基于风险场的区域突发性环境风险评价方法研究

邢永健,王 旭*,可 欣,吴天辉,滕文超(.沈阳航空航天大学安全工程学院,辽宁 沈阳 036；.沈阳航空航天大学能源与环境学院,辽宁 沈阳 036)



基于风险场的区域突发性环境风险评价方法研究

邢永健1,王 旭1*,可 欣2,吴天辉1,滕文超2(1.沈阳航空航天大学安全工程学院,辽宁 沈阳 110136；2.沈阳航空航天大学能源与环境学院,辽宁 沈阳 110136)

摘要：在大尺度空间,风险源、风险受体和风险传播途径的多样性和相互作用的复杂性是区域环境风险评价的难点.同时,现有评价方法很少关注风险因子的释放规律,释放后在空间中的分布格局,以及风险受体受到损害的途径和程度.本文应用风险场理论,分析描述风险场形成和对风险受体作用的机制.结合南京化工园区实例进行环境风险源识别,采用集对分析等方法构建了各风险源产生的环境风险场,再分析处于风险场中的环境风险受体,最后得到区域环境风险水平分布,同时将其划分为5个等级.评价结果显示,位于风险源周围或河道下游的人口稠密、生态环境敏感地区环境风险值R≥6,风险水平处于极高、高等级,与园区现状具有较好的一致性.建议依据环境风险水平的分级、分类结果建立起以预防为主的环境风险管理体系.

关键词：风险场；区域环境风险；风险评价；风险受体；集对分析法

* 责任作者, 教授, wangx1960@126.com

区域风险评价(Regional Risk Assessment)是一种估计和比较环境影响在大尺度地理区域特征的方法[1],其特征表现在多源释放产生的多重压力、风险传播途径以及风险受体的多样性和相互作用的复杂性.

近年来,国内外研究对区域环境风险评价进行了多方面的探索.通过构建风险模型对环境风险后果进行分析,进而提出基于后果的环境风险评价模型,如考虑危险物质特性、环境迁移规律和环境危害特性的评价模型[2],以风险受体脆弱性与暴露的乘积表示风险后果的评价模型[3],考虑重大损失的全部重要类型来评估整体后果的评价模型[4].这些模型的实质是分析风险受体以及受损规律来评价风险源,但未能足够阐述风险源对风险受体的作用途径.

同时,对环境风险源和受体的综合评价模型以及针对环境风险受体的评价模型有了进一步的发展.贾倩等[5]构建了基于危险物质、生产工艺、设备设施、企业管理、企业布局的突发环境风险综合评价指标体系和相应的风险评价模型;Pizzol等[6]针对空间信息变化问题,提出了一种基于空间分析和相对风险的评价方法,对污染场地的风险进行大小排序,为风险管理提供依据;Chen等[7]开发了特定受体风险分布地图以更好地对污染土地管理进行情景分析; Giubilato 等[8]提出了一种在区域尺度上基于证据权重的环境化学风险源的分级方法,支持管理者识别优先环境污染物和优先管理的区域; Zabeo等[9]通过应用多目标决策分析和空间分析技术评价区域环境风险受体的脆弱性;薛鹏丽等[10]从环境风险受体敏感性和适应力两方面构建了脆弱性概念模型,建立了上海市环境污染事故风险受体综合脆弱性评价指标体系.总体而言,现有评价模型和方法很少关注风险因子如何释放,释放后在空间中的分布格局,以及风险受体如何暴露于风险因子并受到损害的程度.

本文探索应用区域环境风险系统理论中的环境风险场理论[11],并对其进行实际应用的可操作性优化,以期弥补相关研究的不足.

1　理论分析

1.1 环境风险场

风险因子在环境空间中形成某种分布格局是风险危害发生的前提,我们称这种分布格局为“环境风险场”(Environmental Risk Field, ERF).由于环境风险是一种不确定性事件,因此,环境风险场的形成也具有一定的概率.在环境风险场形成过程中,风险因子的状态、时空特性都将发生变化.

