上海市突发环境污染事故风险区划

薛鹏丽,曾维华 (北京师范大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 100875)

上海市突发环境污染事故风险区划

薛鹏丽,曾维华*(北京师范大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 100875)

环境风险区划是区域布局型环境风险管理及环境风险分区管理的重要手段.本研究在环境风险系统理论的指导下,借鉴“自上而下”和“自下而上”传统区划方对上海市突发环境风险进行区划研究.上海市突发环境风险区划中“自上而下”环境风险一级区的划分是依据上海市 1990～2008年突发污染事故历史时空格局获得;而“自下而上”是通过构建上海市风险区划指标体系,在对指标进行概念模型量化的基础上,运用基于遗传算法的K均值聚类在最小区划单元进行聚类区划,并依据上海市政府宏观规划对聚类后的图斑碎块进行科学性和实用性调整,获得上海市突发环境污染事故风险亚区和小区;将上海市突发环境风险一级区及亚区和小区集成分析,实现上海市突发环境污染事故风险综合区划.结果表明:上海市突发环境污染事故风险区划包含2个风险一级区,5个风险亚区和21个风险小区,客观揭示了上海市突发环境污染事故风险的空间分布规律.针对上海市布局型环境风险和不同风险区提出相应的管理措施,为上海市综合减灾降险和风险管理决策提供科学依据.

突发环境污染事故；上海;环境风险区划；自上而下；自下而上；基于遗传算法的K均值聚类；环境风险分区管理

上海是我国长江三角洲城市群的核心城市,黄浦江与苏州河两岸分布有大量传统重化工企业,而吴淞、高桥、金山、宝山等区县新型化工园繁荣发展[1].与此同时,随着上海经济突发猛进的发展,中心城不断扩张,风险源周边取水口,人群等风险受体不断增加,一旦发生污染事故,必将造成严重的社会影响和巨大的经济损失,上海布局型环境风险日益凸显.此外,从2000年到2008年宏观统计数据看,上海市突发环境污染事故呈明显上升趋势.突发环境污染事故风险威胁着上海市人群健康和生态环境安全.

环境风险区划是新兴的区域环境风险分析的思路,也是突发环境污染事故风险研究和差异性管理的重要依据.目前国内外环境风险区划方法的研究主要集中在对环境风险评价结果的空间表达[2-5]和单因素环境风险因子图形叠置[6-9]两个方面.基于环境风险评价的风险区划是区域环境风险评价结果在空间的表达,很难反映环境风险系统要素特征在空间分异规律,并不是真正意义上的环境风险区划;而单因素环境风险因子图形叠置法缺失了区域环境风险其他要素信息,如风险源叠加产生的环境风险区划缺少对风险受体的考虑,结果的科学性有待进一步研究[10].

本研究中,环境风险区划是依据环境风险在时间上的演替和空间上的分布规律,对其空间范围进行区域划分,反映环境风险空间地域性和一致性,用等级系统来体现环境风险区划要素空间分异规律的过程.在环境风险系统理论的指导下,借鉴“自上而下”和“自下而上”传统区划方法对上海市突发环境风险进行区划研究.其中,“自上而下”环境风险空间差异性划分是依据上海市历史突发污染事故时空格局获得;而“自下而上”是在构建环境风险区划指标体系并对其进行概念模型量化的基础上,在区划的最小单元实现环境风险系统要素空间解耦,将指标属性值进行空间分析及信息集成,运用基于遗传算法的K均值聚类分析,依据上海市政府宏观规划对聚类后的图斑碎块进行科学性和实用性调整,获得上海市突发环境污染事故风险小区;将上海市突发环境风险大区和环境风险小区集成分析,实现上海市突发环境污染事故风险综合区划.受体三方面构建上海市突发环境风险区划指标体系,如表1所示.

