃煤设施，实施现有燃煤设施清洁能源改造，全面推进烟气脱硫脱硝技术。

（2）落实全面防控，持续改善空气质量。以京津冀地区大气污染联防联控为契机，以空气质量持续改善为目标，构建基于空气质量达标的总量控制和污染减排体系。加强在区域大气污染防治，实行多种污染物的协同控制，严控重点行业污染物排放标准，加强机动车污染控制，减少污染区域转移，提升区域整体环境质量。

（3）深化防治结合，稳步提升水环境质量。加快城镇和乡镇污水治理设施建设以及配套管网建设，逐步提高污水处理厂污染物排放标准，开展污水深度治理与资源化利用；逐步关停不符合北京市功能定位的水污染企业，推进工业园区水污染防治，深化工业企业废水治理，确保工业水污染排放稳定达标；探索建立具有自身特色的水环境管理模式，在兼顾效率与公平的前提下，改进水环境管理，促进水资源的可持续利用。

（4）提升监管能力，完善环境管理体系。围绕污染物总量减排与环境质量改善目标，建立和完善污染源与环境质量监测系统，整体提高污染源监测能力和水平。积极探索建立“市级、区县、街道乡镇、企业”四级监管模式，形成层级分明、互为补充的环境监察网络，推动街道乡镇环境管理体系建设，促进企业环保守法自律机制建设。完善环境监察执法机制，规范环境执法行为，加强环境监察标准化建设，提升环境监察管理水平，提高环境应急能力，防范环境风险。