环境风险全过程评估与管理模式研究及应用

李凤英,毕 军,曲常胜,黄 蕾,杨 洁,3,宛文博(.南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 20093；2.南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏 南京 20044；3.苏州科技学院,江苏 苏州 250)

环境风险全过程评估与管理模式研究及应用

李凤英1,2,毕 军1*,曲常胜1,黄 蕾1,杨 洁1,3,宛文博1(1.南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 210093；2.南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏 南京 210044；3.苏州科技学院,江苏 苏州 215011)

基于环境风险“全过程管理”与“优先管理”的理念,提出了环境风险全过程评估与管理的概念框架和理论体系,涵盖了风险源识别、受体易损性评估、环境风险表征、风险应急控制决策以及风险事故损失后评估等关键步骤.并以某化工园区企业为例,以硝基苯储罐塌陷为初始事件,采用蝴蝶结方法进行风险源识别,得到硝基苯储罐泄漏事件蝴蝶结,通过GIS空间分析方法揭示居民对地表水水源污染易损性的空间分异,分析结果不仅为事故安全防范与应急控制提供关键节点,而且有助于在日常风险管理中增强受体抗风险能力.

环境风险全过程评估；风险管理；易损性；地理信息系统(GIS)；蝴蝶结

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

工业化进程带来高速经济发展的同时,也伴随严峻的环境风险挑战.环境风险评价是识别和评价风险活动对生态系统、人类产生不利影响的过程,通过风险评估可以识别潜在风险,从而进行风险管理决策.国内外研究表明,风险评价科学体系和风险管理的模式已基本形成[1-2].然而,新兴工业化国家的环境风险事故仍然不断发生,环境风险管理的对象、程度、关键控制节点等不明晰,导致风险管理行动缺乏针对性,风险管理方案实施效率不高.风险管理的潜在“节点”可能存在于环境风险事故的任何环节.因此,须对环境风险事故全过程进行管理[3].而环境风险决策和管理效率的改善,有赖于更有效的环境风险评估模式.

环境风险评估自发展以来,广为接受的基本框架是美国科学院提出的“危害识别—剂量—响应分析—暴露评估—风险表征”四步法.随后的致癌风险评估、致畸风险评估、暴露评估、场地风险评估等健康风险评估和生态风险评估,都是在“四步法”的基础上进行延伸和发展的[1,4-5].这套评估程序通过科学导向性的风险分析为风险

管理提供关键的科学信息,但应用到环境风险事故管理决策中,仍然缺乏决策导向性的风险分析.欧盟各国在欧盟塞维索二号指令(Seveso ⅡDirective)的框架下联合开展了“工业事故风险评估方法”(ARAMIS)项目研究,通过危害识别、安全措施评估、安全管理效率、事故情景识别、事故严重性和受体易损性评估,不仅满足了风险管理不同阶段和部门的决策需求,而且保障了更加透明和连贯的决策过程[6].其缺陷在于未考虑风险事故发生时如何应对和发生后如何修复与补偿.Darbra等[7]基于模糊逻辑提出了工厂毒性物质事故排放风险的评估程序,该方法分为3步:物质危害表征、土壤和地下水脆弱性界定,工厂防护措施识别,并通过案例进行了验证,但是该程序只适用于土壤和地下水污染事故,而未考虑通过空气传播的风险事故.国内环境风险研究缺乏一个全过程的理念和框架,本文旨在将环境风险事故整个发生、发展过程的各方面信息综合起来,为风险全过程管理提供科学支撑.

图1 环境风险全过程评估与管理模型Fig.1 Whole-process assessment and management of environmental risk

1 环境风险全过程评估与管理模型

基于Kasperson等[8]的风险解析理论,结合前述风险研究与管理领域存在的问题,对环境风险事故潜伏、发生和发展的动态过程进行解析,揭示各阶段的因果联系和可能存在的风险控制节点,构建环境风险全过程评估与管理体系(图1).

该体系从事前预防、事中响应和事后修复与赔偿3个方面进行风险控制,以化工行业为例,事前预防是在工业布局、选址、设计阶段和日常运行过程中,通过安全规划和管理降低风险事故发生概率和潜在后果;事中响应是通过风险预警和快速处置避免风险因子在环境中的释放和扩散,并采取应急救援措施降低受体在风险场的暴露强度;事后修复与赔偿是对事故造成的生态破坏和环境污染进行修复,并通过损害赔偿减轻事故不利影响.

环境风险全过程管理采用优先管理,即按某种优先顺序进行风险管理.各阶段的风险评估筛选出的重点风险源、敏感风险受体、高风险区、优先实施的控制措施、重点损害对象和规模等风险控制关键节点,是实施环境风险“优先管理”的基石.全过程风险评估的程序包括风险源识别与评估、受体易损性评价、风险表征、风险应急多目标决策以及风险事故损失后评估.

