港口船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險分級評估研究

崔 萍，劉桂云*，陳周濱，唐連生

(1.寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，寧波 315832；2.寧波大學(xué)東海戰(zhàn)略研究院海洋經(jīng)濟(jì)研究中心，寧波 315211；3.寧波工程學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，寧波 315211)

近年來，隨著我國航運(yùn)需求持續(xù)旺盛，市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，帶來巨大經(jīng)濟(jì)利益，但是船舶航行和作業(yè)過程中可能發(fā)生的污染事故卻使人類賴以生存的海洋環(huán)境資源面臨風(fēng)險。港口船舶污染海洋環(huán)境主要分為兩種類型，第一種是日常營運(yùn)過程中產(chǎn)生的船舶廢棄物污染即操作性污染，第二種是裝卸作業(yè)過程中發(fā)生事故而產(chǎn)生的污染即事故性污染[1]。污染事故一旦發(fā)生，可能會在短時間內(nèi)向局部水域排入大量污染物，對周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大破壞。船舶污染的主要特點(diǎn)有不確定性、復(fù)雜性、可傳遞性等[2]，因此，從環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益等方面來看，只有對船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行評價，才能對風(fēng)險進(jìn)行有效控制。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者對船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險評估進(jìn)行了相關(guān)研究。AMIR-HEIDARI等[3]提出了一種對于溢油事故風(fēng)險的空間分布和不確定性進(jìn)行評估的最新模型，在波羅的海入口區(qū)域的Kattegat進(jìn)行了實(shí)例研究。GUO 等[4]提出的統(tǒng)計(jì)模型考慮了溢油事故的再發(fā)頻率及海洋區(qū)域和海岸線暴露在溢油下的時間，模擬了渤海20個油田的各種溢油情景，并繪制了渤海溢油風(fēng)險圖。ZHOU等[5]提出的溢油事故環(huán)境風(fēng)險評估方法綜合考慮了溢油事故污染范圍，程度以及環(huán)境敏感資源的影響，對不同種類的溢油進(jìn)行了軌跡模擬，提高了風(fēng)險管理水平。DEVANNEY等[6]用貝葉斯分析對溢油統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了溢油事故發(fā)生次數(shù)、發(fā)生規(guī)模等概率特征的初步研究。MOKHTARI K等[7]釆用蝴蝶結(jié)風(fēng)險管理研究方法，對港口和近海裝卸站的污染風(fēng)險因素進(jìn)行了研究。何進(jìn)朝等[8]通過對危險源和環(huán)境因素兩個方面分別進(jìn)行河流突發(fā)性污染事故風(fēng)險評價，得到新的危險源評價方法和環(huán)境因素定性評價方法。李青云[9]根據(jù)長江航道整治工程特性建立風(fēng)險分析指標(biāo)體系，引入層次分析法將數(shù)據(jù)量化，根據(jù)量化的綜合分析結(jié)果制定有針對性的預(yù)防及應(yīng)急措施，并通過實(shí)例對指標(biāo)體系及分析方法的實(shí)用性進(jìn)行探討。朱家毅等[10]運(yùn)用云制造服務(wù)可信評價模型，構(gòu)建了科學(xué)合理的應(yīng)急能力評價指標(biāo)體系，為船舶污染事故應(yīng)急能力評價和建設(shè)奠定基礎(chǔ)。苗佳靜[11]利用層次分析法，運(yùn)用三級模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型對秦皇島海域進(jìn)行了溢油風(fēng)險區(qū)劃。周鴻鑄等[12]對目前船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)進(jìn)行了分析探討，結(jié)合水上污染事故風(fēng)險的特點(diǎn)，提出了利用FN曲線來確定水上污染事故可接受標(biāo)準(zhǔn)的方法，并選擇合適ALARP邊界的確定方法。王慈云等[13]基于船舶污染事故應(yīng)急特征，構(gòu)建了業(yè)務(wù)要素、保障協(xié)同要素、基礎(chǔ)要素與應(yīng)急聯(lián)動效益之間關(guān)系的結(jié)構(gòu)方程模型，從影響作用大小和關(guān)聯(lián)度大小分別對其進(jìn)行排序。目前在對船舶污染風(fēng)險研究中，分級研究較缺乏，一些成果主要是對生產(chǎn)安全風(fēng)險分級。羅云[14]教授提出了以風(fēng)險理論作為基本理論，對企業(yè)的設(shè)備風(fēng)險進(jìn)行分類分級管理。劉占乾[15]利用可靠性原理、事故樹分析等對天津港石化碼頭的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行了研究，對隱患劃分了等級。王陽[16]對金屬礦山作業(yè)場所職業(yè)危害風(fēng)險進(jìn)行分級研究。

