環(huán)境風(fēng)險全過程評估與管理模式研究及應(yīng)用

李鳳英,畢 軍,曲常勝,黃 蕾,楊 潔,3,宛文博(.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 20093；2.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 20044；3.蘇州科技學(xué)院,江蘇 蘇州 250)

環(huán)境風(fēng)險全過程評估與管理模式研究及應(yīng)用

李鳳英1,2,畢 軍1*,曲常勝1,黃 蕾1,楊 潔1,3,宛文博1(1.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210093；2.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210044；3.蘇州科技學(xué)院,江蘇 蘇州 215011)

基于環(huán)境風(fēng)險“全過程管理”與“優(yōu)先管理”的理念,提出了環(huán)境風(fēng)險全過程評估與管理的概念框架和理論體系,涵蓋了風(fēng)險源識別、受體易損性評估、環(huán)境風(fēng)險表征、風(fēng)險應(yīng)急控制決策以及風(fēng)險事故損失后評估等關(guān)鍵步驟.并以某化工園區(qū)企業(yè)為例,以硝基苯儲罐塌陷為初始事件,采用蝴蝶結(jié)方法進行風(fēng)險源識別,得到硝基苯儲罐泄漏事件蝴蝶結(jié),通過GIS空間分析方法揭示居民對地表水水源污染易損性的空間分異,分析結(jié)果不僅為事故安全防范與應(yīng)急控制提供關(guān)鍵節(jié)點,而且有助于在日常風(fēng)險管理中增強受體抗風(fēng)險能力.

環(huán)境風(fēng)險全過程評估；風(fēng)險管理；易損性；地理信息系統(tǒng)(GIS)；蝴蝶結(jié)

Abstract：A procedure of whole-process environmental risk assessment and management (WERAM) was proposed for assessing accidental industrial risks, based on the conceptions of “whole-process management” and “prioritized management”. The procedure consists of risk source identification, vulnerability assessment, risk characterization, prioritization of emergency control methods and post-evaluation of losses caused by accidents. A case study was carried out in a chemical industry park in China. Firstly, a bow-tie was established for “vessel collapse” of a tank containing nitrobenzene, identifying key stones of safety management and emergency response. Secondly, geographic information system (GIS) was applied to reveal spatial heterogeneity of residents’ vulnerability to surface water source pollution. The results provide not only instructions for building up risk targets’ resistance, but also decision supports for emergency response to accidents polluting surface water source.

Key words：whole-process environmental risk assessment；risk management；vulnerability；geographic information system (GIS)；bow-tie

工業(yè)化進程帶來高速經(jīng)濟發(fā)展的同時,也伴隨嚴(yán)峻的環(huán)境風(fēng)險挑戰(zhàn).環(huán)境風(fēng)險評價是識別和評價風(fēng)險活動對生態(tài)系統(tǒng)、人類產(chǎn)生不利影響的過程,通過風(fēng)險評估可以識別潛在風(fēng)險,從而進行風(fēng)險管理決策.國內(nèi)外研究表明,風(fēng)險評價科學(xué)體系和風(fēng)險管理的模式已基本形成[1-2].然而,新興工業(yè)化國家的環(huán)境風(fēng)險事故仍然不斷發(fā)生,環(huán)境風(fēng)險管理的對象、程度、關(guān)鍵控制節(jié)點等不明晰,導(dǎo)致風(fēng)險管理行動缺乏針對性,風(fēng)險管理方案實施效率不高.風(fēng)險管理的潛在“節(jié)點”可能存在于環(huán)境風(fēng)險事故的任何環(huán)節(jié).因此,須對環(huán)境風(fēng)險事故全過程進行管理[3].而環(huán)境風(fēng)險決策和管理效率的改善,有賴于更有效的環(huán)境風(fēng)險評估模式.

