晉江流域工業(yè)環(huán)境風(fēng)險評價研究

周振瑤,宋柳霆,陳海洋,滕彥國,李 劍,陳 明 (北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875)

晉江流域工業(yè)環(huán)境風(fēng)險評價研究

周振瑤,宋柳霆*,陳海洋,滕彥國,李 劍,陳 明 (北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875)

為了預(yù)防由于工業(yè)企業(yè)危險物質(zhì)泄漏引發(fā)的環(huán)境突發(fā)事故,保護流域水環(huán)境安全.本研究選用基于Seveso III指令模型的方法進行流域環(huán)境風(fēng)險評價研究,并對模型進行適應(yīng)性改進,選擇工業(yè)企業(yè)分布較為密集的泉州晉江流域進行了示范研究.利用高程、企業(yè)分布、危險物質(zhì)儲存量等數(shù)據(jù),得到企業(yè)內(nèi)在風(fēng)險;疊加區(qū)域易受損性后得到子區(qū)域的環(huán)境風(fēng)險.結(jié)果表明,南安市是晉江流域環(huán)境風(fēng)險最高的子區(qū)域,風(fēng)險值高達 108,安溪縣和泉州市區(qū)風(fēng)險水平居中,晉江市為低度危險子區(qū)域.在此基礎(chǔ)上,根據(jù)評價結(jié)果提出了具有針對性的流域環(huán)境風(fēng)險控制建議.

流域環(huán)境風(fēng)險評價；Seveso III指令模型；泄漏風(fēng)險；危險物質(zhì)儲存

近年來,隨著科技進步和經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展,人口不斷涌向大型城市,工業(yè)企業(yè)也隨之分布于城市周邊并逐漸擴大形成綜合工業(yè)區(qū),爆發(fā)流域環(huán)境污染事件的幾率劇增,如2005年吉化雙苯廠爆炸事件、2010年紫金礦業(yè)污染事故等,這些突發(fā)污染事件具有來勢兇猛、波及范圍廣和難以控制等特點,不僅會給區(qū)域內(nèi)居民的生命和財產(chǎn)帶來不可估量的損失,而且會對生態(tài)環(huán)境造成持久性破壞.因此,開展針對突發(fā)性污染事故的流域環(huán)境風(fēng)險評價,對于保證流域環(huán)境安全具有重要意義.

流域環(huán)境風(fēng)險評價屬于區(qū)域風(fēng)險評價范疇,從流域尺度入手,綜合考慮區(qū)域內(nèi)的各種風(fēng)險源,多個風(fēng)險受體,全面分析流域內(nèi)的居民生活飲用水、灌溉用水和工業(yè)生產(chǎn)用水可能遭受的風(fēng)險.當(dāng)前,國內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注流域生態(tài)風(fēng)險評價和流域非點源污染的風(fēng)險評價[1-8],亦或以單一工業(yè)點源為中心的特定區(qū)域的風(fēng)險研究[9-11].以上研究主要是既定現(xiàn)狀或者一段時期內(nèi)一般污染狀況的風(fēng)險評價,而對突發(fā)事件的風(fēng)險評價工作則多集中在海上溢油、特定化學(xué)品泄漏等方面.Emerson等[12]分析了美國沿海移動源及陸源突發(fā)溢油事故的風(fēng)險情況.針對發(fā)生在中國長江南京段的溢油事故,池麗敏[13]利用二維水量模型模擬石油擴散到取水口的時間作為風(fēng)險指標(biāo).沈郁[14]對青島奧運帆船賽期間當(dāng)?shù)氐奈ｋU化工企業(yè)進行了區(qū)域風(fēng)險評價,定性得到各類企業(yè)的風(fēng)險等級.劉國東等[15]將運輸有毒有害物質(zhì)的汽車從橋上翻車作為飲用水源的突發(fā)風(fēng)險源,運用一維河流水質(zhì)模型計算得到的受影響河段長度表征風(fēng)險度.對于北京城市飲用水突發(fā)事件,韓麗[16]應(yīng)用層次分析法進行了風(fēng)險評估.然而,到目前為止,我國尚沒有成熟的量化的針對工業(yè)突發(fā)污染事件的流域環(huán)境風(fēng)險評價方法.

