集對分析在區域大氣環境風險評價中的應用研究

邢永健,王 旭,杜 航 (沈陽航空航天大學安全工程學院,遼寧 沈陽 110136)

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集對分析在區域大氣環境風險評價中的應用研究

邢永健,王 旭*,杜 航 (沈陽航空航天大學安全工程學院,遼寧 沈陽 110136)

摘要：應用集對分析法對事故狀態下有毒有害氣體環境風險分布建立數學模型,通過南京化工園區的實例分析,把評價區域大氣環境風險劃分為5個等級,并對差異不確定系數i取值進行討論,以反映不同狀態下的大氣環境風險分布水平.研究結果顯示,i1=0.5,i2=-0.5取值方法簡便,且此時的區域大氣環境風險狀態相對符合實際,可為優化土地利用規劃和完善環境風險防控措施提供依據.

關鍵詞：集對分析法；區域大氣風險；風險疊加；差異不確定系數i

* 責任作者, 教授, wangx1960@126.com

近年來,隨著城鎮化和工業化的快速推進,人口、基礎設施和工業企業的高度集中以及產城融合的發展所帶來的環境風險問題日益突出,工業企業突發性事故(火災、爆炸和泄露等)頻發,釋放的有毒有害物質通過大氣傳播,對人身健康、自然生態以及社會經濟帶來嚴重威脅.

合理的風險防控措施,如優化產業布局[1-3]、風險分級管理[3-7]等,可有效降低環境風險,而大氣環境風險評價是其決策的基礎依據.Roy等[8]研究應用事故樹分析法計算四氯化鈦泄漏事故發生概率,并釆用情景分析法進行事故后果的評價;通過對不同有毒化學物質的泄漏擴散進行模擬,Bubbico等[9]指出化學物質的沸點是影響擴散距離的主要因素;Buckley等[10]對某次氯泄漏事故進行模擬,研究了氯氣在大氣中的傳輸和沉積過程;為解決氣體泄漏事故中存在的不確定性問題,孫燕君等[11]研究采用蒙特卡洛分析法對氯氣泄漏事故中的變量進行分析,并通過仿真模擬,得到模擬結果及其概率分布;李躍宇等[7]考慮可信最嚴重事故場景下,環境風險源在現有風險管理水平和當地可預期氣象條件下的事故影響概率和健康危害,以獲得健康風險并劃分風險源等級;劉毅等[12]綜合運用風險識別技術、CALPUFF大氣擴散模型、空間分析方法,構建了石化園區規劃層面大氣環境風險模擬方法.

總之,多數大氣環境風險評價方法的基本思路是,采用CALPUFF、SLAB等模型對風險源在最不利或各種氣象條件下發生的最大可信事故的后果進行模擬分析,計算出事故狀態下有毒有害氣體的濃度分布,并按各污染物的風險基準,確定出污染物相應的影響范圍,進一步確定該范圍內的風險受體情況,并采用風險防控措施.但在大尺度空間,以上研究未能有效描述多風險源釋放產生多重壓力的風險疊加.信息擴散法[13-14]為風險疊加提供了思路,但在解決區域大氣環境風險評價中因多風險源、多途徑和多風險受體所帶來的空間信息不足和不確定問題依然困難.因此,本文應用集對分析法,并結合信息擴散法的思想來探討區域大氣環境風險評價方法.該方法把空間信息的不確定性轉化為數學問題進行定量計算,通過對差異不確定系數取值進行討論,可反映不同風險狀態下的空間信息,在一定程度上消除了風險評價的主觀性和片面性,為優化土地利用規劃和完善環境風險防控措施提供更為科學的基礎依據.

1 集對分析

1.1 基本原理

集對分析(Set Pair Analysis)(又稱聯系數學)是從系統的角度去認識確定性和不確定性的關系,并認為研究對象是一個確定不確定的系統.它可以統一描述和處理隨機性、模糊性、不完整性等不確定性因素引起的確定不確定系統[15].假設給定集合A和B,組成集對H=(A,B),其聯系度可通過式(1)進行數學表達.

式中:μ為聯系度,值域為[-1,1];a、b、c分別為同一度、差異度、對立度,且a+b+c=1;i為差異標記符號或相應系數,取值區間為[-1,1];j為對立標記符號或相應系數,且j≡-1.