總體而言，盡管國內(nèi)外對船舶污染問題非常重視，船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險問題依舊存在。目前對船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險評估的研究較多，而對風(fēng)險分級細(xì)化的評估研究較少。對船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行有效評估分級，根據(jù)細(xì)化風(fēng)險等級確定風(fēng)險管控的優(yōu)先順序和措施，進(jìn)而提高污染風(fēng)險防控能力和效率。本文在綜合分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險評價體系和等級評估模型，根據(jù)評估結(jié)果可以細(xì)化風(fēng)險防范措施，并進(jìn)一步提高污染事故的應(yīng)急能力。

1 船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)體系

1.1 構(gòu)建原則

要使構(gòu)建的評價指標(biāo)體系合理科學(xué)，必須遵循一定的原則。系統(tǒng)性原則是指能夠運(yùn)用系統(tǒng)工程的相關(guān)或關(guān)聯(lián)性理論分析，并且上下層能夠保持一致性和整體性；可操作性原則要求設(shè)計(jì)指標(biāo)時概念清晰，能夠考慮結(jié)合目前的科技和現(xiàn)狀收集意見和采集數(shù)據(jù)；為了科學(xué)合理地對事物進(jìn)行預(yù)測和評價，需要遵循定性與定量相結(jié)合的原則，在定性基礎(chǔ)上進(jìn)行量化處理。對港口船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行評價不是片面的工作，既要考慮到水文氣象因素、碼頭、航道、安全因素、人員及管理因素，又要對船舶的船況、船齡以及運(yùn)載貨物的種類、數(shù)量和性質(zhì)等進(jìn)行考量。所以，必須建立一個多層次、多因素、且層級之間緊密銜接的評價指標(biāo)體系，才能對港口船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)有效評價。

1.2 初始評價指標(biāo)體系

根據(jù)船舶污染事故的產(chǎn)生原因及風(fēng)險特征，基于以上原則，建立了船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險評價初始指標(biāo)體系。評價初始指標(biāo)體系框架共包含一個總目標(biāo)層、5個準(zhǔn)則層、15個評價方向，如圖1所示。其中：框架第一層為目標(biāo)層，明確了該評價指標(biāo)體系的總評價目標(biāo)；框架第二層為準(zhǔn)則層，涉及船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險的人員、技術(shù)工程、環(huán)境、管理、應(yīng)急5個維度；框架第三層為子準(zhǔn)則層即評價方向，反映了船舶污染風(fēng)險的重點(diǎn)評價方向。每個評價方向下又有若干指標(biāo)層，由于篇幅有限，這里對指標(biāo)層進(jìn)行省略。

圖1 船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險評價初始指標(biāo)體系Fig.1 Initial evaluation index system of marine environment pollution risk from ships

1.3 指標(biāo)篩選

為了確保評價指標(biāo)的典型性、有效性，本文采用進(jìn)化法與德爾菲專家咨詢法相結(jié)合對指標(biāo)進(jìn)行篩選，該方法通過計(jì)算專家專業(yè)度、信息熵?cái)?shù)據(jù)的有效度，綜合得出指標(biāo)重要度,進(jìn)而篩選出關(guān)鍵指標(biāo)。該方法中增加了對專家集合理性的思考和指標(biāo)有效性的確定。此方法共包括四個階段，具體實(shí)施步驟如下。

(1)獲取專家意見。

初步建立指標(biāo)庫，設(shè)計(jì)指標(biāo)篩選問卷邀請專家填寫問卷并對專家的評語進(jìn)行量化。

(1)

式中：n為指標(biāo)個數(shù)；m為專家個數(shù)；bfg表示專家g對指標(biāo)f量化的評價值，且每個指標(biāo)評價值均在[0，1]，f∈(1～n)，g∈(1～m)。

(2)基于歐氏距離的專家可信度計(jì)算。

由于專家的專業(yè)知識、行業(yè)背景存在差異性，因此評價可能存在一定差異。用專家評價值和期望值之間的歐氏距離作為評價專家專業(yè)程度標(biāo)準(zhǔn)。專家評價期望值yf見式(2)。

(2)

定義專家間的各評價指標(biāo)評價值與期望值之間的歐氏距離df為

(3)

定義專家的專業(yè)度μg為

(4)

