基于風險場的區(qū)域突發(fā)性環(huán)境風險評價方法研究

邢永健,王 旭*,可 欣,吳天輝,滕文超(.沈陽航空航天大學安全工程學院,遼寧 沈陽 036；.沈陽航空航天大學能源與環(huán)境學院,遼寧 沈陽 036)

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基于風險場的區(qū)域突發(fā)性環(huán)境風險評價方法研究

邢永健1,王 旭1*,可 欣2,吳天輝1,滕文超2(1.沈陽航空航天大學安全工程學院,遼寧 沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學能源與環(huán)境學院,遼寧 沈陽 110136)

摘要：在大尺度空間,風險源、風險受體和風險傳播途徑的多樣性和相互作用的復雜性是區(qū)域環(huán)境風險評價的難點.同時,現有評價方法很少關注風險因子的釋放規(guī)律,釋放后在空間中的分布格局,以及風險受體受到損害的途徑和程度.本文應用風險場理論,分析描述風險場形成和對風險受體作用的機制.結合南京化工園區(qū)實例進行環(huán)境風險源識別,采用集對分析等方法構建了各風險源產生的環(huán)境風險場,再分析處于風險場中的環(huán)境風險受體,最后得到區(qū)域環(huán)境風險水平分布,同時將其劃分為5個等級.評價結果顯示,位于風險源周圍或河道下游的人口稠密、生態(tài)環(huán)境敏感地區(qū)環(huán)境風險值R≥6,風險水平處于極高、高等級,與園區(qū)現狀具有較好的一致性.建議依據環(huán)境風險水平的分級、分類結果建立起以預防為主的環(huán)境風險管理體系.

關鍵詞：風險場；區(qū)域環(huán)境風險；風險評價；風險受體；集對分析法

* 責任作者, 教授, wangx1960@126.com

區(qū)域風險評價(Regional Risk Assessment)是一種估計和比較環(huán)境影響在大尺度地理區(qū)域特征的方法[1],其特征表現在多源釋放產生的多重壓力、風險傳播途徑以及風險受體的多樣性和相互作用的復雜性.

近年來,國內外研究對區(qū)域環(huán)境風險評價進行了多方面的探索.通過構建風險模型對環(huán)境風險后果進行分析,進而提出基于后果的環(huán)境風險評價模型,如考慮危險物質特性、環(huán)境遷移規(guī)律和環(huán)境危害特性的評價模型[2],以風險受體脆弱性與暴露的乘積表示風險后果的評價模型[3],考慮重大損失的全部重要類型來評估整體后果的評價模型[4].這些模型的實質是分析風險受體以及受損規(guī)律來評價風險源,但未能足夠闡述風險源對風險受體的作用途徑.

同時,對環(huán)境風險源和受體的綜合評價模型以及針對環(huán)境風險受體的評價模型有了進一步的發(fā)展.賈倩等[5]構建了基于危險物質、生產工藝、設備設施、企業(yè)管理、企業(yè)布局的突發(fā)環(huán)境風險綜合評價指標體系和相應的風險評價模型;Pizzol等[6]針對空間信息變化問題,提出了一種基于空間分析和相對風險的評價方法,對污染場地的風險進行大小排序,為風險管理提供依據;Chen等[7]開發(fā)了特定受體風險分布地圖以更好地對污染土地管理進行情景分析; Giubilato 等[8]提出了一種在區(qū)域尺度上基于證據權重的環(huán)境化學風險源的分級方法,支持管理者識別優(yōu)先環(huán)境污染物和優(yōu)先管理的區(qū)域; Zabeo等[9]通過應用多目標決策分析和空間分析技術評價區(qū)域環(huán)境風險受體的脆弱性;薛鵬麗等[10]從環(huán)境風險受體敏感性和適應力兩方面構建了脆弱性概念模型,建立了上海市環(huán)境污染事故風險受體綜合脆弱性評價指標體系.總體而言,現有評價模型和方法很少關注風險因子如何釋放,釋放后在空間中的分布格局,以及風險受體如何暴露于風險因子并受到損害的程度.

本文探索應用區(qū)域環(huán)境風險系統(tǒng)理論中的環(huán)境風險場理論[11],并對其進行實際應用的可操作性優(yōu)化,以期彌補相關研究的不足.

