基于FN曲线的水上污染事故风险评估方法研究

2019-07-23周鸿铸郑彭军

水道港口 2019年3期

周鸿铸，郑彭军*

(1.宁波大学海运学院宁波港航物流服务体系协同创新中心，宁波 315211; 2.国家道路交通管理工程技术研究中心宁波大学分中心，宁波 315211; 3.现代城市交通技术江苏高校协同创新中心，南京 210096)

随着海上石油运输量的迅猛增长，油船等各种船舶的密度不断加大，污染事故发生的隐患机率逐年加大，特别容易发生船舶污染海洋环境的事故。溢油等水上污染事故一旦发生，不仅会对海洋环境造成严重污染，破坏生态系统，而且对沿海渔业、养殖业和制盐制碱工业等行业也将带来巨大经济损失。因此，科学合理地对水上污染事故进行风险评估显得十分必要。

我国对海洋环境保护工作从20世纪70年代开始，王水田[1]总结了国内外港口环境保护主要技术；张宝晨[2]提出了港航风险防控基础是提高风险意识，合理进行风险评估；刘红、许欢[3-4]在其文章中总结了目前水上污染事故的风险评估方法，然而这些方法在使用期间都会存在某种劣势。概率分布法虽可以根据数据给出可靠结果，但由于水上污染事故发生的频率很低，在数据收集完整度方面存在困难；层次分析法是一种可以将问题层次化使其条理化的思维方法，但存在较强的主观性，一般需要结合其他方法进行研究；模糊综合评价法涉及到传统习惯的定量化思维模式转变，可解决信息不全的问题，其主要缺点在于主观意识比较大；人工神经网络法适用于历史污染数据较多且完整的情况下，但该方法仅在大量数据支持下才能准确评估风险；故障树分析法通过对事故发生的因果关系，进行逻辑推理，逐步进行风险分析，但需要知道的限制条件较多；贝叶斯网络法是一种比较广泛使用的方法，能够进行样本观测，但却过于依赖详尽的样本。

笔者在对水上污染事故评估与风险可接受标准的研究中发现，FN曲线法在表示社会风险时具有可以表达不同事故场景中危险的概率风险，也可以进行背景类似的情况下的风险比较的特点，这与水上污染事故的风险特征十分吻合。同时FN曲线也是一种有效描述风险信息的手段，能以便于理解的形式来表示频率及后果信息。管理人员可以通过FN曲线，更有效地做出风险和安全水平方面的决策。

本文采用当前国外风险可接受水平普遍采用的风险判据原则——“最低合理可行(ALARP)原则”，用FN曲线来表示水上污染事故风险的频率和后果，结合PLOA边界确定方法，对区域的水上污染事故风险进行评估。

1 风险可接受标准的研究

国外对于社会风险可接受标准的研究开始于20世纪60年代末期，经过多年发展，1992年英国健康安全委员会(HSE)[3]结合各种因素提出了核电站的风险可接受标准；Jonkman[4]在其综述中提到了荷兰大坝溃坝风险的可接受概率和指标值的关系；澳大利亚地质力学出版社[5]在2007年制定了滑坡风险管理的社会风险标准。在其他行业中，可接受风险的研究也取得了较多成果。

国内对于可接受风险的研究起步较晚，李漾[6]等人对石化工业可接受生命、经济、环境风险水平进行了研究；程亮[7]结合煤矿顶板事故的特点，给出了我国顶板事故可接受风险准则；周兴波[8]等人基于ALARP准则给出了我国大坝社会可接受风险标准的建议值；裴晶晶[9]对压力管道历史事故进行回归分析后得到压力管道爆破事故的可接受风险。除此之外，我国许多其他领域的风险可接受准则都有待探讨研究。

目前衡量社会风险接受标准确定的方法有很多，包括ALARP 原则、风险矩阵法、FN 曲线、PLL值、FAR值、VIIH值、ICAF值、经济优化法、社会效益优化法等[10]。

我国在水上污染事故方面对于船舶污染海洋环境风险评价的主要技术依据有两个，一是《船舶污染海洋环境风险评价技术规范(试行)》(2011版)(简称《规范》，已失效)，二是《水上溢油环境风险评估技术导则》(2017版)(简称《导则》)，两份文件中均提到了风险接受水平的分析方法。通过对比分析两份标准文件，发现两者都采用矩阵法表示风险(高、中、低)，风险可接受水平标准并没有明确。

两者溢油量计算方法存在不同，《规范》强调海难性船舶污染事故的污染量由主力船型的一个油舱或燃油舱的燃油完全泄露来预测事故污染量，《导则》指出区域风险评价的污染量由区域内的最大船型的最可能污染量来确定。采用最大船型作为事故污染量的预测基础相较于主力船型可能更符合区域内的最可能发生污染量，目前也是有效的2017版《导则》用来预测事故污染量。

