環境風險全過程評估與管理模式研究及應用

李鳳英,畢 軍,曲常勝,黃 蕾,楊 潔,3,宛文博(.南京大學環境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 20093；2.南京信息工程大學環境科學與工程學院,江蘇 南京 20044；3.蘇州科技學院,江蘇 蘇州 250)

環境風險全過程評估與管理模式研究及應用

李鳳英1,2,畢 軍1*,曲常勝1,黃 蕾1,楊 潔1,3,宛文博1(1.南京大學環境學院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 210093；2.南京信息工程大學環境科學與工程學院,江蘇 南京 210044；3.蘇州科技學院,江蘇 蘇州 215011)

基于環境風險“全過程管理”與“優先管理”的理念,提出了環境風險全過程評估與管理的概念框架和理論體系,涵蓋了風險源識別、受體易損性評估、環境風險表征、風險應急控制決策以及風險事故損失后評估等關鍵步驟.并以某化工園區企業為例,以硝基苯儲罐塌陷為初始事件,采用蝴蝶結方法進行風險源識別,得到硝基苯儲罐泄漏事件蝴蝶結,通過GIS空間分析方法揭示居民對地表水水源污染易損性的空間分異,分析結果不僅為事故安全防范與應急控制提供關鍵節點,而且有助于在日常風險管理中增強受體抗風險能力.

環境風險全過程評估；風險管理；易損性；地理信息系統(GIS)；蝴蝶結

Abstract：A procedure of whole-process environmental risk assessment and management (WERAM) was proposed for assessing accidental industrial risks, based on the conceptions of “whole-process management” and “prioritized management”. The procedure consists of risk source identification, vulnerability assessment, risk characterization, prioritization of emergency control methods and post-evaluation of losses caused by accidents. A case study was carried out in a chemical industry park in China. Firstly, a bow-tie was established for “vessel collapse” of a tank containing nitrobenzene, identifying key stones of safety management and emergency response. Secondly, geographic information system (GIS) was applied to reveal spatial heterogeneity of residents’ vulnerability to surface water source pollution. The results provide not only instructions for building up risk targets’ resistance, but also decision supports for emergency response to accidents polluting surface water source.

Key words：whole-process environmental risk assessment；risk management；vulnerability；geographic information system (GIS)；bow-tie

工業化進程帶來高速經濟發展的同時,也伴隨嚴峻的環境風險挑戰.環境風險評價是識別和評價風險活動對生態系統、人類產生不利影響的過程,通過風險評估可以識別潛在風險,從而進行風險管理決策.國內外研究表明,風險評價科學體系和風險管理的模式已基本形成[1-2].然而,新興工業化國家的環境風險事故仍然不斷發生,環境風險管理的對象、程度、關鍵控制節點等不明晰,導致風險管理行動缺乏針對性,風險管理方案實施效率不高.風險管理的潛在“節點”可能存在于環境風險事故的任何環節.因此,須對環境風險事故全過程進行管理[3].而環境風險決策和管理效率的改善,有賴于更有效的環境風險評估模式.

環境風險評估自發展以來,廣為接受的基本框架是美國科學院提出的“危害識別—劑量—響應分析—暴露評估—風險表征”四步法.隨后的致癌風險評估、致畸風險評估、暴露評估、場地風險評估等健康風險評估和生態風險評估,都是在“四步法”的基礎上進行延伸和發展的[1,4-5].這套評估程序通過科學導向性的風險分析為風險

管理提供關鍵的科學信息,但應用到環境風險事故管理決策中,仍然缺乏決策導向性的風險分析.歐盟各國在歐盟塞維索二號指令(Seveso ⅡDirective)的框架下聯合開展了“工業事故風險評估方法”(ARAMIS)項目研究,通過危害識別、安全措施評估、安全管理效率、事故情景識別、事故嚴重性和受體易損性評估,不僅滿足了風險管理不同階段和部門的決策需求,而且保障了更加透明和連貫的決策過程[6].其缺陷在于未考慮風險事故發生時如何應對和發生后如何修復與補償.Darbra等[7]基于模糊邏輯提出了工廠毒性物質事故排放風險的評估程序,該方法分為3步:物質危害表征、土壤和地下水脆弱性界定,工廠防護措施識別,并通過案例進行了驗證,但是該程序只適用于土壤和地下水污染事故,而未考慮通過空氣傳播的風險事故.國內環境風險研究缺乏一個全過程的理念和框架,本文旨在將環境風險事故整個發生、發展過程的各方面信息綜合起來,為風險全過程管理提供科學支撐.

