基于網(wǎng)格化方法的突發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

馬 寧, 賀金鑫, 郝麗榮

(1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 長(zhǎng)春130061; 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 發(fā)展研究中心, 北京100037)

0 引 言

突發(fā)環(huán)境是指一定時(shí)域/ 區(qū)域內(nèi)自然景觀及社會(huì)設(shè)施發(fā)生突然性改變的一種生態(tài)效應(yīng)。 當(dāng)前隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí), 環(huán)境問(wèn)題始終伴隨其中, 風(fēng)險(xiǎn)源不斷積累, 重大環(huán)境事件頻發(fā)[1], 伴隨著資源環(huán)境承載力的不足, 一旦發(fā)生環(huán)境事件即造成社會(huì)的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失、 景觀破壞和人員傷害等。 突發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事件, 波及范圍大, 事件復(fù)雜[2-3]。 如2005 年吉林化工爆炸導(dǎo)致松花江水污染;2012 年河北克爾化工硝酸胍爆炸; 2015 年天津?yàn)I海新區(qū)爆炸事故等。 目前區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是以環(huán)境污染物質(zhì)短期或長(zhǎng)期對(duì)人類(lèi)健康的影響為主[4-5], 國(guó)內(nèi)對(duì)該領(lǐng)域研究相對(duì)較少, 給出一種科學(xué)合理的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法是必要的, 且從區(qū)域評(píng)估分析進(jìn)而防控環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事件已成為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控的當(dāng)務(wù)之急。許多學(xué)者將多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法[6-7]、 數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法[8]、 模型計(jì)算法[9-11]和區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[12-14]和網(wǎng)格指標(biāo)法[15]等運(yùn)用到區(qū)域突發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事件的分析中。

研究區(qū)位于東部山區(qū)與西部平原的過(guò)渡地帶, 西北地區(qū)地勢(shì)平坦, 東南地區(qū)地勢(shì)高低起伏[15]。 該區(qū)域地處松花江上游, 為全年不凍江段, 且是城市主要環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)集中區(qū)域, 選用此區(qū)域開(kāi)展突發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有較好代表性和較高的參考價(jià)值。 筆者參照《行政區(qū)域突發(fā)環(huán)境事件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估推薦方法》構(gòu)建研究區(qū)網(wǎng)格化環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算法作為分析方法, 結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)源規(guī)模、 受體脆弱性和風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急三方面開(kāi)展環(huán)境分析研究[15]。

1 突發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析方法

1.1 劃分評(píng)估單元

筆者的研究區(qū)域面積較小, 根據(jù)其實(shí)際地形情況, 為獲得較高精度的評(píng)估結(jié)果, 將區(qū)域地理網(wǎng)格作為劃定環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元的方法[16], 網(wǎng)格法是基于環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)理論, 根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)源的強(qiáng)度、 風(fēng)險(xiǎn)受體與風(fēng)險(xiǎn)源之間的空間關(guān)系, 在計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格風(fēng)險(xiǎn)值的基礎(chǔ)上, 通過(guò)分析、 差值和匯總分析獲得區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)情況[17-18]。 基于研究區(qū)行政區(qū)劃圖, 運(yùn)用ArcGIS 軟件,將研究區(qū)劃分為140 個(gè)邊長(zhǎng)為1 km×1 km 的正方形區(qū)域, 并將每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行編號(hào), 如圖1 所示。

圖1 劃分環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元Fig.1 Division of environmental risk assessment units

1.2 構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng), 即包含風(fēng)險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)受體[19], 區(qū)域內(nèi)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素并存且相互影響, 風(fēng)險(xiǎn)源釋放出環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因子, 迅速擴(kuò)散后作用于人類(lèi)、 生態(tài)系統(tǒng)等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體, 造成人體健康、 環(huán)境和財(cái)產(chǎn)等損害[20]。 針對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估, 結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情形, 依照《推薦方法》中網(wǎng)格化環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析, 把調(diào)查評(píng)估數(shù)據(jù)和區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)特征作為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值的評(píng)估指標(biāo)。 因此, 構(gòu)建良好的評(píng)估指標(biāo)體系, 需要遵循系統(tǒng)性、 主導(dǎo)性、 穩(wěn)固性、 多重性及現(xiàn)實(shí)性原則[17,21]。

筆者圍繞網(wǎng)格環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)強(qiáng)度、 風(fēng)險(xiǎn)受體易損性構(gòu)建研究區(qū)網(wǎng)格化突發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。 如表1 所示, 在準(zhǔn)則層中, 運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)表征網(wǎng)格環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)強(qiáng)度, 具體包括區(qū)域內(nèi)某一網(wǎng)格與風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)的關(guān)系、 某一網(wǎng)格中出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的概率、 風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)最大存在量與臨界量比值和風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)數(shù)量。風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)數(shù)量、 等級(jí)與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值成正相關(guān)。 網(wǎng)格環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體易損性則與網(wǎng)格內(nèi)的人口數(shù)量有關(guān)。

表1 網(wǎng)格化環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系Tab.1 Parameters of gridded environment assessment system

2 突發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 識(shí)別環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源與風(fēng)險(xiǎn)受體