1　理論分析

1.1 環(huán)境風險場

風險因子在環(huán)境空間中形成某種分布格局是風險危害發(fā)生的前提,我們稱這種分布格局為“環(huán)境風險場”(Environmental Risk Field, ERF).由于環(huán)境風險是一種不確定性事件,因此,環(huán)境風險場的形成也具有一定的概率.在環(huán)境風險場形成過程中,風險因子的狀態(tài)、時空特性都將發(fā)生變化.

在實際的風險評價中,關注的是ERF對風險受體能產生危害的能力,即ERF的強度,這里將ERF的強度稱為環(huán)境風險場強度,簡稱場強,用E表示.ERF中的任一處(x, y)質點的風險場強度將決定于該點處風險因子的暴露水平和這種暴露出現的概率.公式表示如下:

其中:

式中:Ex,y為(x, y)處質點的風險場強;Ex,yi為質點(x, y)處,風險因子i的風險場強;Px,yi為風險因子i出現在質點(x, y)處的概率;Cx,yj為質點(x, y)處,風險因子i的暴露水平;P′x,yi為出現在質點(x, y)處的風險因子i的釋放概率;P″x,yi為控制機制失效的概率;P″′x,yi為風險因子i轉運到質點(x, y)處的概率;i為質點(x, y)處可能出現的風險因子,i= 1,2,...,n.

1.2 環(huán)境風險受體

風險受體是指風險因子可能危害的人、有價值物體、自然環(huán)境及社會系統(tǒng)[12].風險受體易損性可以被定義為受體對風險因子的敏感性,它是風險受體固有的特性,與風險因子種類和受體本身有關[9].如果要考慮質點(x, y)處所有可能出現的風險受體,那么某種風險受體與其出現的概率必須綜合考量.因此,質點(x, y)處風險受體易損性可表示為

式中:Vx,y為質點(x, y)處的風險受體易損性;Px,yj為風險受體j出現在質點(x, y)處的概率;Vx,yj為質點(x, y)處,風險受體j的易損性;j為質點(x, y)處可能出現的風險受體,j=1,2,...,k.

根據環(huán)境風險系統(tǒng)理論,風險場與風險源之間有著密切的因果關系,風險場中的風險因子源于風險源;而風險場與風險受體二者有相對獨立性,并不相互依存.鑒于此,在具體的環(huán)境風險評價中,為了實現可操作性,我們可先假設風險受體處于勻強風險場中,這樣只需根據風險受體本身的特性就可得出受體易損性.

1.3 風險計算模型

空間中質點(x,y)處的風險與該處可能出現的風險場強和風險受體易損性共同決定,計算模

型為

式中:Rx,y為質點(x, y)處的風險;Ex,yi為質點(x, y) 處,風險因子i的風險場強;Px,yj為風險受體j出現在質點(x, y)處的概率;Vx,yj為質點(x, y)處,風險受體j的易損性;i為質點(x, y)處可能出現的風險因子,i=1,2,...,n;j為質點(x, y)處可能出現的風險受體,j=1,2,...,k.

由于風險場(風險因子)與風險受體的多樣性以及相互作用的復雜性,為簡化計算,質點(x, y)處的風險可表示為

式中:Rx,y為質點(x, y)處的風險;Ex,y為質點(x, y)處的風險場強;Vx,y為質點(x, y)處的風險受體易損性.

綜上所述,把質點(x, y)處的Ex,y和Vx,y作為Rx,y的變量,但是Ex,y和Vx,y如何計算更具科學性,目前還沒有定論.劉桂友等[13]參考USEPA規(guī)定(職業(yè)人群可接受風險值為10-5～ 10-4p/a,非職業(yè)人群可接受風險值為10-7～10-6p/a),對風險值在10-8～10-3p/a進行分級.同時,為方便在風險信息矩陣中顯示風險值,把指數形式的風險值轉換為熟悉的小數形式.類似的,我們將二者相乘后轉化為小數形式(式(6))進行表達.