表1 上海市突发环境污染风险区划指标体系Table 1 Zoning index system of Shanghai environmental accident risk

1 上海市突发环境污染事故风险系统识别

计算2007年上海登记的一千余家生产、使用、贮存危险化学品单位的危险系数,选取危险系数前一百位的单位作为上海市突发环境污染事故风险源危险性的研究对象;上海市环境风险场特征分析主要考虑大气风险场和水系风险场,不考虑地表水、土壤等其他传输介质特征;此外,上海市是一个包含社会经济、自然生态等因素的复合系统,因此突发环境污染事故风险受体对象包含社会经济和生态系统,风险受体综合脆弱性包含社会经济脆弱性和生态系统脆弱性.

在对上海市突发环境污染事故风险系统分析的基础上,从环境风险源、风险场及环境风险

2 上海市突发环境污染事故风险区划指标模型量化

2.1 上海市突发环境风险源危险性

从环境风险源自身危险性和控制机制有效性两个变量构建上海市突发环境污染事故风险源综合危险性量化模型.环境风险源与一般危险源不同,火灾爆炸事故不会产生突发环境污染事故,但会造成有毒有害物质的泄露(如松花江污染事故),由此导致大气或水污染污染事故.因此,本研究认为含有易燃易爆物质的危险源不属于环境风险源,但这类危险物质是环境风险物质(即有毒有害物质)释放的致因.在环境风险源危险性量化模型中,易燃易爆物质危险性作为权重,进一步加强环境风险源自身危险性.

根据《建设项目环境风险评价导则》[11],上海市 100家环境风险源有毒物质危险性计算如式(1)所示:

式中:Hi为有毒性物质i的危险指数;Qi为第i种物质贮存量;LD50为第i种物质的半致死浓度.易燃易爆事故危险性选用TNT当量模型量化,其计算如式(2)所示:

式中:WTNT为蒸汽云的TNT当量, kg;Wf为蒸汽云中燃料的总质量,kg; a为蒸汽云爆炸的效率因子,表明参与爆炸的可燃气体的百分数,一般取3%或 4%;Qf为物质燃烧热,MJ/kg;QTNT为TNT的爆炸热,一般取平均值4.52MJ/kg.

此外,上海市突发环境风险源控制机制有效性由初级控制机制和次级控制机制共同决定.控制机制的指标都为定性的描述指标,运用基于层次分析法的模糊综合评价法对环境风险源的控制机制进行量化.邀请上海市安全部门,环境保护部门,及100家风险源企业员工等30位专家对表1中的控制机制指标进行权重赋值和隶属度的确定,依此评价上海市突发环境风险源控制机制的有效性.

上海市突发环境风险源综合危险性指数计算公式如式(3)所示:

根据式(3)计算上海市突发环境风险源综合危险性,其空间分布如图1所示.

由图1可知,杭州湾北部、浦东外高桥区域、宝山和嘉定突发环境风险源集中,且风险源危险性较大;崇明、南汇、青浦突发环境风险源较少,且危险性也较小;市中心普陀区分布有重大突发风险源,一旦发生污染事故必将引起巨大的经济损失和严重社会影响,建议通过布局优化调整,将该区域的风险源搬迁至相应的工业园,降低上海市中心城区突发环境污染事故的风险.

图1 上海市100家环境风险源危险性分布Fig.1 Spatial distribution of 100 environmental risk sources hazardous in Shanghai

2.2 上海市环境风险场特征指数

2.2.1 大气风险场特征指数 用改进的高斯模型来反映环境风险物质进入大气后风险转运特征,从而反映大气环境风险场在区域空间的相对特征.依据高斯模型构建的大气环境风险场指数不是用于模拟预警,而是为了从污染气象条件角度反映大气环境风险场的空间差异,从环境风险场角度反映区域突发环境风险的相对特征.