環(huán)境風(fēng)險評估自發(fā)展以來,廣為接受的基本框架是美國科學(xué)院提出的“危害識別—劑量—響應(yīng)分析—暴露評估—風(fēng)險表征”四步法.隨后的致癌風(fēng)險評估、致畸風(fēng)險評估、暴露評估、場地風(fēng)險評估等健康風(fēng)險評估和生態(tài)風(fēng)險評估,都是在“四步法”的基礎(chǔ)上進行延伸和發(fā)展的[1,4-5].這套評估程序通過科學(xué)導(dǎo)向性的風(fēng)險分析為風(fēng)險

管理提供關(guān)鍵的科學(xué)信息,但應(yīng)用到環(huán)境風(fēng)險事故管理決策中,仍然缺乏決策導(dǎo)向性的風(fēng)險分析.歐盟各國在歐盟塞維索二號指令(Seveso ⅡDirective)的框架下聯(lián)合開展了“工業(yè)事故風(fēng)險評估方法”(ARAMIS)項目研究,通過危害識別、安全措施評估、安全管理效率、事故情景識別、事故嚴(yán)重性和受體易損性評估,不僅滿足了風(fēng)險管理不同階段和部門的決策需求,而且保障了更加透明和連貫的決策過程[6].其缺陷在于未考慮風(fēng)險事故發(fā)生時如何應(yīng)對和發(fā)生后如何修復(fù)與補償.Darbra等[7]基于模糊邏輯提出了工廠毒性物質(zhì)事故排放風(fēng)險的評估程序,該方法分為3步:物質(zhì)危害表征、土壤和地下水脆弱性界定,工廠防護措施識別,并通過案例進行了驗證,但是該程序只適用于土壤和地下水污染事故,而未考慮通過空氣傳播的風(fēng)險事故.國內(nèi)環(huán)境風(fēng)險研究缺乏一個全過程的理念和框架,本文旨在將環(huán)境風(fēng)險事故整個發(fā)生、發(fā)展過程的各方面信息綜合起來,為風(fēng)險全過程管理提供科學(xué)支撐.

圖1 環(huán)境風(fēng)險全過程評估與管理模型Fig.1 Whole-process assessment and management of environmental risk

1 環(huán)境風(fēng)險全過程評估與管理模型

基于Kasperson等[8]的風(fēng)險解析理論,結(jié)合前述風(fēng)險研究與管理領(lǐng)域存在的問題,對環(huán)境風(fēng)險事故潛伏、發(fā)生和發(fā)展的動態(tài)過程進行解析,揭示各階段的因果聯(lián)系和可能存在的風(fēng)險控制節(jié)點,構(gòu)建環(huán)境風(fēng)險全過程評估與管理體系(圖1).

該體系從事前預(yù)防、事中響應(yīng)和事后修復(fù)與賠償3個方面進行風(fēng)險控制,以化工行業(yè)為例,事前預(yù)防是在工業(yè)布局、選址、設(shè)計階段和日常運行過程中,通過安全規(guī)劃和管理降低風(fēng)險事故發(fā)生概率和潛在后果;事中響應(yīng)是通過風(fēng)險預(yù)警和快速處置避免風(fēng)險因子在環(huán)境中的釋放和擴散,并采取應(yīng)急救援措施降低受體在風(fēng)險場的暴露強度;事后修復(fù)與賠償是對事故造成的生態(tài)破壞和環(huán)境污染進行修復(fù),并通過損害賠償減輕事故不利影響.

環(huán)境風(fēng)險全過程管理采用優(yōu)先管理,即按某種優(yōu)先順序進行風(fēng)險管理.各階段的風(fēng)險評估篩選出的重點風(fēng)險源、敏感風(fēng)險受體、高風(fēng)險區(qū)、優(yōu)先實施的控制措施、重點損害對象和規(guī)模等風(fēng)險控制關(guān)鍵節(jié)點,是實施環(huán)境風(fēng)險“優(yōu)先管理”的基石.全過程風(fēng)險評估的程序包括風(fēng)險源識別與評估、受體易損性評價、風(fēng)險表征、風(fēng)險應(yīng)急多目標(biāo)決策以及風(fēng)險事故損失后評估.

1.1風(fēng)險源識別與評估

圖2 風(fēng)險源識別與評估的一般流程Fig.2 General procedure of identifying and assessing risk sources

圖3 環(huán)境風(fēng)險受體易損性概念模型Fig.3 Conceptual model of human vulnerability to environmental risks

風(fēng)險源識別與評估的目的是識別需進行風(fēng)險管理的風(fēng)險物質(zhì)、設(shè)備和管理節(jié)點,并評估潛在風(fēng)險事故的發(fā)生概率.國外研究通常僅通過物質(zhì)類型及數(shù)量或工藝固有安全性來判斷危險源風(fēng)險水平,評價方法簡單,風(fēng)險源識別結(jié)果存在較大偏差[9-12].本文提出的風(fēng)險源識別與評估程序包括風(fēng)險物質(zhì)識別、風(fēng)險設(shè)備識別、風(fēng)險源管理節(jié)點辨識、風(fēng)險源管理有效性評估和可能的風(fēng)險事故情景識別及概率評估(圖2).在風(fēng)險物質(zhì)和設(shè)備識別的基礎(chǔ)上,進行蝴蝶結(jié)分析[6],即采用故障樹和事故樹相結(jié)合的方法分析事故的前因和后果,構(gòu)建可能的事故情景,識別出形成事故發(fā)生、演化的節(jié)點,也就是風(fēng)險源管理的關(guān)鍵節(jié)點.