1.2 模型構建

用集對分析進行不確定性分析需要客觀承認不確定性,不確定性與確定性作為一個系統進行分析和處理[15].有毒有害氣體環境風險分布存在確定與不確定的因素,如有毒有害氣體傳播的載體大氣是確定的,但大氣在事故發生時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的、動態的過程,由于時空的變化,大氣環境風險分布在不斷改變,也是一個動態的過程.

對有毒有害氣體環境風險分布可按梯形模糊關系進行簡化計算[13-14],同時,薛鵬麗等[16]依據高斯模型構建的大氣環境風險場指數旨在從污染氣象條件角度反映大氣環境風險場的空間差異,從環境風險場角度反映區域突發環境風險的相對特征.這為構建基于集對分析的大氣環境風險分布計算模型提供了依據.將集對分析用于區域大氣環境風險評價,就是將區域某單元與風險源所在單元的距離集合A和評價標準集合B一起構成一個集對H.通過集合A中每項數值與集合B中的評價標準范圍進行比較,集對H的聯系度可通過式(2)表示.再通過一系列轉化(見2.2 節),以評價區域大氣環境風險水平的高低.

式中:μ為聯系度;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;s1、s2、s3、s4為評價標準,區間(0,s1]、(s1,s2]、(s2,s3]、(s3,s4]、(s4,+∞)分別為高度、中度、中低度、低度、無影響區(在考慮風險因子實際濃度時,s可根據風險源釋放的風險因子物化性質作出調整).

2 案例分析

南京化工園區位于長江北岸,是國家級南京江北新區的重要組成部分,目前規劃面積45km2,實際開發面積29.2km2.園區以石油化工和合成材料、精細化工等石油深加工企業為主,且園區內及外圍分布若干居民區、生態保護區等環境保護目標敏感區域,一旦發生突發性環境事故,極易造成重大環境損害.

區域網格化是解決大尺度空間信息多樣性和復雜性的有效手段.把南京化工園區及周邊的二維空間用500m等步長劃分為相同大小的正方形區域單元,然后用一個62行65列的矩陣來表示該二維空間,用正方形中心點的信息量來代表單元,此時矩陣內各單元的值為0.

2.1 風險源識別

表1　南京化工園區部分企業環境風險源信息Table 1 Environmental risk sources information of partial enterprises in Nanjing Chemical Industry Park

因研究區域范圍較大,所以把一家企業作為一個環境風險源單元處理,并確定其在矩陣中的位置.在一般大氣條件下為氣態的有毒有害物質是風險源識別的重點,但液體、固態的危險化學物質,在發生火災、爆炸、泄漏等事件時極易引發次生、衍生大氣污染事故,也需重點識別.不同的風險物質有不同的理化性質,對環境風險受體的作用機制和損害程度也不同,這是風險疊加的難點.應用歸一化的思想,把不同物質的風險量度同一化,由式(3)得到區域內環境風險源指數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.

根據系統安全優先次序,篩選出風險源指數最大的前25家企業作為評價對象.因篇幅有限, 表1是其中6家企業的環境風險源信息.

2.2 風險值計算

為使聯系度μ具有物理意義,同時基于文獻[16]中式(4)構建風險計算模型的思想,可通過式(4)表達計算點單一風險因子的暴露水平.

原國家環保總局發布的《建設項目環境風險評價技術導則》(HJ/T 169-2004)[17]規定大氣環境影響一級評價范圍距離源點不低于5km,二級評價范圍距離源點不低于3km,在其后續修訂征求意見稿中規定三級評價距建設項目邊界不低于1km.基于此,式(2)中評價標準s1、s2、s3分別取1000、3000、5000m,考慮到超過5km后,有毒有害氣體仍會對人身健康和生態環境造成影響,故s4取10000m.2.1節求得的各環境風險源指數Q為歸一化后無綱量值,故對于不同風險源,評價標準s不用調整.

風險值如何計算更具科學性,目前還沒有定論.《建設項目環境風險評價技術導則》(HJ/T 169-2004)[17]給出了環境風險值為事故發生概率與事故造成的環境(或健康)后果的乘積的計算方法.類似的,區域某風險源釋放的風險因子擴散到某單元的風險指數可表示為:

式中:Qx,y為計算點單一風險因子釋放的風險指數;P1為風險因子釋放概率,可通過歷史數據統計得到,取10-5/a;P2為風險因子轉運到計算點的概率,等于區域年平均風頻,見表2;Cx,y為計算點單一風險因子的暴露水平.