在实际的风险评价中,关注的是ERF对风险受体能产生危害的能力,即ERF的强度,这里将ERF的强度称为环境风险场强度,简称场强,用E表示.ERF中的任一处(x, y)质点的风险场强度将决定于该点处风险因子的暴露水平和这种暴露出现的概率.公式表示如下:

其中:

式中:Ex,y为(x, y)处质点的风险场强;Ex,yi为质点(x, y)处,风险因子i的风险场强;Px,yi为风险因子i出现在质点(x, y)处的概率;Cx,yj为质点(x, y)处,风险因子i的暴露水平;P′x,yi为出现在质点(x, y)处的风险因子i的释放概率;P″x,yi为控制机制失效的概率;P″′x,yi为风险因子i转运到质点(x, y)处的概率;i为质点(x, y)处可能出现的风险因子,i= 1,2,...,n.

1.2 环境风险受体

风险受体是指风险因子可能危害的人、有价值物体、自然环境及社会系统[12].风险受体易损性可以被定义为受体对风险因子的敏感性,它是风险受体固有的特性,与风险因子种类和受体本身有关[9].如果要考虑质点(x, y)处所有可能出现的风险受体,那么某种风险受体与其出现的概率必须综合考量.因此,质点(x, y)处风险受体易损性可表示为

式中:Vx,y为质点(x, y)处的风险受体易损性;Px,yj为风险受体j出现在质点(x, y)处的概率;Vx,yj为质点(x, y)处,风险受体j的易损性;j为质点(x, y)处可能出现的风险受体,j=1,2,...,k.

根据环境风险系统理论,风险场与风险源之间有着密切的因果关系,风险场中的风险因子源于风险源;而风险场与风险受体二者有相对独立性,并不相互依存.鉴于此,在具体的环境风险评价中,为了实现可操作性,我们可先假设风险受体处于匀强风险场中,这样只需根据风险受体本身的特性就可得出受体易损性.

1.3 风险计算模型

空间中质点(x,y)处的风险与该处可能出现的风险场强和风险受体易损性共同决定,计算模

型为

式中:Rx,y为质点(x, y)处的风险;Ex,yi为质点(x, y) 处,风险因子i的风险场强;Px,yj为风险受体j出现在质点(x, y)处的概率;Vx,yj为质点(x, y)处,风险受体j的易损性;i为质点(x, y)处可能出现的风险因子,i=1,2,...,n;j为质点(x, y)处可能出现的风险受体,j=1,2,...,k.

由于风险场(风险因子)与风险受体的多样性以及相互作用的复杂性,为简化计算,质点(x, y)处的风险可表示为

式中:Rx,y为质点(x, y)处的风险;Ex,y为质点(x, y)处的风险场强;Vx,y为质点(x, y)处的风险受体易损性.

综上所述,把质点(x, y)处的Ex,y和Vx,y作为Rx,y的变量,但是Ex,y和Vx,y如何计算更具科学性,目前还没有定论.刘桂友等[13]参考USEPA规定(职业人群可接受风险值为10-5～ 10-4p/a,非职业人群可接受风险值为10-7～10-6p/a),对风险值在10-8～10-3p/a进行分级.同时,为方便在风险信息矩阵中显示风险值,把指数形式的风险值转换为熟悉的小数形式.类似的,我们将二者相乘后转化为小数形式(式(6))进行表达.

2　案例分析

南京化工园区位于长江北岸,目前规划面积45km2(包括长芦片区26km2,玉带片区19km2),实际开发面积29.2km2.规划区内以岳子河为界,岳子河以西为长芦片,岳子河以东为玉带片.南京化工园区是以石油化工和合成材料、精细化工等石油深加工为主的综合性化工园,园区内及外围分布若干居民区、生态保护区,且河网密布,一旦发生突发环境事件,极易造成重大环境损失.

2.1 环境风险场的构建

2.1.1 区域网格化 区域网格化是解决区域风险评价的复杂性问题的方法之一[13-14].把评价区域的二维空间用500m等步长划分为相同大小的正方形区域,然后用一个62行65列的矩阵来表示评价区域,矩阵中的元素Ex,y代表二维空间中对应的正方形区域的环境风险场强度,通常用正方形中心点的场强来代表该区域.利用网格法的思想,可把研究区域分割形成一系列正方形区域,整个区域环境风险场强度可以用矩阵形式(式(7))表示,此时矩阵内各单元的环境风险场强度为0.