1.2風(fēng)險受體易損性評估

環(huán)境風(fēng)險事故情景確定之后,為明確事故影響范圍內(nèi)潛在受體的可能損害和反應(yīng),需進行受體易損性分析.根據(jù)環(huán)境風(fēng)險系統(tǒng)理論[3],以及自然災(zāi)害領(lǐng)域的受體易損性研究[13],將“環(huán)境風(fēng)險受體易損性”界定為“受體可能暴露于某一風(fēng)險因子的程度,以及受體對風(fēng)險的應(yīng)對能力的綜合度量”.許多學(xué)者研究了人口結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟水平、應(yīng)急資源可獲得性等社會易損性影響因素,建立了層次分析法、專家咨詢法以及GIS空間分析方法等研究方法[13-16],可以為研究和表征環(huán)境風(fēng)險受體易損性提供參考.

易損性可以從2個層面進行剖析,一是受體系統(tǒng)內(nèi)在的物理易損性,通過環(huán)境風(fēng)險評價經(jīng)典“四步法”中的劑量-響應(yīng)分析與暴露評估[1],確定受體受到風(fēng)險因子的脅迫強度,這部分易損性決定了是否需要采取風(fēng)險規(guī)避措施以保護受體,例如在規(guī)劃建設(shè)中受體只需避開對其造成不利效應(yīng)的風(fēng)險因子,風(fēng)險事故發(fā)生時應(yīng)重點針對暴露在風(fēng)險場中的敏感受體采取應(yīng)急救援措施;二是由受體系統(tǒng)外部決定的社會易損性,反映受體對風(fēng)險響應(yīng)能力與應(yīng)急資源的不足,是加強受體抗風(fēng)險能力的關(guān)鍵.本文結(jié)合上述理論構(gòu)建了環(huán)境風(fēng)險受體易損性概念模型(圖3).

1.3環(huán)境風(fēng)險表征

風(fēng)險表征的要旨在于客觀地向風(fēng)險決策者及其他受眾反饋已知的科學(xué)信息,包括風(fēng)險因子引起不利效應(yīng)的性質(zhì)、關(guān)鍵暴露參數(shù)、相關(guān)的毒理數(shù)據(jù)、受體信息、模型與數(shù)據(jù)的變化和不確定性以及其他相關(guān)信息[17].結(jié)合風(fēng)險源評估與受體易損性評估結(jié)果,構(gòu)建基于風(fēng)險概率-后果嚴(yán)重性的風(fēng)險矩陣,以表征風(fēng)險大小.要有效地闡釋或總結(jié)風(fēng)險信息,應(yīng)對關(guān)鍵暴露參數(shù)或劑量-響應(yīng)評估的內(nèi)在不確定性、模型假設(shè)或者分析上的缺陷以及風(fēng)險評估過程存在的其他不確定性做充分的探討.

1.4風(fēng)險應(yīng)急控制的多目標(biāo)決策

風(fēng)險評估的目的是根據(jù)可利用的信息為風(fēng)險管理者提供決策支持,制定一定社會經(jīng)濟條件下適宜的風(fēng)險控制對策,在滿足社會、經(jīng)濟、技術(shù)約束及最優(yōu)化目標(biāo)的前提下,應(yīng)盡可能降低區(qū)域內(nèi)的總體環(huán)境風(fēng)險水平[3].從風(fēng)險管理的需求和風(fēng)險特征看,亟需發(fā)展在不確定條件下進行風(fēng)險控制方案分析的決策方法,建立統(tǒng)一的框架處理和表征風(fēng)險控制成本、效果、技術(shù)可行性等不同類型的數(shù)據(jù).因此,應(yīng)基于成本-有效、經(jīng)濟技術(shù)可行等原則,建立多目標(biāo)決策模型[18-19],進行科學(xué)評估和決策.