圖1 環境風險全過程評估與管理模型Fig.1 Whole-process assessment and management of environmental risk

1 環境風險全過程評估與管理模型

基于Kasperson等[8]的風險解析理論,結合前述風險研究與管理領域存在的問題,對環境風險事故潛伏、發生和發展的動態過程進行解析,揭示各階段的因果聯系和可能存在的風險控制節點,構建環境風險全過程評估與管理體系(圖1).

該體系從事前預防、事中響應和事后修復與賠償3個方面進行風險控制,以化工行業為例,事前預防是在工業布局、選址、設計階段和日常運行過程中,通過安全規劃和管理降低風險事故發生概率和潛在后果;事中響應是通過風險預警和快速處置避免風險因子在環境中的釋放和擴散,并采取應急救援措施降低受體在風險場的暴露強度;事后修復與賠償是對事故造成的生態破壞和環境污染進行修復,并通過損害賠償減輕事故不利影響.

環境風險全過程管理采用優先管理,即按某種優先順序進行風險管理.各階段的風險評估篩選出的重點風險源、敏感風險受體、高風險區、優先實施的控制措施、重點損害對象和規模等風險控制關鍵節點,是實施環境風險“優先管理”的基石.全過程風險評估的程序包括風險源識別與評估、受體易損性評價、風險表征、風險應急多目標決策以及風險事故損失后評估.

1.1風險源識別與評估

圖2 風險源識別與評估的一般流程Fig.2 General procedure of identifying and assessing risk sources

圖3 環境風險受體易損性概念模型Fig.3 Conceptual model of human vulnerability to environmental risks

風險源識別與評估的目的是識別需進行風險管理的風險物質、設備和管理節點,并評估潛在風險事故的發生概率.國外研究通常僅通過物質類型及數量或工藝固有安全性來判斷危險源風險水平,評價方法簡單,風險源識別結果存在較大偏差[9-12].本文提出的風險源識別與評估程序包括風險物質識別、風險設備識別、風險源管理節點辨識、風險源管理有效性評估和可能的風險事故情景識別及概率評估(圖2).在風險物質和設備識別的基礎上,進行蝴蝶結分析[6],即采用故障樹和事故樹相結合的方法分析事故的前因和后果,構建可能的事故情景,識別出形成事故發生、演化的節點,也就是風險源管理的關鍵節點.

1.2風險受體易損性評估

環境風險事故情景確定之后,為明確事故影響范圍內潛在受體的可能損害和反應,需進行受體易損性分析.根據環境風險系統理論[3],以及自然災害領域的受體易損性研究[13],將“環境風險受體易損性”界定為“受體可能暴露于某一風險因子的程度,以及受體對風險的應對能力的綜合度量”.許多學者研究了人口結構、經濟水平、應急資源可獲得性等社會易損性影響因素,建立了層次分析法、專家咨詢法以及GIS空間分析方法等研究方法[13-16],可以為研究和表征環境風險受體易損性提供參考.

易損性可以從2個層面進行剖析,一是受體系統內在的物理易損性,通過環境風險評價經典“四步法”中的劑量-響應分析與暴露評估[1],確定受體受到風險因子的脅迫強度,這部分易損性決定了是否需要采取風險規避措施以保護受體,例如在規劃建設中受體只需避開對其造成不利效應的風險因子,風險事故發生時應重點針對暴露在風險場中的敏感受體采取應急救援措施;二是由受體系統外部決定的社會易損性,反映受體對風險響應能力與應急資源的不足,是加強受體抗風險能力的關鍵.本文結合上述理論構建了環境風險受體易損性概念模型(圖3).