对于单风险源单风向影响下的大气风险场指数,在对区域划分网格的基础上,主要考虑风向和每个网格与区域内风险源的距离构造大气风险场指数.参考气体扩散高斯模型,构造大气风险场指数为:

式中:点(x, y)为高斯扩散模式坐标系下的坐标值,该坐标系以风险源为坐标原点,x轴正向为风向,y轴在水平面上垂直于x轴,正向与x轴成90度角;Q为风险源风险值.

当网格内的风险源为多源且受多个主导风向影响时,需固定坐标系,按风向和风险源将计算点坐标变换成高斯坐标,带入式(4)求出计算点对应于风险源的风险场指数;再累积计算其他风险源的风险场指数.当受多个风向影响时,多源模式下的风险场指数为:

式中: R为区域内某计算点的大气风险场指数;n为风险源个数;pj为风向j的风频率;rij(xij, yij)为计算点在j风向下对应于第i个风险源的风险场指数;xij, yij为计算点在j风向下对应于风险源i的高斯扩散模式坐标.

根据式(4)、式(5)计算上海市大气环境风险场指数,其空间分布如图2所示.由图可知,上海市西北方向(下风向)大气风险场明显高于东南方向(上风向),即南汇及奉贤南部受大气环境风险场影响较弱.由于上海市突发环境风险源几乎都分布在上海市市区及其周边郊区,因此,崇明岛地区几乎不受大气风险场影响.

2.2.2 水系风险场指数 对于一般的河流而言,其深度和宽度相对于长度非常小,排入河流的污染物,经过一段离排污口很短的距离,就可以在断面上混合均匀.因此,绝大多数河流水质的计算常常可以简化成一维水质问题,即假设污染浓度在断面上均匀一致,只随着流程的方向变化.此时,对于河流的空间特征来讲,就是将河流抽象为一条线[12].在计算某个取水口的风险场指数时,可参考一维稳态河流混合衰减模型.

图2 上海市大气环境风险场指数分布Fig.2 Atmospheric risk field index distribution of Shanghai

当某取水口上游存在一个风险值为 q的风险源时,参考河流一维稳态混合衰减模型,该取水口服务区域的水系风险场指数为:

式中:W为水系风险场指数;x为风险源到取水口的距离,m;k为风险物质衰减系数,d-1;ux为河流平均流速,m/s; Q为河流的流量.

当取水口上游有多个风险源,且流经多条河流对取水口产生影响时,通过对风险场进行累加获得取水口的水系风险场指数.

根据式(6)计算上海市的水系风险场指数,其空间分布如图3所示.由图可知:黄浦江下游取水口的水系风险场指数明显高于其他取水口,由于其服务范围主要为浦东、市中心等人口密集的区域,当发生污染事故时,对黄浦江下游居民饮用水安全构成严重的威胁,该区域饮用水安全保障问题是污染事故预防和应急管理的重点.此外,由于上海市郊区风险源分布相对较少,且取水口大都位于水系上游,因此,水系风险场影响较小,青浦的大部分地区、金山、宝山和嘉定的北部水系风险场指数远低于浦东和市中心地区.

图3 上海市水系风险场指数空间分布Fig.3 Spatial distribution of the water risk field index in Shanghai

2.3 环境风险受体脆弱性

2006年《Global Environmental Change》指出暴露、敏感性、弹性/适应能力是脆弱性的构成要素,并探讨了社会-生态框架下,脆弱性、适应能力、弹性的概念及研究现状,指出脆弱性分析应包含暴露、敏感性及适应能力分析,且应从社会、生态双维出发[13-15].上海市突发环境风险受体脆弱性主要考虑暴露受体的敏感性和适应力两个因素.暴露受体敏感性越强,脆弱性就越大;而适应力越强,则脆弱性越低,其概念模型用式(7)表示:

式中:VI为风险受体暴露脆弱度指数;SI、ACI分别为受体敏感度指数及适应力指数.