1.5風(fēng)險事故損失后評估

目前環(huán)境風(fēng)險管理中經(jīng)常面臨事后評估法律職責(zé)不清、損失難以定量、責(zé)任認(rèn)定和損失賠償難以落實等問題[20-21],需加強環(huán)境風(fēng)險損害賠償?shù)牧⒎ㄑ芯?包括污染損害賠償責(zé)任的認(rèn)定,明確環(huán)境污染致財產(chǎn)/人體健康損害的賠償范圍,并設(shè)立我國環(huán)境損害鑒定評估機構(gòu),建立環(huán)境污染事故損害評估體系.環(huán)境風(fēng)險事故損失是指環(huán)境風(fēng)險事故由于破壞環(huán)境、資源和財產(chǎn)而對企業(yè)自身以及社會、經(jīng)濟和環(huán)境帶來的損失.對風(fēng)險事故損失進行科學(xué)定量的評估,可以為環(huán)境風(fēng)險損害賠償提供科學(xué)信息支持.常用的損失評估方法有機會成本法、影子工程法、改進的人力資本法、資源等價分析法等[22-23].

2 案例研究

2.1研究區(qū)概況

某化學(xué)工業(yè)園區(qū)區(qū)位見圖4.園區(qū)所涉及的原料、輔料、中間產(chǎn)品、產(chǎn)品和燃料等許多物質(zhì)均屬于危險性物質(zhì).居民飲用水源位于園區(qū)南端.一旦發(fā)生環(huán)境風(fēng)險事故,周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民飲用水安全將受到嚴(yán)重威脅.本文選擇容器塌陷為關(guān)鍵事件,對液體危險化學(xué)物質(zhì)泄漏進行蝴蝶結(jié)分析,并針對其造成的飲用水污染進行居民易損性評估.

2.2基于蝴蝶結(jié)方法的風(fēng)險源識別

以液體儲罐塌陷作為初始事件,采用蝴蝶結(jié)分析法進行典型環(huán)境風(fēng)險事件分析(圖5).液體儲罐塌陷是由容器內(nèi)部壓力過低(低于容許壓力下限)引起的,而具體原因又有3種:溫度下降、化學(xué)反應(yīng)消耗氣體與容器快速排空.故障樹的底層事件則針對上述3種原因進一步分析,得出一系列“意外事件”;從事故演變歷程看,液體儲罐塌陷會形成液池,而液池可能在一定條件下著火,產(chǎn)生池火、毒云造成熱輻射和有毒效應(yīng),甚至可能由于應(yīng)急不當(dāng)將消防廢水排入雨水管網(wǎng)并最終污染水體,污染物亦有可能直接通過雨水、污水管網(wǎng)排入自然水體,沿江儲罐可能超過圍堰高度直接從地面流入自然水體,造成地表水污染.

蝴蝶結(jié)分析結(jié)果可以為環(huán)境風(fēng)險源安全管理以及事故應(yīng)急控制提供有效控制節(jié)點.圖5中,從橫向看,各列是不同層次的節(jié)點,故障樹部分從右到左,漸漸細(xì)化,直到可以操作和控制的細(xì)節(jié),例如針對寒冷天氣應(yīng)采取一定的防御措施,加熱器要及時維修和保障有效運行、避免吸熱反應(yīng)等,這些控制節(jié)點都可以阻止溫度下降,從而避免事故的發(fā)生;事件樹部分從左到右,則是在初始事件發(fā)生后將控制目標(biāo)漸漸明確的過程,例如一旦發(fā)生容器塌陷,形成了液池,控制目標(biāo)就明確為避免液池著火,同時關(guān)掉相關(guān)的雨水/污水閥門,適當(dāng)處理和收集消防廢水,并且加強地面圍堰和阻截,從而阻止熱輻射、有毒效應(yīng)和污染效應(yīng)的產(chǎn)生.

圖4 研究區(qū)區(qū)位Fig.4 Location of the research area

圖5 硝基苯儲罐塌陷事故的蝴蝶結(jié)分析Fig.5 Bow-tie analysis of vessel collapse of a tank containing nitrobenzene

2.3居民受體易損性評估

研究區(qū)的長江是沿江居民的最重要飲用水源.該區(qū)域發(fā)生水環(huán)境污染事故,將對沿江居民的飲用水安全造成嚴(yán)重的威脅.結(jié)合前面提出的易損性概念模型,參考前人的指標(biāo)體系框架[24],從研究區(qū)的風(fēng)險受體暴露與社會經(jīng)濟特征出發(fā),提出通過每一個居住區(qū)使用地表水的居民數(shù)量、生活用水的備用水源可獲得性以及脆弱群體人口數(shù)量占每個統(tǒng)計區(qū)人口總數(shù)的百分比,計算居民在飲用水污染事故中的易損性.居民對地表水水源污染易損性VP可以通過公式(1)計算得到.