歐盟Seveso III指令是歐洲理事會對Seveso指令的第三次修訂[17],是控制危險物質(zhì)造成突發(fā)事故的法規(guī).基于該指令的區(qū)域環(huán)境風(fēng)險評價方法旨在預(yù)防危險物質(zhì)的重大泄漏事故并控制其對人類和環(huán)境的危害,是一套判斷工業(yè)企業(yè)儲存危險物質(zhì)的泄漏風(fēng)險是否達到臨界狀態(tài)的指令模型.由于該指令方法相對比較完善,體系明確,結(jié)構(gòu)清楚,已經(jīng)在歐盟取得了很好的應(yīng)用效果.此次研究擬選用該指令模型,并結(jié)合實際對原模型進行了改進,利用改進后的模型在晉江流域開展了工業(yè)環(huán)境風(fēng)險評價研究.

1 研究區(qū)概況

晉江位于福建省泉州境內(nèi),流域面積5629km2.地形以西北戴云山脈沿東南逐漸降低,具有西高東低的特點.山地植被覆蓋好,以馬尾松、杉木、毛竹及其他經(jīng)濟果木組成的人工林或天然林為主,森林覆蓋率51.15%.流域氣候跨南、中亞熱帶,年平均氣溫 17～21℃,多年平均降水量為1010～1756mm,降雨主要集中在3～9月,約占全年降雨的85%,多臺風(fēng)暴雨.

晉江的主要支流為東溪和西溪,兩溪匯合于南安市的雙溪口.西溪發(fā)源于安溪縣桃舟鄉(xiāng)達新村梯仔嶺東南坡,流經(jīng)感德、劍斗、侖蒼、英都、美林,全長153km,流域面積3101km2.東溪發(fā)源于永春縣呈祥鄉(xiāng)云路村,流經(jīng)錦斗、蓬壺、石鼓、五里街、城關(guān)、東平、山美水庫、梅山、洪瀨,全長120km,流域面積1917km2.兩溪匯合后進入晉江干流,最終匯入泉州灣,流入東海(圖 1).晉江干流中上游處設(shè)有金雞攔河閘,閘口上方為泉州市、晉江市的主要生活飲用水源地.

圖1 晉江水系示意Fig.1 The map of Jinjiang river watershed

2 Seveso Ⅲ指令模型及其改進

2.1 模型構(gòu)建

祝慧娜等[18]在湘江應(yīng)用水環(huán)境模糊綜合評價模型進行研究,認為風(fēng)險由脆弱性和危害性構(gòu)成.與之類似,Seveso Ⅲ指令模型在辨識流域內(nèi)工業(yè)泄漏危險的基礎(chǔ)上,考慮了城市飲用水、農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水的區(qū)域易受損性,并通過公式(1)計算工業(yè)企業(yè)風(fēng)險指數(shù).定義如下:

式中:TIR為區(qū)域工業(yè)風(fēng)險指數(shù);n為區(qū)域內(nèi)具有泄漏風(fēng)險的工業(yè)企業(yè)數(shù)量;TIRi為第 i工廠的企業(yè)環(huán)境風(fēng)險指數(shù);IIHi為第 i工廠的泄漏危險指數(shù);TVUi為由于工廠i的存在引發(fā)城市地區(qū)易受損指數(shù);TVAi為由于工廠i的存在引發(fā)農(nóng)業(yè)地區(qū)易受損指數(shù);TVIi為由于工廠 i的存在引發(fā)工業(yè)區(qū)易受損指數(shù);wfu為城區(qū)權(quán)重因子;wfa為農(nóng)業(yè)區(qū)權(quán)重因子;wfi為工業(yè)區(qū)權(quán)重因子.權(quán)重因子的定義是基于政治因素,而不是計算因素,例如在中國大多數(shù)飲用水取自地表水體,wfu值應(yīng)該最高.如果強調(diào)避免水資源受到人類活動的污染,則 wfu取值應(yīng)該最大(如 wfu:wfa:wfi=0.7:0.2:0.1).如果只關(guān)注飲用水源風(fēng)險,則wfu=1,wfa=wfi=0.