表2　南京化工園區近20年年均風頻統計表Table 2 The average of annual wind frequency in Nanjing Chemical Industry Park in past 20 years

由式(3)(4)(5)計算區域各單元大氣環境風險指數,然后對各單元若干風險指數進行求和疊加.最后由式(6)得小數形式的風險值,并通過去余取整的方法對大氣環境風險進行分級,分級依據見表3.

表3　區域大氣環境風險水平劃分Table 3 Classification of levels of regional atmospheric environmental risks

2.3 對i取值的討論

a、b、c是宏觀層次上確定不確定性的表征,而差異系數i是對微觀層次上的不確定性的表征.不確定性的本質是不確定,因此,i的值很難確定,而且具有多值性,需要根據不同的情況作不同的分析[18].風險源(企業)的風險管理水平、空間的氣象條件(風速、風向、大氣穩定度)和地形等因素影響大氣環境風險水平,那么這些因素在微觀層次可通過集對分析數學化,即i是這些因素的數學表達.i在-1和1之間變化,體現了確定性與不確定性之間的相互轉化,i取-1與1,都是確定性的,隨著i趨近0,不確定性明顯增加[19].當風險源(企業)的風險管理水平降低、空間的氣象條件和地形有利于有毒有害氣體傳播,那么i值將向1靠近;隨著風險源(企業)的風險管理水平、空間的氣象條件和地形有利于有毒有害氣體傳播向不利于面變化,i值將經過0,直至趨近于-1.

i的取值方法有順勢取值法、逆勢取值法、計算取值法、隨機取值法、特殊值法[15].在此,對i采用特殊取值,通過討論i取值可了解區域大氣環境風險程度.

當i1=i2=1時,差異度轉化為同一度,表達的現實意義是距風險源近的區域大氣環境風險與源單元的風險具有一致性,區域大氣環境風險分布見圖1(a).此時,評價區域一半以上處于極高和高風險狀態,占評價區域的51.99％,其中極高風險區域占評價區域的20.74％.對于高風險區域在風險管理水平和氣象條件不同的情況下,有可能轉變為極高風險區域,也有可能轉變為中風險區域.應對處于極高和高風險區域的環境風險受體進行識別、管理,合理布局產業區、居民區等功能區,從根本上改善區域大氣環境風險水平.

當i1=i2=-1時,差異度轉化為對立度,大氣環境極高和高風險區域明顯減少[圖1(b)],占評價區域的7.99％.這表明氣象條件不利于有毒有害氣體的傳播、區域風險管理處于最優水平、大氣環境風險處于最低狀態.若區域風險管理水平下降,尤其是各企業的風險管理水平下降,區域大氣環境風險將會上升.因此,應繼續加強風險管理,保持區域大氣環境風險處于最低狀態.

以上取值均屬于極端情況,為得到比較實際的區域大氣環境風險狀態,通常采用中間值,取i1=0.5,i2=-0.5,得到的區域大氣環境風險分布見圖1(c).與圖1(a)相比,極高風險區域明顯減少,只占評價區域的6.15％.這表明,通過提高區域環境風險管理水平,可有效降低區域大氣環境風險水平.與圖1(c)相比,得到的信息是區域大氣風險形勢不容樂觀.但如果考慮效益問題,實現i1=i2=-1時的低風險水平成本很高,是不可接受的.因此,i1=0.5,i2=-0.5時的區域大氣環境風險狀態相對符合實際.

圖1　區域大氣環境風險Fig.1 Regional atmospheric environmental risk　當l≤s1時,i1=i2=1;當l>s4時,i1=i2=-1;當s1

文獻[19]給出了與灰色聚類分析中白化函數的確定方法基本相同的i值確定方法.屬于某級別,判為同一,是確定性的,i=1;遠離該級別,判為對立,也認為其是確定性的,i=-1;在級別區間附近,較難判斷,故認為其存在差異性,在對立與同一之間轉化,越接近某級別,i值越接近1,越接近相隔的評價級別,i值越接近-1[19].基于此,并參考特殊值法(i取0.5,0或-0.5),當l≤s1時,i1=i2=1; 當l>s4時,i1=i2=-1;當s1

2.4 結果分析

圖1(c)中,大氣環境風險極高區域分布在風險源周圍,且向主導風向下風向偏移趨勢明顯.統計得評價區域各行政區所涉及的大氣環境風險值,繼而計算各行政區大氣環境風險均值(四舍五入),見表3.極高、高風險區域可能出現有毒有害氣體造成的災難性后果(人員死亡),或者危害公眾的身體健康.所以相關行政區的風險極高區域嚴禁存在居民區,并預先做好企業員工的應急疏散措施,同時制定本行政區的突發環境事件應急預案.政府部門可依據圖1(c)和表3進行環境風險分級管理,優化土地利用規劃,完善環境風險防控措施.