2.1.2 环境风险源识别 风险场由风险源产生,合理辨识环境风险源是构建环境风险场的前提.因研究区域范围较大,可视一家企业为一个环境风险源单元.突发性环境风险源危险性分析不是基于危害后果进行的,而是基于风险源自身的危险性进行的,突发环境风险源危险的大小与化学物质的理化性质、危险性和物质数量的多少密切相关.环境风险源中有毒有害物质在发生泄漏后会对环境和人群带来影响,但有些易燃易爆物质发生燃烧爆炸时可能引发多米诺效应和次生、衍生事故.因此,参照《企业突发环境事件风险评估指南(试行)》[15]确定环境风险源指数Q.

式中:qi为每种危险化学品实际存在量,t;Qi为与各危险化学品相对应的临界量,t.

不同的风险物质有不同的理化性质,对环境风险受体的作用机制和损害程度也不同,该方法应用归一化的思想,把不同物质的风险量度同一化.同时,环境风险物质临界量的确定遵循危害等值的原则,这为后续的风险叠加提供了可行性.

由式(8)计算得出园区各环境风险源指数.根据系统安全优先次序,也为优化评价方法,筛选风险源指数最大的前25家企业作为评价对象.表1所列是园区部分企业的环境风险源信息以及在矩阵中的位置.

表1　南京化工园区部分企业环境风险源信息Table 1　Environmental risk sources information of partial enterprises in Nanjing Chemical Industry Park

表2　南京化工园区近20年年均风频统计(%)Table 2 The average of annual wind frequency in Nanjing Chemical Industry Park in past 20years (%)

2.1.3 环境风险场强度计算 环境风险场按风险因子传播途径可分为大气环境风险场、水环境风险场和土壤环境风险场.土壤环境风险场因其时间跨度大,在研究突发性环境风险时不予考虑.

对大气环境风险因子分布可按梯形模糊关系进行简化计算[13],这为构建大气环境风险场强度计算模型提供了依据.同时,环境风险场的形成存在确定与不确定的因素,如风险因子的载体大气是确定的,但大气在事故状态下如何流动是不确定的,而且确定与不确定的演变是一个连续的、动态的过程,由于时空的变化,环境风险场在不断改变,也是一个动态的过程.因此,本文应用集对分析法[16]来构建大气环境风险场强度计算模型.评价区域地处长江三角洲,在此,假设该区域地势平坦开阔,且忽略人工建筑对气体扩散的影响.那么,区域某单元单一风险因子的暴露水平可表示为[17]

式中:Cx,y为计算点的单一风险因子的暴露水平;Q为风险源点的环境风险源指数;l为计算点与风险源点的距离;i、j分别为差异系数、对立系数,取i1=0.5、i2=-0.5、j≡-1;s1、s2、s3、s4分别取1000,3000,5000,10000m.

水环境风险因子扩散基本沿河道迁移,所影响区域仅限河道周边[13],形成的水环境风险场呈现明显的流域性特征.在有限的区域内有毒有害液体浓度仍远大于容许浓度值[13],故对水环境风险因子暴露水平做等值扩散处理.

式(2)中的P′、P″可通过历史数据统计得到,P′′′则需具体分析.《环境风险评价实用技术、方法和案例》中有关石化行业的事故概率统计为10-5/a级别[18].在研究大气环境风险场时,P′P″可取10-5/a,P′′′等于研究区域年平均风频,见表2;在研究水环境风险场时,因其较大气环境风险场难以形成,P′P″P′′′可取10-6/a.不同企业的P不尽相同,可根据《企业突发环境事件风险评估指南(试行)》中企业生产工艺过程与环境风险控制水平进行修正[15],P的修正系数见表3.因缺少各企业资料,本文未作修正.

表3　企业生产工艺与环境风险控制水平以及P的修正系数Table 3　Enterprise production process and environmental risk control levels and correction factors of P

分别计算25个风险源所形成大气、水环境风险场强度,并由式(1)得到区域各单元大气、水环境风险场强度.若某单元同时存在大气、水环境风险场,取其大者为最终环境风险场强度.因篇幅有限,仅取(17, 26)单元周围1km各单元风险场强度矩阵为例示之,如下.