2.2 模型所需數(shù)據(jù)資料

模型所需的數(shù)據(jù)輸入主要包括流域數(shù)字高程模型、水系圖和工業(yè)企業(yè)綜合數(shù)據(jù)等(表1).

表1 模型資料匯總Table 1 Data for the model

2.3 模型主要參數(shù)及改進

(1) 工業(yè)企業(yè)泄漏危險指數(shù).企業(yè)危險是企業(yè)存儲物質(zhì)的類型和數(shù)量以及生產(chǎn)活動的函數(shù).其他用于計算發(fā)生泄漏概率的方法通常不可行,因為這些方法所需要的企業(yè)詳細信息難以獲取.Seveso Ⅲ指令方法根據(jù)系統(tǒng)的調(diào)查,篩選出危險的工業(yè)或生產(chǎn)過程,由此確定危險物質(zhì)清單.原方法對于泄漏風(fēng)險(IIH)的值,只設(shè)定了不危險(0),危險級別A(0.5)和危險級別B(1)3個閾值.為了使企業(yè)泄漏危險評價更具有連續(xù)性,采用改進的連續(xù)函數(shù)P(M)來定義泄漏風(fēng)險IIH,如下:

式中:IIHi為第i企業(yè)的泄漏危險指數(shù);IIHi,j為第i企業(yè)的第j類危險品泄漏危險指數(shù);Mi,j為第i企業(yè)第j類危險品儲存量;ThrA和ThrB分別為危險級別A類、B類的限值.

(2) 城市地區(qū)易受損指數(shù).城市地區(qū)易受損指數(shù)(TVU)表示危險企業(yè)發(fā)生泄漏時城市地區(qū)的脆弱性,與危險企業(yè)下游飲用取水口供水人數(shù)和企業(yè)泄漏物沿水流抵達取水口所需時間密切相關(guān).原方法采用閾值方式定義易受損性,本研究將其進行線性連續(xù)改進,定義如下:

式中:K表示受 i企業(yè)泄漏影響的城市飲用取水口數(shù)量;φ為算子;DIUi,k為受i企業(yè)影響的第k取水口距離指數(shù);PIUi,k為受i企業(yè)影響的第k取水口的供水人口指數(shù).取水口距離指數(shù)與供水人口指數(shù)定義如下:

式中:ti,k為污染物從i企業(yè)遷移到第k取水口時間,需要利用Arc GIS軟件計算相應(yīng)河段(危險企業(yè)與取水口之間)的曲線距離,以及晉江平均水流速度.pi,k為受i企業(yè)影響的第k取水口供水人口數(shù)量;pmax為城市供水人口總數(shù).

(3) 農(nóng)業(yè)區(qū)易受損指數(shù).農(nóng)業(yè)區(qū)易受損指數(shù)(TVA)表示危險企業(yè)發(fā)生泄漏時下游使用水源進行灌溉的農(nóng)業(yè)區(qū)的脆弱性,其值與危險工業(yè)企業(yè)下游灌溉取水口數(shù)量和企業(yè)泄漏物沿水流抵達取水口所需時間密切相關(guān).定義如下:

式中:K表示受 j企業(yè)影響的灌溉取水口數(shù); DIAi,k為受 i企業(yè)影響的第 k灌溉取水口距離指數(shù),定義為:

式中:ti′,k為污染物從i企業(yè)遷移到第k取水口所需時間.