上述方法都是将区域内所有船舶看作某一种特定船型去预测事故发生时的污染量大小。但是实际情况是，吨级小的船舶进出港艘次较多，污染事故发生频率较高，但单次事故泄漏的污染量相对较小；吨级大的船舶进出港艘次较少，污染事故发生频率较低，但单次事故的污染量大。故单一地用最大船型或者主力船型的最可能污染量来确定区域内事故的污染风险是存在缺陷的。

2 基于FN曲线的可接受标准

图1 FN曲线Fig.1 FN curve

许多国家采用FN曲线法来表示社会风险可接受标准。FN曲线(FN Curves)[11]表示的是人群中有N个或者更多的人受到影响的累积频率。FN曲线最初用于核电站的风险评价中，目前广泛用于社会风险接受准则的制定。在大多数情况下，它们指的是出现一定数量人员伤亡的频率。FN曲线图示见图1。

FN曲线中最重要的元素是FN标准线，FN标准线可以判断由FN曲线所描述的社会风险是否达到了可接受的水平。简而言之，如果社会风险的FN曲线低于可忽略线，风险是可以接受的。相反，如果社会风险的FN曲线的任何部分高于不可接受线，则该风险可能被认为是不可接受的，需要采取措施控制风险。

FN标准线的理论表达式如下

F×Nα=β

(1)

式中：F为累积频率；N为死亡人数；β为常数；α为风险厌恶指数，将式(1)进行对数转换得到下式

lgF+αlgN=lgβ

(2)

关于标准线的斜率α问题，目前国际上风险厌恶指数α的取值情况有2种α=1,α=2[12]。其中斜率α=1的风险接受准则为中立型风险；其中斜率α=2的风险接受准则为厌恶型风险。根据水上污染事故的性质，本文中将水上污染事故风险视为中立型风险，既将斜率α设定为1。

FN曲线表示不同事故场景中危险的概率风险，适用于既有充分数据且背景类似的情况下的风险比较。水上污染事故历史数据充足且发生事故的背景类似，故可以采用此方法来对未来的事故风险进行预测，且其两条标准线将风险分成了三个区域，类似于风险矩阵法中高中低风险的三个区域。但FN曲线也存在其局限性，主要表现在它无法说明影响范围或事项结果，只能说明受影响人数，并且无法识别引发伤害发生的方式等方面。

图2 FT曲线表示的社会风险的风险合理可行区域Fig.2 ALARP region of social risk represented by FT curve

本文研究对象为水上污染事故风险，现阶段的船舶水上污染主要为溢油事故，因此本文主要对船舶溢油污染进行风险分析。为了在FN曲线上更直观地表示船舶溢油污染的危害后果，本文将FN曲线的横坐标死亡人数(N)用污染量(T)代替，作出FT曲线图。通过在双对数坐标系上通过点绘(f,T)点来构造FT曲线，纵坐标为f(F)，横坐标为T，f为每一次污染事故发生的概率，T为该污染事故发生下相应的污染量，F为T的累积分布函数，即污染量大于或等于Tt的失事概率[13]。FT曲线示意图见图2，不可接受线和可忽略线将整个风险区域划分为三个区域。

通过对《导则》中我国现行的风险可接受标准制定方法(风险矩阵法)与FN曲线法对比研究，主要发现以下两点问题：

(1)目前预测事故发生概率，是预测区域内在某一个时间范围内发生一起事故，但是预测事故概率大小与区域划分大小有着明显的关系，例如：一个码头发生一起事故的概率要小于一个港域内发生一起事故的概率。现行标准中也没有对区域的明确定位划分，风险可接受水平的高低还是与区域大小有关。

(2)传统的风险可接受水平确定方法是将区域内所有船舶看作某一种特定船型去预测事故发生时的污染量大小。但是在实际情况下，吨级不同的船舶发生事故的概率以及事故发生后的污染量是不同的，例如：吨级小的船舶与吨级大的船舶相比，其进出港数量较多，污染事故发生率较高，但单次事故泄露的污染量相对较小。在风险矩阵图中，一个区域内的船舶可接受风险应表示为一块区域，而传统的风险矩阵法将区域内的船舶同一成同一船型，在风险矩阵图中表示为一个点，并不能准确地代表整个区域内的船舶污染事故可能发生的情况。

综上所述，利用FN曲线法来制定水上污染事故风险可接受准则是合理可行的。

3 ALARP边界确定

目前船舶溢油污染的ALARP边界确立方法主要有三种：基于切线法、PLO法、CAF/CATS比值法[13]。

鉴于各个方法的适用性以及污染事故数据可获取性，发现基于潜在溢油损失(PLO)的ALARP边界确立方法[14]比较适合于本文水上污染事故风险评估模型。

PLO(potential loss of oil)方法由PLL法(potential loss of life)衍生而来，该方法由IMO于2010年提出，其含义为船舶在特定周期内、作业活动范围中可能带来风险的频率，其中风险主要指船舶溢油风险，特定周期一般指一年。