圖6 當(dāng)?shù)鼐用駥Φ乇硭次廴镜囊讚p性Fig.6 Vulnerability of residents to surface water source pollution

式中:Ep為暴露于飲用水的居民數(shù)量歸一化值,歸一化方法見公式(2);1pR為供水類型,取值規(guī)則為:以地表水為唯一水源的取1,若為補充水源取0.5,以地表水為備用水源的取0.2;2pR為脆弱人口

(65歲以上與15歲以下人群)占總?cè)丝诘谋壤?式中:Pi為第i個居住區(qū)的總?cè)丝?Pmax為Pi的最大值.

根據(jù)易損性程度將分析結(jié)果從低到高分為4個等級(圖6),反映了居民對地表水水源污染易損性的空間分異,不僅可以為受體抗風(fēng)險能力提供依據(jù),而且能夠為地表水水源污染事故應(yīng)急響應(yīng)提供關(guān)鍵信息,例如識別出最易損的區(qū)域人群以及造成最易損的根源,從而制定出對癥下藥的應(yīng)急控制措施,取得事半功倍的應(yīng)急效果.本案例中,居民在地表水水源污染事故總體易損性普遍較高,主要原因是缺乏備用水源;其次,部分地區(qū)尤為易損,是由于人口居住密度較大、且脆弱人口所占比例偏高.因此,該地區(qū)的當(dāng)務(wù)之急是增加備用水源、適當(dāng)分散高密度居住區(qū)的人口,以及為脆弱人口提供特別的飲用水保障.

3 結(jié)語

基于環(huán)境風(fēng)險全過程的理念,結(jié)合已有的環(huán)境風(fēng)險評估與管理框架及存在問題,提出了環(huán)境風(fēng)險全過程評估的概念、內(nèi)涵,通過風(fēng)險源識別與評估、受體易損性評估、環(huán)境風(fēng)險表征、風(fēng)險應(yīng)急控制的多目標(biāo)決策以及風(fēng)險事故損失后評估等關(guān)鍵步驟構(gòu)建全過程評估體系.并以某化工企業(yè)為例,以硝基苯儲罐泄漏為初始事件,基于蝴蝶結(jié)方法、GIS技術(shù)和空間分析方法進行風(fēng)險源識別與居民易損性評估,以及居民對地表水水源污染易損性的空間分異.分析結(jié)果表明,就硝基苯儲罐泄漏而言,事故安全防范重點在于控制和避免不正常的溫度下降、消耗氣體的化學(xué)反應(yīng)以及容器的急劇排空,事故應(yīng)急過程應(yīng)重點關(guān)注消防廢水的適當(dāng)處理和收集、雨水管網(wǎng)和污水管網(wǎng)閥門控制、以及地面圍堰和阻截,還應(yīng)通過建設(shè)備用水源強化居民抗風(fēng)險能力,而在應(yīng)急反應(yīng)中則應(yīng)重點關(guān)注高密度居住區(qū)以及脆弱人群較集中的局部地區(qū).上述結(jié)論不僅可為事故安全防范、應(yīng)急控制和地表水污染事故應(yīng)急響應(yīng)提供關(guān)鍵節(jié)點,而且能為日常風(fēng)險管理通過工程技術(shù)、制度和經(jīng)濟手段增強受體抗風(fēng)險能力提供重要的決策支持.

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LI Feng-ying1,2, BI Jun1*, QU Chang-sheng1, HUANG Lei1, YANG Jie1,3, WAN Wen-bo1(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210093, China；2.School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；3.Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：858～864

X820.4

A

1000-6923(2010)06-0858-07

李鳳英(1980-),女,福建上杭人,南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院博士研究生,主要從事環(huán)境風(fēng)險評估與管理方面的研究.發(fā)表論文8篇.

2009-10-20

國家“863”項目(2007AA06A402,2007AA06A405),“十一五”國家科技支撐計劃(2006BAC02A15)

* 責(zé)任作者, 教授, jbi@nju.edu.cn