(4) 工業(yè)區(qū)易受損指數(shù).工業(yè)區(qū)易受損指數(shù)(TVI)表示危險企業(yè)發(fā)生泄漏時下游使用水源用于工業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)區(qū)易受損性,其值與危險企業(yè)下游工業(yè)取水口數(shù)量、企業(yè)泄漏物沿水流抵達取水口所需時間密切相關(guān),定義如下:

式中:K表示受 i企業(yè)影響的工業(yè)取水口數(shù)量;DIIi,k為受i企業(yè)影響的第k工業(yè)取水口距離指數(shù),定義為:

式中:ti,k''為污染物從i企業(yè)遷移到第k取水口的時間.

(5) 企業(yè)工業(yè)風(fēng)險.企業(yè)工業(yè)風(fēng)險是工業(yè)企業(yè)泄漏危險指數(shù)與區(qū)域易受損指數(shù)的累積.

此次研究主要強調(diào)城市居民飲用水安全,則wfa=wfi=0.公式簡化為:

依據(jù)行政區(qū)劃劃定子區(qū)域,對于包含工業(yè)企業(yè)i、j、k……n的子區(qū)域C而言,子區(qū)域中包含的所有危險企業(yè)的風(fēng)險值總計TIRC值為:

3 結(jié)果與討論

3.1 晉江流域工業(yè)企業(yè)泄露風(fēng)險

運用改進的Seveso Ⅲ指令模型,對流域內(nèi)工業(yè)企業(yè)儲存的危險物質(zhì)進行核算,得出各企業(yè)泄露風(fēng)險值(不同企業(yè)根據(jù)相應(yīng)的超標(biāo)物質(zhì)來量化內(nèi)在風(fēng)險).當(dāng)企業(yè)存在兩種或兩種以上危險物質(zhì)時,以IIH值最高的物質(zhì)核算.此次研究涉及的晉江流域125家企業(yè)中,IIH＝0的企業(yè)76家,占60.8%,這些企業(yè)沒有儲存Seveso Ⅲ指令清單中的危險物質(zhì);0＜IIH＜0.5的共29家,占23.2%,這些企業(yè)儲存危險物質(zhì)的量不超過 A類限值;0.5≤IIH＜1的有11家,占8.5%,這些企業(yè)所儲存的危險物質(zhì)介于A類限值和B類限值之間;IIH＝1的有9家,占7.2%,其危險物質(zhì)儲存量超過B類限值.由此可見,考慮企業(yè)潛在的泄露風(fēng)險,晉江流域內(nèi) 84%的企業(yè)處于安全范圍,15.7%的企業(yè)所儲存的危險物質(zhì)超過危險限值,存在不同程度的內(nèi)在泄漏風(fēng)險.

圖2列出了IIH值高于0.5的企業(yè),并且標(biāo)示了企業(yè)儲存的危險品類別.根據(jù)原Seveso Ⅲ指令模型的閾值方式,代號為10,91,25,23,15,21,69,62, 79號企業(yè)的IIH值將一致為0.5.而改進后,IIH值介于0.5～1.0的企業(yè)形成連續(xù)排列(圖2),使得企業(yè)泄露風(fēng)險具有了更顯著的區(qū)分度,有助于對這部分企業(yè)的內(nèi)在泄露風(fēng)險進行更加準(zhǔn)確的評價.

3.2 晉江流域工業(yè)企業(yè)風(fēng)險

晉江流域 5個主要飲用水取水口分別是北渠的北峰三水廠、北水廠和湄南供水泵站,以及南渠的加沙取水口和田洋供水泵站(圖3).