上海市突发环境污染事故风险受体是一个包含社会、经济、自然等因素的复合生态系统,因此其环境风险受体综合脆弱度是社会脆弱度和生态脆弱度的耦合,环境风险受体综合脆弱度概念模型为:

式中:SV为突发环境污染事故环境风险受体综合脆弱度;VIs为社会经济脆弱度指数;VIe为生态系统脆弱度指数;α、β分别代表社会经济和生态系统不同受体的权重值.

图4 上海市突发环境风险受体综合脆弱度指数空间分布Fig.4 Spatial distribution of the receptor vulnerability in Shanghai

根据式(7)计算上海市社会经济脆弱度和生态系统脆弱度的基础上,分析上海市突发环境风险受体特征,依据上海市环境风险受体特征及专家咨询,上海市社会经济和生态系统脆弱性权重值α,β分别取 0.6,0.4.根据式(8)计算上海市环境风险受体综合脆弱度指数,其空间分布结果如图 4所示.由图可知,上海市市中心区,极高的社会经济脆弱度导致中心城区风险受体的综合脆弱度高于其他区域.市郊区极高的生态系统脆弱性导致该区域环境风险受体综合脆弱性很高.上海市其他郊区如奉贤、嘉定及崇明等地,由于人口分布较少、经济密度低,使得其社会经济脆弱性较低,同时由于市郊区域敏感生态系统分布较少,使得该区域生态系统受体脆弱性不高,从社会经济和生态系统两方面考虑,该区域的综合脆弱度指数较低,可以作为中心人口疏散、风险行业选址或实现上海市产业布局优化调整目标的依据.

3 上海市突发环境污染事故风险区划结果

3.1 自上而下—基于区域环境风险信息统计的区划

图5 上海市突发环境污染事故风险大区Fig.5 The environmental accident risk districts of Shanghai

区域历史突发环境污染事故时空格局能客观反映突发环境风险分布规律,为风险预警及应急管理提供依据[16].因此,“自上而下”一级界线的划分主要考虑区域突发环境污染事故发生的差异性.通过对上海市2000～2008年各区县突发环境污染事故的统计分析,对研究区突发环境风险进行区域划分,结果如图5所示,根据上海市突发环境污染事故发生频次,将上海市突发环境污染事故风险划分为污染事故重点控制区、污染事故防范区两个一级风险区.

3.2 自下而上—基于最小单元聚类的区划

将研究区域划分为 1000m×1000m的网格,共产生135210个环境风险系统复合图斑作为自下而上区划的最小单元.此时,每个图斑中都包含有环境风险源危险性指数、大气风险场指数、水系风险场指数及风险受体脆弱性指数 4个属性值,采用基于遗传算法的K均值聚类实现自下而上的区划.在Matlab环境下编写基于遗传算法的K均值聚类算法,其参数设置如下:种群大小m=60,算法的最大迭代次数 T=100,交叉概率pc1= 0.9, pc2= 0.6,变 异 概 率 pm1= 0.1, pm2= 0.001,b=1000.获得最优初始聚类中心后,运用K均值算法进行聚类,直到每组数据收敛到最优解.

参考2007年《上海市土地利用规划》[17]、《产业布局规划》[18]、《上海市城市发展总体规划》[19]和《上海市生态功能区划》[20]中重点生态建设项目等对聚类的图斑碎块进行调整获得上海市突发环境污染事故风险区划的亚区和小区.

3.3 上海市突发环境风险综合区划方案

将“自上而下”和“自下而上”区划结果综合集成分析,得到上海市突发环境污染事故风险综合区划结果,如表2所示.