1.1风险源识别与评估

图2 风险源识别与评估的一般流程Fig.2 General procedure of identifying and assessing risk sources

图3 环境风险受体易损性概念模型Fig.3 Conceptual model of human vulnerability to environmental risks

风险源识别与评估的目的是识别需进行风险管理的风险物质、设备和管理节点,并评估潜在风险事故的发生概率.国外研究通常仅通过物质类型及数量或工艺固有安全性来判断危险源风险水平,评价方法简单,风险源识别结果存在较大偏差[9-12].本文提出的风险源识别与评估程序包括风险物质识别、风险设备识别、风险源管理节点辨识、风险源管理有效性评估和可能的风险事故情景识别及概率评估(图2).在风险物质和设备识别的基础上,进行蝴蝶结分析[6],即采用故障树和事故树相结合的方法分析事故的前因和后果,构建可能的事故情景,识别出形成事故发生、演化的节点,也就是风险源管理的关键节点.

1.2风险受体易损性评估

环境风险事故情景确定之后,为明确事故影响范围内潜在受体的可能损害和反应,需进行受体易损性分析.根据环境风险系统理论[3],以及自然灾害领域的受体易损性研究[13],将“环境风险受体易损性”界定为“受体可能暴露于某一风险因子的程度,以及受体对风险的应对能力的综合度量”.许多学者研究了人口结构、经济水平、应急资源可获得性等社会易损性影响因素,建立了层次分析法、专家咨询法以及GIS空间分析方法等研究方法[13-16],可以为研究和表征环境风险受体易损性提供参考.

易损性可以从2个层面进行剖析,一是受体系统内在的物理易损性,通过环境风险评价经典“四步法”中的剂量-响应分析与暴露评估[1],确定受体受到风险因子的胁迫强度,这部分易损性决定了是否需要采取风险规避措施以保护受体,例如在规划建设中受体只需避开对其造成不利效应的风险因子,风险事故发生时应重点针对暴露在风险场中的敏感受体采取应急救援措施;二是由受体系统外部决定的社会易损性,反映受体对风险响应能力与应急资源的不足,是加强受体抗风险能力的关键.本文结合上述理论构建了环境风险受体易损性概念模型(图3).

1.3环境风险表征

风险表征的要旨在于客观地向风险决策者及其他受众反馈已知的科学信息,包括风险因子引起不利效应的性质、关键暴露参数、相关的毒理数据、受体信息、模型与数据的变化和不确定性以及其他相关信息[17].结合风险源评估与受体易损性评估结果,构建基于风险概率-后果严重性的风险矩阵,以表征风险大小.要有效地阐释或总结风险信息,应对关键暴露参数或剂量-响应评估的内在不确定性、模型假设或者分析上的缺陷以及风险评估过程存在的其他不确定性做充分的探讨.

1.4风险应急控制的多目标决策

风险评估的目的是根据可利用的信息为风险管理者提供决策支持,制定一定社会经济条件下适宜的风险控制对策,在满足社会、经济、技术约束及最优化目标的前提下,应尽可能降低区域内的总体环境风险水平[3].从风险管理的需求和风险特征看,亟需发展在不确定条件下进行风险控制方案分析的决策方法,建立统一的框架处理和表征风险控制成本、效果、技术可行性等不同类型的数据.因此,应基于成本-有效、经济技术可行等原则,建立多目标决策模型[18-19],进行科学评估和决策.

1.5风险事故损失后评估

目前环境风险管理中经常面临事后评估法律职责不清、损失难以定量、责任认定和损失赔偿难以落实等问题[20-21],需加强环境风险损害赔偿的立法研究,包括污染损害赔偿责任的认定,明确环境污染致财产/人体健康损害的赔偿范围,并设立我国环境损害鉴定评估机构,建立环境污染事故损害评估体系.环境风险事故损失是指环境风险事故由于破坏环境、资源和财产而对企业自身以及社会、经济和环境带来的损失.对风险事故损失进行科学定量的评估,可以为环境风险损害赔偿提供科学信息支持.常用的损失评估方法有机会成本法、影子工程法、改进的人力资本法、资源等价分析法等[22-23].

2 案例研究

2.1研究区概况

某化学工业园区区位见图4.园区所涉及的原料、辅料、中间产品、产品和燃料等许多物质均属于危险性物质.居民饮用水源位于园区南端.一旦发生环境风险事故,周边乡镇居民饮用水安全将受到严重威胁.本文选择容器塌陷为关键事件,对液体危险化学物质泄漏进行蝴蝶结分析,并针对其造成的饮用水污染进行居民易损性评估.