2　案例分析

南京化工園區(qū)位于長江北岸,目前規(guī)劃面積45km2(包括長蘆片區(qū)26km2,玉帶片區(qū)19km2),實際開發(fā)面積29.2km2.規(guī)劃區(qū)內以岳子河為界,岳子河以西為長蘆片,岳子河以東為玉帶片.南京化工園區(qū)是以石油化工和合成材料、精細化工等石油深加工為主的綜合性化工園,園區(qū)內及外圍分布若干居民區(qū)、生態(tài)保護區(qū),且河網密布,一旦發(fā)生突發(fā)環(huán)境事件,極易造成重大環(huán)境損失.

2.1 環(huán)境風險場的構建

2.1.1 區(qū)域網格化 區(qū)域網格化是解決區(qū)域風險評價的復雜性問題的方法之一[13-14].把評價區(qū)域的二維空間用500m等步長劃分為相同大小的正方形區(qū)域,然后用一個62行65列的矩陣來表示評價區(qū)域,矩陣中的元素Ex,y代表二維空間中對應的正方形區(qū)域的環(huán)境風險場強度,通常用正方形中心點的場強來代表該區(qū)域.利用網格法的思想,可把研究區(qū)域分割形成一系列正方形區(qū)域,整個區(qū)域環(huán)境風險場強度可以用矩陣形式(式(7))表示,此時矩陣內各單元的環(huán)境風險場強度為0.

2.1.2 環(huán)境風險源識別 風險場由風險源產生,合理辨識環(huán)境風險源是構建環(huán)境風險場的前提.因研究區(qū)域范圍較大,可視一家企業(yè)為一個環(huán)境風險源單元.突發(fā)性環(huán)境風險源危險性分析不是基于危害后果進行的,而是基于風險源自身的危險性進行的,突發(fā)環(huán)境風險源危險的大小與化學物質的理化性質、危險性和物質數量的多少密切相關.環(huán)境風險源中有毒有害物質在發(fā)生泄漏后會對環(huán)境和人群帶來影響,但有些易燃易爆物質發(fā)生燃燒爆炸時可能引發(fā)多米諾效應和次生、衍生事故.因此,參照《企業(yè)突發(fā)環(huán)境事件風險評估指南(試行)》[15]確定環(huán)境風險源指數Q.

式中:qi為每種危險化學品實際存在量,t;Qi為與各危險化學品相對應的臨界量,t.

不同的風險物質有不同的理化性質,對環(huán)境風險受體的作用機制和損害程度也不同,該方法應用歸一化的思想,把不同物質的風險量度同一化.同時,環(huán)境風險物質臨界量的確定遵循危害等值的原則,這為后續(xù)的風險疊加提供了可行性.

由式(8)計算得出園區(qū)各環(huán)境風險源指數.根據系統(tǒng)安全優(yōu)先次序,也為優(yōu)化評價方法,篩選風險源指數最大的前25家企業(yè)作為評價對象.表1所列是園區(qū)部分企業(yè)的環(huán)境風險源信息以及在矩陣中的位置.

表1　南京化工園區(qū)部分企業(yè)環(huán)境風險源信息Table 1　Environmental risk sources information of partial enterprises in Nanjing Chemical Industry Park

表2　南京化工園區(qū)近20年年均風頻統(tǒng)計(%)Table 2 The average of annual wind frequency in Nanjing Chemical Industry Park in past 20years (%)

2.1.3 環(huán)境風險場強度計算 環(huán)境風險場按風險因子傳播途徑可分為大氣環(huán)境風險場、水環(huán)境風險場和土壤環(huán)境風險場.土壤環(huán)境風險場因其時間跨度大,在研究突發(fā)性環(huán)境風險時不予考慮.

對大氣環(huán)境風險因子分布可按梯形模糊關系進行簡化計算[13],這為構建大氣環(huán)境風險場強度計算模型提供了依據.同時,環(huán)境風險場的形成存在確定與不確定的因素,如風險因子的載體大氣是確定的,但大氣在事故狀態(tài)下如何流動是不確定的,而且確定與不確定的演變是一個連續(xù)的、動態(tài)的過程,由于時空的變化,環(huán)境風險場在不斷改變,也是一個動態(tài)的過程.因此,本文應用集對分析法[16]來構建大氣環(huán)境風險場強度計算模型.評價區(qū)域地處長江三角洲,在此,假設該區(qū)域地勢平坦開闊,且忽略人工建筑對氣體擴散的影響.那么,區(qū)域某單元單一風險因子的暴露水平可表示為[17]

式中:Cx,y為計算點的單一風險因子的暴露水平;Q為風險源點的環(huán)境風險源指數;l為計算點與風險源點的距離;i、j分別為差異系數、對立系數,取i1=0.5、i2=-0.5、j≡-1;s1、s2、s3、s4分別取1000,3000,5000,10000m.