4 上海市突发环境污染事故风险管理对策

从上海市突发环境污染事故风险区划结果看,上海市布局型环境风险主要表现为突发环境风险源集中分布在市中心的人口密集区和黄浦江沿江取水口保护范围,由此造成突发环境污染事故高发及黄浦江下游水系风险场指数偏高.嘉宝南风险源控制小区(I-11)紧邻中心城社会经济脆弱区(II-11),此外,位于市中心(主要为普陀区)也分布由重大危险源,一旦发生污染事故将对上海市的核心命脉区域造成影响,经济损失也将不可估量.因此,应对现有的上海市产业布局做优化调整,如将嘉宝南部的风险源搬迁至宝山工业园等其他社会经济脆弱性较低的区域.在这些重大危险源未搬迁之前,该区域布局型突发环境风险的减缓措施主要是对重点危险企业的监控和预警.突发环境污染事故发生时该区事故应急管理的重点主要是人群疏散、应急救援、事故的应急处理处置,二次污染的预防等.由上海市水系风险场指数空间分布图(图3)可知,黄浦江沿江布局型突发环境风险尤为严重,由此导致黄浦江下游水系风险场影响明显.上海市取水口和风险源都沿江分布,随着中心城的不断扩张,风险源周边人群不断增加,一旦发生污染事故,不但对饮用水造成污染,还危及社会稳定和人体健康.由于,黄浦江沿江危险源较多,很难在短时间内将它们彻底搬迁,因此,短期内该区域布局优化调整的措施主要为严格限制沿江新危险源的增加,并进一步对现有重大危险源进行风险隐患排查,不符合规定的要坚决取缔或关闭,减少危险源对敏感人群和取水口的威胁;从长远来看,应在综合考虑该区域功能定位及其生态环境特征的基础上,搬迁重大危险源或转移饮用水取水口.

表2 上海市突发环境污染事故风险综合区划命名Table 2 The name list of Shanghai environmental accidents risk regionalization

5 结论

依据环境风险系统理论,从环境风险源危险性(包括风险源自身的危险性和控制机制的有效性)、环境风险场特征性(水系和大气风险场)以及环境风险受体脆弱性(社会经济和生态系统脆弱性)3方面建立了环境风险区划的指标体系,借鉴自然灾害区划的方法,运用“自上而下”和“自下而上”相结合的区划方法获得上海市突发环境污染事故的2个风险一级区,5个风险亚区和21个风险小区,客观揭示了上海市突发环境污染事故风险的空间分布规律.在分析上海市突发环境污染事故风险区和风险小区主导风险因子和风险特征的基础上,提出不同的风险管理措施,优化区域的环境风险管理,为研究区减灾、防灾、产业布局等提供重要依据.

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Shanghai environmental accidents risk regionalization.

XUE Peng-li, ZENG Wei-hua*(State Key Laboratory of Water Environment Simulation, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China). China Environmental Science, 2011,31(10)：1743～1750

Environmental risk regionalization is an important method for regional environmental risk management. Based on the theory of environmental risk system, the traditional regionalization method which combining the top-down with bottom-up was adopted to analyze the Shanghai environmental accidents risk. The zoning regions were formed through the space variation of Shanghai history environmental accidents. Furthermore, the indicator system of environmental risk regionalization was established to realize the risk on the basis of index quantification, and the K-means algorithm was used to conduct the similarity combination of smallest regionalization units. After adjusting the cluster fragments, the environmental risk sub-regions were obtained. Taking into account the top-down and bottom-up regionalization results, the integrated zoning of Shanghai environmental risk was achieved. Shanghai environmental accident risk regionalization comprised two big regions, five sub-regions and twenty one districts. The corresponding suggestion to different type of environmental risk regions were also put forward in the paper to guide Shanghai environmental risk management and accident emergency response.

environmental accidents；Shanghai；environmental risk regionalization；top-down zoning；bottom-up zoning；K-means algorithm based on genetic；environmental risk partition management

A

1000-6923(2011)10-1743-08

2011-01-21

国家“863”项目(2007AA06A404)

* 责任作者, 教授, zengwh@bnu.edu.cn

薛鹏丽(1981-),女,山西太谷人,博士,主要从事环境管理、环境风险类研究.