將專家的專業(yè)度作為專家在指標(biāo)評價中的權(quán)重，即ωg=μg。通過設(shè)置一個專家專業(yè)臨界值，對低于臨界值的專家進(jìn)行刪減，得到篩選后的專家集。

(3)基于信息熵評價指標(biāo)有效度計(jì)算。

得到的信息熵越大，說明該指標(biāo)的可信程度越高。因此，可用其來反映指標(biāo)的離散程度，指標(biāo)f評價數(shù)據(jù)的信息熵Hf為

(5)

對Hf進(jìn)行歸一化處理，對指標(biāo)專家評價有效度系數(shù)εf進(jìn)行計(jì)算

(6)

式(5)～(6)中：Xfg為對評價數(shù)據(jù)集每個指標(biāo)的評價值進(jìn)行規(guī)范化處理。Xfg越接近相等，則熵值越大；當(dāng)Hmax=lnm時，代表熵值最大的取值滿足0≤εf≤1。因此，專家集對指標(biāo)的評價越接近，指標(biāo)評價有效度越大。

(4)基于綜合考量的指標(biāo)重要度系數(shù)計(jì)算。

把經(jīng)過篩選后的專家數(shù)據(jù)與指標(biāo)的有效度系數(shù)相結(jié)合，對每個指標(biāo)的重要度進(jìn)行評價，見式(7)。

(7)

式中：l為篩選后的專家數(shù)；σf為每個指標(biāo)的綜合評價值，設(shè)置指標(biāo)選取臨界值λ，如果σf<λ，則表示專家對該指標(biāo)認(rèn)同性較差，可以對該指標(biāo)進(jìn)行刪減。對約減后指標(biāo)集，進(jìn)行下一輪評價，循環(huán)步驟，直到所有指標(biāo)都滿足重要度要求，即得到相對較專業(yè)的指標(biāo)集。

本文通過以上方式對評價初始指標(biāo)進(jìn)行篩選，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，最終得到船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)體系，最終的指標(biāo)體系由5個準(zhǔn)則層、15個子準(zhǔn)則層、37個指標(biāo)層構(gòu)成，具體指標(biāo)見表5的準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層內(nèi)容。

2 船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險分級模型

2.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

本文在權(quán)重計(jì)算上采用云模型改進(jìn)的層次分析法。云模型是李德毅院士于20世紀(jì)90年代提出的一種定性與定量相互轉(zhuǎn)換模型[17]。云模型理論經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)逐漸成熟化，并且在多個研究領(lǐng)域應(yīng)用較好。通過云模型對層次分析法進(jìn)行改進(jìn)，來計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，不僅能體現(xiàn)專家的模糊性，使判斷結(jié)果更接近客觀實(shí)際，還能快速綜合多位專家的判斷決策進(jìn)行整體決策。

本算法中用云模型標(biāo)度分別代替?zhèn)鹘y(tǒng)AHP比較矩陣中1～9的標(biāo)度。設(shè)云模型的論域U為[1,9]，各云模型的期望值為：Ex1=1，Ex2=2，…Ex9=9，通過黃金分割法，來計(jì)算各個云模型的En和He。其中，各云模型的熵為：En1=En3=En5=En7=En9=0.382，En2=En4=En6=En8=0.618；各云模型的超熵為He1=He3=He5=He7=He9=0.038 2，He2=He4=He6=He8=0.061 8。用云模型標(biāo)度替換原有整數(shù)標(biāo)度，形成新的云模型標(biāo)度表，見表1、表2。

表1 層次分析法的云模型標(biāo)度Tab.1 Cloud model scaling in analytic hierarchy process

表2 倒數(shù)對應(yīng)的云模型標(biāo)度Tab.2 Reciprocal cloud model scale

(8)

式中：aij的值表示兩兩重要度判斷比較中指標(biāo)i比指標(biāo)j重要的程度。相反，aji的值則表示指標(biāo)j比指標(biāo)i重要的程度，兩者互為倒數(shù)。

aij=C(Exij，Enij，Heij)

(9)

(10)

邀請10位專家根據(jù)影響船舶污染海洋環(huán)境因素和后果等進(jìn)行指標(biāo)重要性判斷，為了方便計(jì)算，假設(shè)10位專家具有相同的權(quán)重。將判斷結(jié)果用云模型綜合算法合并為云模型綜合判斷矩陣EallCloud(A-B)，此處的A-B表示B層指標(biāo)相對于A層指標(biāo)兩兩重要度比較。表2是通過式(8)、式(9)、式(10)計(jì)算得到的倒數(shù)對應(yīng)云標(biāo)度。