從取水口和企業(yè)的上下游關(guān)系來看,雖然晉江流域企業(yè)眾多,但大多分布于下游的晉江市和石獅市,對飲用水源產(chǎn)生影響的可能性較小.因此,在計算企業(yè)風(fēng)險時,僅考慮可能對飲用水源產(chǎn)生影響的企業(yè).按照行政區(qū)劃將晉江流域劃為5個子區(qū)域:A(永春縣),B(安溪縣),C(南安市),D(泉州市)和 E(晉江市).忽略沒有泄露風(fēng)險的企業(yè)(IIH＝0),計算各子區(qū)域內(nèi)危險企業(yè)的城市地區(qū)易受損指數(shù)(TVU),并根據(jù)公式(12)和(13)計算工業(yè)企業(yè)風(fēng)險指數(shù)TIR,結(jié)果如表2所示.

由表 2知,t最大值越大,工業(yè)企業(yè)泄露危險物質(zhì)順?biāo)當(dāng)U散的范圍越大,脆弱性降低的速度越快.將t最大值提高至48h時,更多的取水口會受到影響.如區(qū)域A中的50號企業(yè),因其與各個取水口的距離較遠,在t最大=24h時,對下游的取水口均不會產(chǎn)生影響,即TVU=0;但是,當(dāng)t最大=48h時,下游區(qū)域的 TVU值大于零,即該企業(yè)的影響將難以忽略,部分取水口進入受影響范圍.

圖2 基于不同危險物質(zhì)類別的部分企業(yè)IIH值Fig.2 IIHvalues of some enterprises based on different dangerous substances

圖3 晉江流域危險企業(yè)及飲用水取水口分布Fig.3 The distribution of dangerous enterprises and drinking water sources

對于同一個取水口,如在不同 t最大值下均受到影響,則較大t最大值(即t最大=48h)時受到影響的范圍更大.一般而言,對于同一工業(yè)企業(yè) j,t最大值設(shè)置得越高,由于企業(yè) j的影響所致的城市區(qū)域脆弱性就越高,環(huán)境風(fēng)險值也越高.

3.3 晉江流域工業(yè)環(huán)境風(fēng)險特征

表3列出了晉江流域工業(yè)風(fēng)險評價結(jié)果.可以看出,IIHC值為IIHD值得1.14倍,這表明在僅考慮泄露風(fēng)險的情況下,C和D區(qū)域的風(fēng)險相當(dāng).然而,考慮區(qū)域易受損性后,尤其是 t最大=48h 時, TIRC/TIRD=1.92,區(qū)域C的風(fēng)險遠高于區(qū)域D,接近2倍.因此,考慮區(qū)域易受損性前后風(fēng)險評價結(jié)果差異顯著,證明區(qū)域脆弱性是風(fēng)險評價中不能忽視的重要因素,其值對評價結(jié)果影響重大.

表2 危險企業(yè)的TVUj值和TIRj值Table 2 TVU and TIR values of the studied dangerous enterprises

表3 區(qū)域風(fēng)險評價結(jié)果Table 3 Regional risk assessment results

從地緣因素上看,位于東溪上游的永春縣,地處山區(qū),工業(yè)不發(fā)達,主要產(chǎn)業(yè)為蘆柑種植,而其TIRA=2,區(qū)域風(fēng)險評估為不危險.位于西溪上游的安溪縣,大面積種植鐵觀音,是中國重要的產(chǎn)茶基地.安溪縣雖然企業(yè)不多,但是所存儲的危險物品有超標(biāo)的現(xiàn)象,TIRB=63,區(qū)域風(fēng)險評估為中度危險.位于東溪和西溪匯流處的南安市,主要以建材和中型化工企業(yè)為主,企業(yè)數(shù)量較多,且危險物質(zhì)存儲量較大,TIRC=108,區(qū)域風(fēng)險評估為高度危險.泉州市區(qū)的企業(yè)分布較少,而且由于集中式生活飲用水的取水口都分布在南、北渠上,所以僅有少數(shù)企業(yè)對水源環(huán)境構(gòu)成威脅,TIRD=56,風(fēng)險評估為中度危險.位于下游的晉江市分布有大量的服裝和鞋類工廠,危險物質(zhì)的儲存規(guī)模較大.但是,這些工廠大多數(shù)分布于沿海,即使發(fā)生泄露也不會對上游飲用水造成威脅,TIRE=29,風(fēng)險評估為低度危險.綜合風(fēng)險評價方法結(jié)果和地緣因素來看,二者較為吻合,表明基于改進的 SevesoⅢ指令模型的流域環(huán)境風(fēng)險評價方法結(jié)果可靠性較好.因此,相對于傳統(tǒng)的區(qū)域環(huán)境風(fēng)險評價方法[19-20],該評價方法無需繁瑣的源項分析,對數(shù)據(jù)、資料要求較低,且具有全面、快速等優(yōu)勢,適用于流域環(huán)境風(fēng)險評價研究.

