新泽西州纽瓦克市铅暴露的系统动力学模型：整合社会环境因素与大数据进行健康风险分析

《Sustainable Futures》：A system dynamics model of lead exposure in Newark, New Jersey: Integrating socio-environmental factors and big data for health risk analysis

　　

新泽西州纽瓦克市持续存在的铅（Pb）暴露仍然是一个关键的城市环境健康问题，其受社会经济、环境和行为决定因素影响。随着时间推移对这些复杂关系进行建模具有重大挑战。在本研究中，研究人员开发并验证了一个系统动力学暴露模型，该模型整合了环境数据、社会经济变量和基于Google Trends的公众意识指数，以模拟血铅水平升高（elevated blood lead levels, EBLL）并探索纽瓦克情境下与政策相关的情景。该模型在Stella Architect中构建，并使用2010—2020年纽瓦克数据进行校准。主要输入包括工业Pb释放、房屋年龄、贫困、健康保险以及基于Google Trends的公众意识指数。基于回归的协变挖掘（R²≥0.5）为反馈路径提供信息，同时使用均方根误差（root mean square error, RMSE）、初始存量敏感性测试、数据精度测试、边界检验以及与观测EBLL趋势的时间比较来评估模型行为。该模型密切再现了成人和儿童观测到的EBLL轨迹（成人RMSE=0.05332；儿童RMSE=0.02917），并显示意识指数与EBLL之间存在强协变关系（R²=0.767）。关键协变因素包括社会经济脆弱性和公众意识动态。一切照旧情景运行被解释为条件性情景探索而非确定性预测，表明如果历史关系持续存在，EBLL可能在近期上升后逐渐下降。该框架通过将动态建模与社会感知数据相结合，同时明确限定因果解释，推进了暴露科学的发展。

一、研究背景与问题

铅暴露是美国城市持续存在的环境健康威胁，尤其对低收入和黑人、原住民及有色人种（Black, Indigenous, and People of Color, BIPOC）社区影响严重。历史性的红线歧视、投资撤离、老旧住房和工业污染遗留，使暴露风险在社会经济与环境因素的交织中被不断再生产。传统环境研究方法耗时费力，常规统计模型难以刻画多变量间的非线性反馈；直接暴露数据收集成本高、周期长。为克服这些困难，研究人员以新泽西州纽瓦克市为案例，构建了整合环境数据、社会经济变量与Google Trends公众意识指数的系统动力学模型，用于模拟成人和儿童血铅水平升高（EBLL），并探索政策相关情景。论文发表在《Sustainable Futures》。

二、研究方法概述

研究使用了多源公开数据：美国环保署有毒物质释放清单（Toxic Release Inventory, TRI）的工业铅释放数据、美国人口普查局美国社区调查（American Community Survey, ACS）的住房年龄、收入、贫困、保险和BIPOC比例等数据，以及新泽西州卫生部门的儿童和成人EBLL数据。模型在Stella Architect中构建。主要技术包括：基于回归的协变挖掘（R²≥0.5作为筛选阈值）确定变量间反馈路径；对短序列或不稳定变量采用灰色系统时间序列模拟进行稳定化处理；以“IT job”为基准查询项构建Google Trends社会感知指数；通过RMSE、初始存量敏感性测试、数据精度测试、边界检验和观测趋势对比进行验证。所有变量按最大值标准化到0—1区间。该研究不是个体队列，而是纽瓦克市2010—2020年城市层面年度聚合数据。

三、研究结果

最终模型以EBLL存量变量为核心，分为成人与儿童两个数组。模拟结果在整体轨迹上较好地再现了观测值：成人EBLL的RMSE为0.05332，儿童为0.02917，均低于0.1的拟合阈值。模型显示意识指数与EBLL存在强协变（R²=0.767），成人相关性r=-0.798，儿童r=-0.508；剔除2015—2019年水危机年份后，成人系数仍保持稳定，说明危机显著性只是部分原因。多数变量的RMSE低于0.1，保留的协变拟合R²范围为0.633—0.957。失业率、SNAP参与率、工业铅释放和预算变量RMSE超过0.1，主要原因是早期高估、2019—2020年孤立峰值或政治周期导致的波动，但模型仍能捕捉总体趋势。

四、讨论

4.1 解读铅暴露中关键环境与社会协变

模型中的箭头和反馈结构应视为模型结构而非因果证明。社会经济脆弱性、老旧住房、保险覆盖、空气质量和公众意识构成了与分配正义和承认正义相一致的反馈系统。任一因素的改变可能被系统其他部分削弱或重新定向，表现为政策抗性。

4.2 检验Google Trends指数

Google Trends指数被作为内生的社会感知代理变量，而非外生干预。反向因果、危机显著性、数据专有性和州级空间分辨率都限制了其解释力。剔除水危机年份后，成人EBLL与意识指数的关系仍稳定，说明该指数同时反映一般意识与危机关注。

4.3 情景探索

在一切照旧情景下，EBLL不会单调下降，而是可能先出现短期上升，随后进入平台期再逐渐下降。若干社会经济指标在前六至八年内先恶化后改善，污染释放和空气质量指数则先升后降。这些轨迹是条件性情景，不应视为对纽瓦克未来状态的确定性预测。

4.4 局限、推广与可转移性

研究缺少地块或服务管线级数据、一致阈值的家庭筛查数据、直接环境测量和利益相关者参与。模型框架可转移到其他有遗留铅暴露和老化基础设施的城市，但方程和参数必须基于当地数据重新校准。

五、研究结论（节译）

本研究利用11年标准化指标时间序列，开发了模拟新泽西州纽瓦克市血铅水平升高（EBLL）及相关协变量的系统动力学模型。通过基于证据的协变挖掘过程，模型成功捕捉了环境、社会经济和行为变量之间的复杂相互依赖，并在模拟数据与观测数据之间实现了较高一致性。研究还创新性地引入基于Google Trends数据的社会感知指数，作为公众铅暴露意识及其决定因素的代理变量，丰富了环境健康模型中对社会行为动态的表征。该框架超越了传统统计方法和既有系统动力学应用，为研究与环境污染相关的公共卫生问题提供了新途径。一切照旧情景提示，如果历史协变关系持续，EBLL率和相关环境不正义指标可能在近期小幅上升，随后逐渐下降。模型的价值不在于常规意义上的预测，而在于阐明纽瓦克案例的反馈结构，为地方政策讨论和系统导向干预提供支持。