2.2基于蝴蝶结方法的风险源识别

以液体储罐塌陷作为初始事件,采用蝴蝶结分析法进行典型环境风险事件分析(图5).液体储罐塌陷是由容器内部压力过低(低于容许压力下限)引起的,而具体原因又有3种:温度下降、化学反应消耗气体与容器快速排空.故障树的底层事件则针对上述3种原因进一步分析,得出一系列“意外事件”;从事故演变历程看,液体储罐塌陷会形成液池,而液池可能在一定条件下着火,产生池火、毒云造成热辐射和有毒效应,甚至可能由于应急不当将消防废水排入雨水管网并最终污染水体,污染物亦有可能直接通过雨水、污水管网排入自然水体,沿江储罐可能超过围堰高度直接从地面流入自然水体,造成地表水污染.

蝴蝶结分析结果可以为环境风险源安全管理以及事故应急控制提供有效控制节点.图5中,从横向看,各列是不同层次的节点,故障树部分从右到左,渐渐细化,直到可以操作和控制的细节,例如针对寒冷天气应采取一定的防御措施,加热器要及时维修和保障有效运行、避免吸热反应等,这些控制节点都可以阻止温度下降,从而避免事故的发生;事件树部分从左到右,则是在初始事件发生后将控制目标渐渐明确的过程,例如一旦发生容器塌陷,形成了液池,控制目标就明确为避免液池着火,同时关掉相关的雨水/污水阀门,适当处理和收集消防废水,并且加强地面围堰和阻截,从而阻止热辐射、有毒效应和污染效应的产生.

图4 研究区区位Fig.4 Location of the research area

图5 硝基苯储罐塌陷事故的蝴蝶结分析Fig.5 Bow-tie analysis of vessel collapse of a tank containing nitrobenzene

2.3居民受体易损性评估

研究区的长江是沿江居民的最重要饮用水源.该区域发生水环境污染事故,将对沿江居民的饮用水安全造成严重的威胁.结合前面提出的易损性概念模型,参考前人的指标体系框架[24],从研究区的风险受体暴露与社会经济特征出发,提出通过每一个居住区使用地表水的居民数量、生活用水的备用水源可获得性以及脆弱群体人口数量占每个统计区人口总数的百分比,计算居民在饮用水污染事故中的易损性.居民对地表水水源污染易损性VP可以通过公式(1)计算得到.

图6 当地居民对地表水水源污染的易损性Fig.6 Vulnerability of residents to surface water source pollution

式中:Ep为暴露于饮用水的居民数量归一化值,归一化方法见公式(2);1pR为供水类型,取值规则为:以地表水为唯一水源的取1,若为补充水源取0.5,以地表水为备用水源的取0.2;2pR为脆弱人口

(65岁以上与15岁以下人群)占总人口的比例.式中:Pi为第i个居住区的总人口;Pmax为Pi的最大值.

根据易损性程度将分析结果从低到高分为4个等级(图6),反映了居民对地表水水源污染易损性的空间分异,不仅可以为受体抗风险能力提供依据,而且能够为地表水水源污染事故应急响应提供关键信息,例如识别出最易损的区域人群以及造成最易损的根源,从而制定出对症下药的应急控制措施,取得事半功倍的应急效果.本案例中,居民在地表水水源污染事故总体易损性普遍较高,主要原因是缺乏备用水源;其次,部分地区尤为易损,是由于人口居住密度较大、且脆弱人口所占比例偏高.因此,该地区的当务之急是增加备用水源、适当分散高密度居住区的人口,以及为脆弱人口提供特别的饮用水保障.

3 结语

基于环境风险全过程的理念,结合已有的环境风险评估与管理框架及存在问题,提出了环境风险全过程评估的概念、内涵,通过风险源识别与评估、受体易损性评估、环境风险表征、风险应急控制的多目标决策以及风险事故损失后评估等关键步骤构建全过程评估体系.并以某化工企业为例,以硝基苯储罐泄漏为初始事件,基于蝴蝶结方法、GIS技术和空间分析方法进行风险源识别与居民易损性评估,以及居民对地表水水源污染易损性的空间分异.分析结果表明,就硝基苯储罐泄漏而言,事故安全防范重点在于控制和避免不正常的温度下降、消耗气体的化学反应以及容器的急剧排空,事故应急过程应重点关注消防废水的适当处理和收集、雨水管网和污水管网阀门控制、以及地面围堰和阻截,还应通过建设备用水源强化居民抗风险能力,而在应急反应中则应重点关注高密度居住区以及脆弱人群较集中的局部地区.上述结论不仅可为事故安全防范、应急控制和地表水污染事故应急响应提供关键节点,而且能为日常风险管理通过工程技术、制度和经济手段增强受体抗风险能力提供重要的决策支持.

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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

李凤英(1980-),女,福建上杭人,南京大学环境学院博士研究生,主要从事环境风险评估与管理方面的研究.发表论文8篇.

2009-10-20

国家“863”项目(2007AA06A402,2007AA06A405),“十一五”国家科技支撑计划(2006BAC02A15)

* 责任作者, 教授, jbi@nju.edu.cn