根據(jù)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院提供調(diào)查數(shù)據(jù), 共統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)重點(diǎn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)150 家, 如圖2 所示。并根據(jù)其主要的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)劃分出重大、 較大、 一般3 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí), 其中加油站7 家, 危險(xiǎn)廢物經(jīng)營(yíng)單位3 家, 涉及風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)運(yùn)輸企業(yè)4 家, 集中式污水處理廠1 家。 根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)地理坐標(biāo)顯示, 風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)主要分布于研究區(qū)中部和東部, 南部以零星式分布, 少量靠近松花江, 如圖2 所示。

一般來(lái)說(shuō), 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體主要有人類(lèi)聚集區(qū)、 生態(tài)保護(hù)區(qū)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)區(qū)[22]。 根據(jù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)因素、 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體的評(píng)估模式和典型突發(fā)環(huán)境事件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模式等, 筆者以人口聚集區(qū)為主, 對(duì)該研究區(qū)進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體識(shí)別, 主要將其分為5 類(lèi), 如表2 所示。 根據(jù)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體地理坐標(biāo)顯示(見(jiàn)圖3),環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體的分布較為分散, 主要分布在研究區(qū)的南部和西部, 這與研究區(qū)的地形和村莊發(fā)展有關(guān)。

表2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體統(tǒng)計(jì)Tab.2 Environmental risk receptor statistics

圖2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源分布圖Fig.2 Environmental risk source distribution map

圖3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體分布圖Fig.3 Environmental risk receptor distribution map

2.2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與表征

經(jīng)網(wǎng)格化研究區(qū)及識(shí)別統(tǒng)計(jì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)受體后, 進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算。 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)強(qiáng)度與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的釋放量及危害性和風(fēng)險(xiǎn)源的距離有關(guān), 可視為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)最大存在量與臨界量的比值、 計(jì)算點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)源距離的函數(shù)[23]。 結(jié)合《推薦方法》和研究區(qū)實(shí)際情況構(gòu)建網(wǎng)格環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)強(qiáng)度與網(wǎng)格環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體易損性的計(jì)算公式, 則有

其中k、j分別為差異系數(shù)、 對(duì)立系數(shù), 在地勢(shì)較為平坦地區(qū)取k1=0.5、k2=-0.5、j=-1;S1、S2、S3、S4分別取1 km、3 km、5 km、10 km。

由于各個(gè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不同和計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值差異較大, 因此需要標(biāo)準(zhǔn)化處理規(guī)范數(shù)值的區(qū)間, 計(jì)算公式如下

統(tǒng)計(jì)各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)人口數(shù)量, 根據(jù)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體易損計(jì)算模型, 計(jì)算受體的易損性, 計(jì)算公式如下

其中pmax為網(wǎng)格內(nèi)最大人口數(shù)量,pmin為網(wǎng)格內(nèi)最小人口數(shù)量。

將標(biāo)準(zhǔn)化后的網(wǎng)格環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值和網(wǎng)格環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體易損性數(shù)值代入環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型, 對(duì)每個(gè)單元網(wǎng)格進(jìn)行量化, 最終求得環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

通過(guò)三分法將所得的大氣環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值劃分為3 個(gè)區(qū)間, 分別記作高、 中、 低3 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。 運(yùn)用ArcGIS 中插值算法, 從而形成研究區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)地圖(見(jiàn)圖4)。

2.3 結(jié)果分析

圖4 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估圖Fig.4 Environmental risk assessment chart

結(jié)合研究區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估圖, 將環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)域進(jìn)行標(biāo)號(hào), “1、2” 號(hào)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域處在研究區(qū)東部且靠近河流處。 該地由于集中分布較多的高風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)如化工企業(yè)、 制藥廠等且人口聚集度高。 另外 “3、4”號(hào)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域處于研究區(qū)中部地帶, 該區(qū)域存在較多風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)或人口較為集中。 其中, “1、2” 號(hào)高風(fēng)險(xiǎn)值區(qū)域靠近河流, 研究區(qū)內(nèi)的河流處于整個(gè)江段的上游且為不凍江段, 一旦發(fā)生突發(fā)環(huán)境災(zāi)害, 會(huì)對(duì)該區(qū)域甚至整體下游造成污染。 突發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事件具有不確定性, 若沒(méi)有做好防范措施, 必定會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。 因此, 為防患于未然, 需要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)的監(jiān)管, 例如根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí), 對(duì)重點(diǎn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理, 進(jìn)而降低突發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 有效降低環(huán)境破壞、 經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害; 以及建立突發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急措施, 完善應(yīng)急處置程序。

3 結(jié) 語(yǔ)

筆者運(yùn)用網(wǎng)格化計(jì)算法構(gòu)建環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型, 制作環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)地圖。 結(jié)果表明, 部分高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域集中在研究區(qū)東部并且靠近河流。 充分調(diào)查周邊環(huán)境與人口規(guī)模以及整體地形特征與氣候環(huán)境后, 提出了具有針對(duì)性、 有效合理的城市環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控和應(yīng)急救援的理論建議。 對(duì)于典型突發(fā)環(huán)境分析而言,該區(qū)域只是作為試點(diǎn)開(kāi)展研究, 因此獲取的數(shù)據(jù)量較少。 但這種方法可以擴(kuò)展到風(fēng)險(xiǎn)較大的企業(yè)和風(fēng)險(xiǎn)較大的省份或省會(huì)城市, 以提供必要的城市環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析。