表3　南京化工園區及周邊行政區的環境風險值Table3 Environmental risk values for districts of Nanjing Chemical Industry Park and the surrounding

3 討論

多風險源、多途徑和多風險受體所帶來的空間信息不足和不確定性是區域大氣環境風險評價的難點,不確定性主要體現在風險源釋放風險因子的時間、分布不確定等方面.

1)在這里,時間的不確定性應用概率表示.由于缺乏信息來源,25個風險源釋放風險因子的概率都為10-5/a,而風險源釋放風險因子的時間與企業風險管理有較大關聯,因此,需要合理評估各企業的風險管理水平以確定其風險源釋放風險因子的概率.

2)分布的不確定性通過調節i的取值進行處理(如2.3節所述),并聯合區域年平均風頻表示.本文是對25個風險源統一進行i的取值,而且取值粗糙,為得到更加精確的結果,在今后的研究中需探討不同風險源i取值的問題.

3)本文分析了風險源(企業)的風險管理水平、空間的氣象條件和地形等因素影響i大小、正負變動的趨勢,但如何將這種趨勢定量化還需深入研究.

4)在通過集對分析將大氣環境風險于空間分布的描述過程中,評價標準s在宏觀層次影響著分布的不確定性.本文求得的各環境風險源指數Q為歸一化后無綱量值,故對于不同風險源,s未予調整,這使得風險疊加結果存在偏差.在考慮風險因子實際濃度時,s可根據風險源釋放的風險因子物化性質作出調整.

5)需要說明的是,i的取值影響到b是傾向于同一性還是對立性,始于風險源的大氣環境風險狀態怎樣分布與i值有關.也就是說,i的取值可影響風險源釋放風險因子的時間、分布等不確定性的處理.i取何值、其取值方法的科學性是今后研究的方向.

4 結論

4.1 應用集對分析理論,對事故狀態下有毒有害氣體環境風險分布建立數學模型,能有效解決空間信息不足、不確定的問題,將不確定性轉化為數學問題進行定量計算,計算過程簡單,獲取數據方便.

4.2 對差異系數i取值的討論,系統的描述所論集對的同一性、差異性和對立性聯系,反映了不同風險狀態下的空間信息,便于多方面對比討論,在一定程度上消除了風險評價的主觀性和片面性.

4.3 通過對南京化工園區的實例分析,當i1=0.5,i2=-0.5時,得到區域大氣環境風險與園區現狀有較好的一致性,可為優化土地利用規劃和完善環境風險防控措施提供基礎依據.

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Set pair analysis for regional atmospheric environmental risk assessment.

XING Yong-jian, WANG Xu*, DU Hang (School of Safety Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China). China Environmental Science, 2016,36(2)：634～640

Abstract：Because multiple sources release multiple stressors and these stressors affect multiple habitats and endpoints, the spatial information of interaction is limited and uncertain. Set pair analysis (SPA) can effectively describe and deal with the environmental risk systems with limited and uncertain spatial information and model the distribution of environmental risk of poisonous gases after accidents. In this paper, the regional atmospheric environmental risk of Nanjing Chemical Industry Park was analysed by SPA model. In order to describe the distribution of atmospheric environmental risks in different conditions, this paper classified the risks into 5 levels and discussed the value of variation uncertainty coefficient. Under i1=0.5, i2=-0.5, the analysis is not complex and the level of regional atmospheric environment risks is close to the actual situation. The analysis result under these variation uncertainty coefficient can guide the optimization of land use planning and improvement of environmental risk control measures.

Key words：set pair analysis；regional atmospheric risk；risk superposition；variation uncertainty coefficient i

作者簡介：邢永健(1989-),男,江蘇徐州人,沈陽航空航天大學安全工程學院碩士研究生,主要從事系統安全理論與應用、環境風險評價與管理研究.

收稿日期：2015-07-27

中圖分類號：X820.4

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)02-0634-07