水環(huán)境風險因子擴散基本沿河道遷移,所影響區(qū)域僅限河道周邊[13],形成的水環(huán)境風險場呈現明顯的流域性特征.在有限的區(qū)域內有毒有害液體濃度仍遠大于容許濃度值[13],故對水環(huán)境風險因子暴露水平做等值擴散處理.

式(2)中的P′、P″可通過歷史數據統(tǒng)計得到,P′′′則需具體分析.《環(huán)境風險評價實用技術、方法和案例》中有關石化行業(yè)的事故概率統(tǒng)計為10-5/a級別[18].在研究大氣環(huán)境風險場時,P′P″可取10-5/a,P′′′等于研究區(qū)域年平均風頻,見表2;在研究水環(huán)境風險場時,因其較大氣環(huán)境風險場難以形成,P′P″P′′′可取10-6/a.不同企業(yè)的P不盡相同,可根據《企業(yè)突發(fā)環(huán)境事件風險評估指南(試行)》中企業(yè)生產工藝過程與環(huán)境風險控制水平進行修正[15],P的修正系數見表3.因缺少各企業(yè)資料,本文未作修正.

表3　企業(yè)生產工藝與環(huán)境風險控制水平以及P的修正系數Table 3　Enterprise production process and environmental risk control levels and correction factors of P

分別計算25個風險源所形成大氣、水環(huán)境風險場強度,并由式(1)得到區(qū)域各單元大氣、水環(huán)境風險場強度.若某單元同時存在大氣、水環(huán)境風險場,取其大者為最終環(huán)境風險場強度.因篇幅有限,僅取(17, 26)單元周圍1km各單元風險場強度矩陣為例示之,如下.

2.2 環(huán)境風險受體易損性計算

同2.1.1,得到整個區(qū)域環(huán)境風險受體易損性指數矩陣(式(10)),此時矩陣內各單元的環(huán)境風險受體易損性指數為0.

在環(huán)境風險評價中,很少全面考慮和定量分析受體易損性.區(qū)域尺度的環(huán)境風險受體易損性差異明顯,暴露于環(huán)境風險場時后果各異,風險管理也顯著不同.因此,合理量化環(huán)境風險受體易損性意義重大.由于暴露受體的敏感性越強,易損性就越大;而適應力越強,則易損性越低[10],那么環(huán)境風險受體易損性計算模型可表示為

式中:V、S和A分別為風險受體易損性指數、敏感性指數和適應力指數.

表4　S和A量化和計算模型Table 4　S, A quantification and calculation model

根據表4,通過式(3) (受體做靜態(tài)處理時, Px,yj=0或1)分別計算區(qū)域各單元環(huán)境風險受體易損性指數,下面是(17, 26)單元周圍1km各單元環(huán)境風險受體易損性指數矩陣.

2.3 環(huán)境風險值計算

根據式(6),計算區(qū)域各單元的環(huán)境風險值,并通過去余取整的方法得到區(qū)域環(huán)境風險值矩陣,(17, 26)單元周圍1km各單元環(huán)境風險值矩陣如下.

應用ArcGIS進行可視化處理,繪制環(huán)境風險地圖(圖1).

根據園區(qū)環(huán)境風險值計算和圖1表征結果,區(qū)域環(huán)境風險水平也可以劃分為5個等級水平:極高(R≥7)、高(R=6)、中(R=5)、低(R=4)、極低(R≤3).

圖1　南京化工園區(qū)及周邊環(huán)境風險地圖Fig.1　Environmental risk map for Nanjing Chemical Industry Park and the surrounding

3　環(huán)境風險管理

依據行政區(qū)進行環(huán)境風險管理是一種有效的手段[6-7,9,12].根據式(12)計算南京化工園區(qū)及周邊行政區(qū)的環(huán)境風險值(四舍五入),并進行環(huán)境風險分級,同時通過分析環(huán)境風險源和受體分布確定行政區(qū)的顯著風險類型,見表5.