1.3環境風險表征

風險表征的要旨在于客觀地向風險決策者及其他受眾反饋已知的科學信息,包括風險因子引起不利效應的性質、關鍵暴露參數、相關的毒理數據、受體信息、模型與數據的變化和不確定性以及其他相關信息[17].結合風險源評估與受體易損性評估結果,構建基于風險概率-后果嚴重性的風險矩陣,以表征風險大小.要有效地闡釋或總結風險信息,應對關鍵暴露參數或劑量-響應評估的內在不確定性、模型假設或者分析上的缺陷以及風險評估過程存在的其他不確定性做充分的探討.

1.4風險應急控制的多目標決策

風險評估的目的是根據可利用的信息為風險管理者提供決策支持,制定一定社會經濟條件下適宜的風險控制對策,在滿足社會、經濟、技術約束及最優化目標的前提下,應盡可能降低區域內的總體環境風險水平[3].從風險管理的需求和風險特征看,亟需發展在不確定條件下進行風險控制方案分析的決策方法,建立統一的框架處理和表征風險控制成本、效果、技術可行性等不同類型的數據.因此,應基于成本-有效、經濟技術可行等原則,建立多目標決策模型[18-19],進行科學評估和決策.

1.5風險事故損失后評估

目前環境風險管理中經常面臨事后評估法律職責不清、損失難以定量、責任認定和損失賠償難以落實等問題[20-21],需加強環境風險損害賠償的立法研究,包括污染損害賠償責任的認定,明確環境污染致財產/人體健康損害的賠償范圍,并設立我國環境損害鑒定評估機構,建立環境污染事故損害評估體系.環境風險事故損失是指環境風險事故由于破壞環境、資源和財產而對企業自身以及社會、經濟和環境帶來的損失.對風險事故損失進行科學定量的評估,可以為環境風險損害賠償提供科學信息支持.常用的損失評估方法有機會成本法、影子工程法、改進的人力資本法、資源等價分析法等[22-23].

2 案例研究

2.1研究區概況

某化學工業園區區位見圖4.園區所涉及的原料、輔料、中間產品、產品和燃料等許多物質均屬于危險性物質.居民飲用水源位于園區南端.一旦發生環境風險事故,周邊鄉鎮居民飲用水安全將受到嚴重威脅.本文選擇容器塌陷為關鍵事件,對液體危險化學物質泄漏進行蝴蝶結分析,并針對其造成的飲用水污染進行居民易損性評估.

2.2基于蝴蝶結方法的風險源識別

以液體儲罐塌陷作為初始事件,采用蝴蝶結分析法進行典型環境風險事件分析(圖5).液體儲罐塌陷是由容器內部壓力過低(低于容許壓力下限)引起的,而具體原因又有3種:溫度下降、化學反應消耗氣體與容器快速排空.故障樹的底層事件則針對上述3種原因進一步分析,得出一系列“意外事件”;從事故演變歷程看,液體儲罐塌陷會形成液池,而液池可能在一定條件下著火,產生池火、毒云造成熱輻射和有毒效應,甚至可能由于應急不當將消防廢水排入雨水管網并最終污染水體,污染物亦有可能直接通過雨水、污水管網排入自然水體,沿江儲罐可能超過圍堰高度直接從地面流入自然水體,造成地表水污染.

蝴蝶結分析結果可以為環境風險源安全管理以及事故應急控制提供有效控制節點.圖5中,從橫向看,各列是不同層次的節點,故障樹部分從右到左,漸漸細化,直到可以操作和控制的細節,例如針對寒冷天氣應采取一定的防御措施,加熱器要及時維修和保障有效運行、避免吸熱反應等,這些控制節點都可以阻止溫度下降,從而避免事故的發生;事件樹部分從左到右,則是在初始事件發生后將控制目標漸漸明確的過程,例如一旦發生容器塌陷,形成了液池,控制目標就明確為避免液池著火,同時關掉相關的雨水/污水閥門,適當處理和收集消防廢水,并且加強地面圍堰和阻截,從而阻止熱輻射、有毒效應和污染效應的產生.