4 建議

根據(jù)此次風(fēng)險評價研究結(jié)果,對晉江流域風(fēng)險管理提出如下建議:(1)建議風(fēng)險值較高的企業(yè)(如區(qū)域C,102號;區(qū)域B,44號;區(qū)域D,8號),減少或杜絕 Seveso III指令清單中危險品的大量儲存.(2)石獅市大多數(shù)企業(yè)分布于沿海地區(qū)不會對飲用水源產(chǎn)生風(fēng)險,但是研究表明77號企業(yè)位于南渠加沙取水口附近,風(fēng)險值又較高,建議采取必要的隔離措施,以防泄漏進入水渠.(3)在流域內(nèi)嘗試產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整,頻繁涉及危險物質(zhì)的化工行業(yè)應(yīng)盡量控制在石獅市的沿海地區(qū)集中發(fā)展.

5 結(jié)論

本研究對Seveso III指令模型進行了連續(xù)函數(shù)改進,并利用改進后的方法對晉江流域進行工業(yè)企業(yè)風(fēng)險評價研究,從工業(yè)企業(yè)所儲存的危險品入手,并綜合考慮了城市飲用水的水源環(huán)境易受損性,評價結(jié)果與地緣因素能夠較好吻合.總體而言,南安市是晉江流域工業(yè)環(huán)境風(fēng)險最高的子區(qū)域,風(fēng)險值高達 108,安溪縣和泉州市區(qū)風(fēng)險水平居中,晉江市為低度危險區(qū)域.

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Environmental risk assessment based on an improved Seveso III Directive for industrial chemicals: A case study of Jinjiang watershed in Quanzhou.

ZHOU Zhen-yao, SONG Liu-ting*, CHEN Hai-yang, TENG Yan-guo, LI Jian, CHEN Ming (College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1715～1721

In order to prevent major industrial accidents involving dangerous substances and help protect the water environment security, the model in context of Seveso III Directive was chosen for the watershed environmental risk assessment. There were a number of factories widely distributed in Jinjiang watershed. Here a case study was applied in Jinjiang watershed, Quanzhou, after an improvement of this model. The leakage risk was assessed with the digital elevation data, the distribution of industries and the storage of dangerous substances. The regional industrial environment risk was further assessed together with the regional vulnerability. According to the results, Nan’an had the highest risk with a value of 108, while Anxi and Quanzhou city had a medium level. Jinjiang City was with the lowest value at risk. Based on the above, some targeted suggestions were proposed for environmental risk control in Jinjiang watershed.

watershed environmental risk assessment；Seveso III Directive model；leakage risk；storage of dangerous substances

2012-12-12

國家水體污染控制與治理科技重大專項課題(2009ZX07419-003)

* 責(zé)任作者,講師,songliuting@163.com

X820.4

A

1000-6923(2012)09-1715-07

周振瑤(1986-),男,吉林省吉林市人,北京師范大學(xué)碩士研究生,主要從事地表水污染源解析方面的研究.