式中:n0、n1、n2、…為行政區(qū)內各單元相同風險值的數量.

大廠街道、葛塘街道為高風險地區(qū).該地區(qū)分布大量居民區(qū),人口密集,有馬汊河-長江生態(tài)公益林二級管控區(qū),且位于化工園區(qū)盛行風向的下風向.應做好環(huán)境應急人員與隊伍建設,制定詳細的人員疏散方案和救援工作,完善應急監(jiān)測及預警決策指揮等.

評價區(qū)域環(huán)境風險源主要位于長蘆街道,該地區(qū)多個環(huán)境風險源瀕臨長江,一旦有毒有害物質流入長江,極易對下游飲用水水源地、生態(tài)濕地造成破壞性影響,因此,要做好各環(huán)境風險源的風險評價,優(yōu)化產業(yè)布局,并制定有針對性的應急預案,防止火災、爆炸、泄漏等事故及可能引起的次生、衍生環(huán)境污染及人員傷亡事故(有毒有害氣體擴散,消防水、物料泄漏物及反應生成物,從雨水排口、清凈下水排口、污水排口、廠門或圍墻排出,污染生態(tài)環(huán)境等).

表5　南京化工園區(qū)及周邊行政區(qū)的環(huán)境風險值Table 5　Environmental risk values for districts of Nanjing Chemical Industry Park and the surrounding

其他街道緊鄰化工園區(qū),人口密集、生態(tài)環(huán)境敏感,應根據區(qū)域環(huán)境風險評價結果優(yōu)化城市規(guī)劃與土地利用規(guī)劃,制定突發(fā)環(huán)境事件應急預案,預防為主,完善環(huán)境風險管理體系.

4　結語

在工業(yè)園區(qū)規(guī)劃建設如火如荼發(fā)展的今天,開展區(qū)域突發(fā)性環(huán)境風險評價方法研究是具有現實意義的.本文根據風險場理論分析描述風險場的形成及其對風險受體的損害機制.結合實例將研究區(qū)域網格化,進行環(huán)境風險源識別,運用集對分析等方法構建環(huán)境風險場強度、環(huán)境風險受體易損性指數和環(huán)境風險值計算模型,繼而確定了區(qū)域環(huán)境風險水平分布.研究表明,風險場理論運用于區(qū)域環(huán)境風險評價是可行的,其量化后的計算結果與園區(qū)現狀具有較好的一致性.根據結果判定園區(qū)及周邊宜采取分類、分級環(huán)境風險管理策略.

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XING Yong-jian1, WANG Xu1*, KE Xin2, WU Tian-hui1, TENG Wen-chao2(1.School of Safety Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China；2.College of Energy and Environment, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China). China Environmental Science, 2016,36(4)：1268～1274

Abstract：In large geographic area, multiple sources release multiple stressors and affect multiple habits and endpoints. The diversity and complexity of the interaction between sources, stressors and habits is one of the challenges of Regional Environmental Risk Assessment (RERA) for large geographic areas. Meanwhile, the existed assessment methods do not pay enough attention on the release rules of risk factors, the distribution patterns of risk factors in space, and the path and the degree of the damage on receptors caused by risk factors. The theory of Risk Field (RF) was applied to analyze the generation mechanism of risk field and the influence mechanism on risk receptors. The environmental risk of Nanjing Chemical Industry Park was investigated as the example. At first, the environmental risk sources were identified. Then, methods, like Set Pair Analysis, were used to construct environmental risk field of various risk sources. After analyzing the environmental risk receptors in the risk field, the distribution of regional environmental risk level could be obtained. The densely populated areas or ecologically sensitive areas located around the risk sources or the river downstream had higher environmental risk level (environmental risk value R≥6), which was in good agreement with the actual situation. This paper suggested establishing the prevention-oriented environmental risk management system based on the classification results of the environmental risks.

Key words：risk field；regional environmental risk；risk assessment；risk receptor；Set Pair Analysis

作者簡介：邢永健(1989-),男,江蘇徐州人,碩士研究生,主要從事系統(tǒng)安全理論與應用、環(huán)境風險評價與管理研究.

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07202-004-02)

收稿日期：2015-07-07

中圖分類號：X820.4

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)04-1268-07