圖4 研究區區位Fig.4 Location of the research area

圖5 硝基苯儲罐塌陷事故的蝴蝶結分析Fig.5 Bow-tie analysis of vessel collapse of a tank containing nitrobenzene

2.3居民受體易損性評估

研究區的長江是沿江居民的最重要飲用水源.該區域發生水環境污染事故,將對沿江居民的飲用水安全造成嚴重的威脅.結合前面提出的易損性概念模型,參考前人的指標體系框架[24],從研究區的風險受體暴露與社會經濟特征出發,提出通過每一個居住區使用地表水的居民數量、生活用水的備用水源可獲得性以及脆弱群體人口數量占每個統計區人口總數的百分比,計算居民在飲用水污染事故中的易損性.居民對地表水水源污染易損性VP可以通過公式(1)計算得到.

圖6 當地居民對地表水水源污染的易損性Fig.6 Vulnerability of residents to surface water source pollution

式中:Ep為暴露于飲用水的居民數量歸一化值,歸一化方法見公式(2);1pR為供水類型,取值規則為:以地表水為唯一水源的取1,若為補充水源取0.5,以地表水為備用水源的取0.2;2pR為脆弱人口

(65歲以上與15歲以下人群)占總人口的比例.式中:Pi為第i個居住區的總人口;Pmax為Pi的最大值.

根據易損性程度將分析結果從低到高分為4個等級(圖6),反映了居民對地表水水源污染易損性的空間分異,不僅可以為受體抗風險能力提供依據,而且能夠為地表水水源污染事故應急響應提供關鍵信息,例如識別出最易損的區域人群以及造成最易損的根源,從而制定出對癥下藥的應急控制措施,取得事半功倍的應急效果.本案例中,居民在地表水水源污染事故總體易損性普遍較高,主要原因是缺乏備用水源;其次,部分地區尤為易損,是由于人口居住密度較大、且脆弱人口所占比例偏高.因此,該地區的當務之急是增加備用水源、適當分散高密度居住區的人口,以及為脆弱人口提供特別的飲用水保障.

3 結語

基于環境風險全過程的理念,結合已有的環境風險評估與管理框架及存在問題,提出了環境風險全過程評估的概念、內涵,通過風險源識別與評估、受體易損性評估、環境風險表征、風險應急控制的多目標決策以及風險事故損失后評估等關鍵步驟構建全過程評估體系.并以某化工企業為例,以硝基苯儲罐泄漏為初始事件,基于蝴蝶結方法、GIS技術和空間分析方法進行風險源識別與居民易損性評估,以及居民對地表水水源污染易損性的空間分異.分析結果表明,就硝基苯儲罐泄漏而言,事故安全防范重點在于控制和避免不正常的溫度下降、消耗氣體的化學反應以及容器的急劇排空,事故應急過程應重點關注消防廢水的適當處理和收集、雨水管網和污水管網閥門控制、以及地面圍堰和阻截,還應通過建設備用水源強化居民抗風險能力,而在應急反應中則應重點關注高密度居住區以及脆弱人群較集中的局部地區.上述結論不僅可為事故安全防范、應急控制和地表水污染事故應急響應提供關鍵節點,而且能為日常風險管理通過工程技術、制度和經濟手段增強受體抗風險能力提供重要的決策支持.

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Whole-process environmental risk assessment and management and its application.

LI Feng-ying1,2, BI Jun1*, QU Chang-sheng1, HUANG Lei1, YANG Jie1,3, WAN Wen-bo1(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210093, China；2.School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；3.Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：858～864

X820.4

A

1000-6923(2010)06-0858-07

李鳳英(1980-),女,福建上杭人,南京大學環境學院博士研究生,主要從事環境風險評估與管理方面的研究.發表論文8篇.

2009-10-20

國家“863”項目(2007AA06A402,2007AA06A405),“十一五”國家科技支撐計劃(2006BAC02A15)

* 責任作者, 教授, jbi@nju.edu.cn