2.2 环境风险受体易损性计算

同2.1.1,得到整个区域环境风险受体易损性指数矩阵(式(10)),此时矩阵内各单元的环境风险受体易损性指数为0.

在环境风险评价中,很少全面考虑和定量分析受体易损性.区域尺度的环境风险受体易损性差异明显,暴露于环境风险场时后果各异,风险管理也显著不同.因此,合理量化环境风险受体易损性意义重大.由于暴露受体的敏感性越强,易损性就越大;而适应力越强,则易损性越低[10],那么环境风险受体易损性计算模型可表示为

式中:V、S和A分别为风险受体易损性指数、敏感性指数和适应力指数.

表4　S和A量化和计算模型Table 4　S, A quantification and calculation model

根据表4,通过式(3) (受体做静态处理时, Px,yj=0或1)分别计算区域各单元环境风险受体易损性指数,下面是(17, 26)单元周围1km各单元环境风险受体易损性指数矩阵.

2.3 环境风险值计算

根据式(6),计算区域各单元的环境风险值,并通过去余取整的方法得到区域环境风险值矩阵,(17, 26)单元周围1km各单元环境风险值矩阵如下.

应用ArcGIS进行可视化处理,绘制环境风险地图(图1).

根据园区环境风险值计算和图1表征结果,区域环境风险水平也可以划分为5个等级水平:极高(R≥7)、高(R=6)、中(R=5)、低(R=4)、极低(R≤3).

图1　南京化工园区及周边环境风险地图Fig.1　Environmental risk map for Nanjing Chemical Industry Park and the surrounding

3　环境风险管理

依据行政区进行环境风险管理是一种有效的手段[6-7,9,12].根据式(12)计算南京化工园区及周边行政区的环境风险值(四舍五入),并进行环境风险分级,同时通过分析环境风险源和受体分布确定行政区的显著风险类型,见表5.

式中:n0、n1、n2、…为行政区内各单元相同风险值的数量.

大厂街道、葛塘街道为高风险地区.该地区分布大量居民区,人口密集,有马汊河-长江生态公益林二级管控区,且位于化工园区盛行风向的下风向.应做好环境应急人员与队伍建设,制定详细的人员疏散方案和救援工作,完善应急监测及预警决策指挥等.

评价区域环境风险源主要位于长芦街道,该地区多个环境风险源濒临长江,一旦有毒有害物质流入长江,极易对下游饮用水水源地、生态湿地造成破坏性影响,因此,要做好各环境风险源的风险评价,优化产业布局,并制定有针对性的应急预案,防止火灾、爆炸、泄漏等事故及可能引起的次生、衍生环境污染及人员伤亡事故(有毒有害气体扩散,消防水、物料泄漏物及反应生成物,从雨水排口、清净下水排口、污水排口、厂门或围墙排出,污染生态环境等).

表5　南京化工园区及周边行政区的环境风险值Table 5　Environmental risk values for districts of Nanjing Chemical Industry Park and the surrounding

其他街道紧邻化工园区,人口密集、生态环境敏感,应根据区域环境风险评价结果优化城市规划与土地利用规划,制定突发环境事件应急预案,预防为主,完善环境风险管理体系.

4　结语

在工业园区规划建设如火如荼发展的今天,开展区域突发性环境风险评价方法研究是具有现实意义的.本文根据风险场理论分析描述风险场的形成及其对风险受体的损害机制.结合实例将研究区域网格化,进行环境风险源识别,运用集对分析等方法构建环境风险场强度、环境风险受体易损性指数和环境风险值计算模型,继而确定了区域环境风险水平分布.研究表明,风险场理论运用于区域环境风险评价是可行的,其量化后的计算结果与园区现状具有较好的一致性.根据结果判定园区及周边宜采取分类、分级环境风险管理策略.

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Method of regional acute environmental risk assessment based on risk field.

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

作者简介：邢永健(1989-),男,江苏徐州人,硕士研究生,主要从事系统安全理论与应用、环境风险评价与管理研究.

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202-004-02)

收稿日期：2015-07-07

中图分类号：X820.4

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2016)04-1268-07