式(11)是構(gòu)造云模型綜合判斷矩陣所用到的云模型標(biāo)度兩兩重要度判斷矩陣。

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

將計(jì)算出來的重要度向量按式(15)進(jìn)行歸一化得到標(biāo)準(zhǔn)的重要度向量Wi，并根據(jù)式(16)、式(17)對云模型的期望進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，也可用此方法對熵和超熵進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，但一般對熵和超熵不做檢驗(yàn)要求

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

表3 人員因素綜合云模型權(quán)重向量Tab.3 Human factor integrated cloud model weight vector

通過此方法，計(jì)算得到各個指標(biāo)要素在整個風(fēng)險體系中綜合的云模型權(quán)重向量。表3、表4是準(zhǔn)則層中人員因素和技術(shù)工程因素的綜合云模型權(quán)重向量，表格中的A表示目標(biāo)層，Bi表示準(zhǔn)則層指標(biāo)，Ci表示子準(zhǔn)則層指標(biāo)，Dij表示指標(biāo)層。

確定了云模型的期望、熵和超熵這3個數(shù)字特征后，其相應(yīng)的隸屬云模型也就確定了[18]。此中，期望是中心值的量化評價，表示風(fēng)險因素預(yù)期重要度，熵表示隸屬度相對于重要度的離散程度，超熵表示隸屬度的真實(shí)情況偏離預(yù)期程度。對En和He計(jì)算，是將評價語言的隨機(jī)性和模糊性也進(jìn)行計(jì)算，增強(qiáng)評價客觀性。當(dāng)指標(biāo)期望值相同時，可對其熵和超熵值進(jìn)行比較，熵和超熵越小，表示離散程度和偏離預(yù)期的程度越小，即評價結(jié)果越集中。因此，本文將權(quán)重向量云的期望值作為船舶污染風(fēng)險評價體系各元素的權(quán)重值，準(zhǔn)則層其余因素的綜合云模型權(quán)重向量計(jì)算省略，具體結(jié)果見表5。

表4 技術(shù)工程因素綜合云模型權(quán)重向量Tab.4 Technical engineering factors integrated cloud model weight vector

表5 船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)體系權(quán)重Tab.5 Weight of risk assessment index system for marine environment pollution by ships

2.2 云模型風(fēng)險等級評估

表6 風(fēng)險等級劃分Tab.6 Risk grade division

將風(fēng)險值賦予100分，并平均劃分為5級，用云模型描述每個評估指標(biāo)的評語集，對每個評語集用一維正態(tài)云描述，見表6。將評語集取值區(qū)間劃分為5個子區(qū)間，對應(yīng)的評語集為(輕微、低、中等、較高、高)，每個評價指標(biāo)云模型的數(shù)字特征SC(Exi，Eni，Hei)(i=1，2，…5)可以根據(jù)式(21)、式(22)、式(23)，由每個區(qū)間的上下限值計(jì)算，邊界參數(shù)用升、降半正態(tài)云描述。

(21)

(22)

Hei=k

(23)

式中：k為常數(shù)，可以根據(jù)評語集模糊程度調(diào)整，本文中設(shè)k為0.5。根據(jù)式(21)、式(22)、式(23)計(jì)算得出對應(yīng)于每個評估等級云模型的數(shù)字特征是：RC輕微(0，6.67，0.5)；RC低(30，3.33，0.5)；RC中等(50，3.33，0.5)；RC較高(70，3.33，0.5)；RC高(100，6.67，0.5)，由此生成的云圖為標(biāo)準(zhǔn)云圖。通常稱下級指標(biāo)的云模型為其上級指標(biāo)的基云，上級指標(biāo)可以由其基云綜合而成[19]。用式(24)所示的浮動云算法和式(25)的綜合云算法對準(zhǔn)則層和子準(zhǔn)則層指標(biāo)進(jìn)行綜合，最終可得基于目標(biāo)層綜合評估結(jié)果。式(24)、式(25)中，wi為每個單項(xiàng)因素的權(quán)重，n為單項(xiàng)因素的個數(shù)。通過將各評價指標(biāo)的實(shí)際云圖與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云圖進(jìn)行比較，得到最終評價結(jié)果。

(24)

(25)

3 案例分析

為了驗(yàn)證此風(fēng)險分級方法的適用性，本文選取M碼頭作為實(shí)例分析，對其進(jìn)行風(fēng)險分級評估。據(jù)調(diào)查分析，該碼頭處于亞熱帶海洋性氣候，四季分明、氣候溫和濕潤、雨量充沛、冬季風(fēng)速較大，夏季風(fēng)速較小。碼頭水域潮流以往復(fù)流為主，碼頭附近島嶼眾多，受島嶼屏障保護(hù)作用，波浪較小，對船舶航行影響不大。碼頭海域敏感資源有漁業(yè)資源、省級海洋生態(tài)保護(hù)區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)和多個國家級AAAA、AA風(fēng)景旅游區(qū)。碼頭進(jìn)港航道復(fù)雜，沿線通航密度大、大型船舶多、船舶會遇敏感點(diǎn)多，再加上該航道有航路隨機(jī)的漁船，一定程度上船舶碰撞風(fēng)險較大。碼頭附近有多座錨地，地形平坦，水域開闊且避風(fēng)條件好。碼頭靠泊船型主要是集裝箱船和滾裝船，事故污染主要是燃油泄漏。進(jìn)出碼頭的船舶燃油大多數(shù)屬于持久性油類，不易發(fā)揮，如果泄漏到碼頭水域較難清除，會造成較嚴(yán)重的后果。碼頭企業(yè)管理制度、操作規(guī)程健全，防污染管理體系有針對性，并且不同層級間工作人員進(jìn)行了相關(guān)的專業(yè)培訓(xùn)，效果較好。碼頭已建立應(yīng)急隊(duì)伍，應(yīng)急演練安排較多，相應(yīng)的應(yīng)急設(shè)施配備較全，應(yīng)急體系機(jī)制也比較完善。設(shè)施設(shè)備等全部設(shè)置在碼頭附近，事故發(fā)生后，設(shè)備調(diào)用時間短，反應(yīng)迅速，能控制在5 min內(nèi)。

圖2 M碼頭風(fēng)險等級評估與標(biāo)準(zhǔn)云對比Fig.2 Comparison between M terminal risk level assessment and standard cloud

根據(jù)該碼頭的實(shí)際情況進(jìn)行分析，得到評估云模型，通過式(24)、式(25)計(jì)算，最終得到該碼頭的目標(biāo)層云模型數(shù)字特征為(28.98，19.62，0.5)，將結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)云圖對比，運(yùn)用Matlab仿真出該碼頭的風(fēng)險等級云圖，見圖2。據(jù)圖2可以看出，M碼頭風(fēng)險等級評估結(jié)果：落在低風(fēng)險區(qū)域的云滴最多，其次是輕微風(fēng)險區(qū)域。因此，可知該碼頭船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險等級為低風(fēng)險等級，且程度略偏向輕微風(fēng)險。經(jīng)過分析得知，造成M碼頭風(fēng)險事故最重要因素是碼頭前沿和航道存在碰撞風(fēng)險，建議重點(diǎn)管控，例如：通過加強(qiáng)船舶靠離泊操作管理，保障船舶安全。其次，附近敏感資源眾多，碼頭前沿和航道附近發(fā)生事故時，在自然因素影響下會受到一定污染，建議不斷提高應(yīng)急能力來應(yīng)對風(fēng)險，例如：完善應(yīng)急預(yù)案、加強(qiáng)應(yīng)急隊(duì)伍演練、定期檢查和維護(hù)管理。

4 結(jié)論

對船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)的分級，能夠?yàn)楹罄m(xù)船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險分級管控體系建設(shè)提供依據(jù)，通過構(gòu)建動態(tài)、閉環(huán)、持續(xù)改進(jìn)的船舶污染風(fēng)險管理體系，科學(xué)有效地遏制污染事故發(fā)生。本文所構(gòu)建的船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)體系能為評價船舶污染風(fēng)險提供重要參考。利用云模型和層次分析法相結(jié)合來計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重并建立風(fēng)險分級評估模型，通過Matlab繪制風(fēng)險等級云圖，可以分辨出不同風(fēng)險因素的風(fēng)險性大小。根據(jù)M碼頭實(shí)例分析得知：該碼頭總體風(fēng)險等級較低，其中航道和碼頭前沿風(fēng)險性較大，其次是周邊敏感資源易受影響。因此，要想合理控制風(fēng)險，要先對風(fēng)險性大的因素進(jìn)行重點(diǎn)防控管理。通過實(shí)現(xiàn)風(fēng)險有效快速分級及風(fēng)險控制順序的可視化，可以讓相關(guān)人員清楚地了解污染風(fēng)險的危害性及危害源所在，明確防控管理的重點(diǎn)，提高船舶污染風(fēng)險管控針對性和風(fēng)險防控能力。