PLOA的定义如下[14]

(3)

(4)

式中：GDP为每年的GDP,美元/a；WO是每年的溢油量,t/a；Wmax为最大溢油量,t；Wmin为最小溢油量,t；EVtanker为租一艘油船的年收入,美元/船年；PLOA为平均潜在溢油损失，t/船年；F(w)为与溢油量w相关的溢油频率。

PLO方法确定标准线需要2个参数：(1)曲线在所经过的某个点；(2)曲线的斜率。

结合综合安全评价(FSA)导则中的相关方法，从上述公式中可以推导出，不可接受标准线在双对数坐标系中表示为一条通过点(Log(Wmin)，Log(10×F(Wmin)))的直线。上一节提到，水上污染事故风险为中立型风险，斜率α设定为1，在双对数坐标系中表示为标准线斜率为-1。可忽略风险线的值一般小于不可接受风险值1～2个数量级，本文取2个数量级[15]，故可忽略风险线在双对数坐标系中表示为与不可接受标准线平行的一条直线，且经过点(Log(Wmin)，Log(0.1×F(Wmin)))。

4 实例分析

为了验证上述评估模型的适用性，选取舟山港域作为研究对象，对其水上污染事故可接受风险标准进行分析。

4.1 风险分析

船舶污染事故发生与否可以看成独立事件，可以将其看作服从二项分布，结合船舶污染事故发生的特点(进出区域艘次远大于船舶发生污染事故概率)，利用泊松分布近似表示二项分布，且二者存在关系。

λ=np

(5)

式中：λ是单位时间或单位面积内随机事件的平均发生率；n是船舶进出区域艘次；p为每艘船舶发生污染事故的概率基础值。

根据《规范》和《导则》规定，进行事故概率预测的历史数据因尽可能多，原则上不少于10 a。本文根据对近10 a舟山港域的历史水上溢油事故统计数据进行分析，具体数据见表1。

表1 舟山港域污染事故次数及进出港艘次统计表Tab.1 Statistics of oil spill accidents and ships numbers in Zhoushan Port

由表1数据计算可以得出舟山港域油船货船每年发生船舶溢油事故次数λ以及油船溢油事故概率基础值p如下

根据2017版《导则》中规定，区域水上溢油应急防备的应对目标至少为可能最大水上溢油事故，区域最可能水上溢油事故按照该区域内航行、作业的最大船型1个货油边舱或燃料油边舱的容积确定。本文为了消除区域大小划分对水上污染事故可接受水平的影响，将事故最可能污染量与船舶载重吨进行比较，得出每船舶载重吨的最可能污染量。

结合舟山海事局调研所得近年船舶进出港艘次，分吨级计算油船、货船每载重吨船舶发生污染事故的次数及最可能事故污染量，具体数据见表2、表3。

表2 分吨级油船污染事故发生概率及污染量预测结果Tab.2 The probability of pollution accident and forecast result of pollution amount of oil tanker

表4 2006～2016年舟山市 GDP总量及溢油量Tab.4 The Zhoushan′s GDP and oil spill volume in 2011～2016

4.2 ALARP区域确定

通过对舟山市相关单位及部门进行调研访问，得到2006～2016年的舟山市GDP总量和此期间每年溢油量总吨数。详细数据见表4。

在目前航运业的大背景下，各种油船寿命期平均运输原油的收入估计为1.55×1010美元(油船寿命期视为20 a)，则每年的平均收入为7.75×108美元。根据各种船型租船费用的平均值并取平均租船费用为15 000美元/日。

根据舟山港进出港油船数据统计，本文假设油船最大溢油量为150 000 t，最小溢油量为1 t，经上述公式计算得到

PLOA=8.274(t/船年)F(1) = 0.641

最后，根据基于潜在溢油损失(PLO)的ALARP边界确立方法，得出不可接受风险标准线是一条经过点(Log(1)，Log(6.41))，斜率为-1的直线。同理，可忽略风险线为一条斜率为-1且经过(Log(1)，Log(F(0.064 1))的直线。

由上述计算可得，基于FN曲线法的油船污染事故可接受标准(见图3)，其标准线表达式为

不可接受标准线：LogF(T)= -LogT+ Log (6.41)

可忽略标准线：LogF(T)= -LogT+ Log(0.064 1)

4.3 比较分析

按照最大可能溢油量计算的风险可接受标准线位于用FN曲线法计算得到的最低合理可行区域(两者在FT图中的位置关系见图4)。

这说明利用《规范》和《导则》中风险矩阵法所计算的风险可接受水平相比于FN曲线法所得的风险可接受水平要略高，其原因主要有三点：

(1)对于一个区域来说，评价区域范围的大小会影响污染事故发生的概率；

(2)最大船型的进出港艘次数量并不多，代表性不强，所以使用最大船型的污染量代表所有船型的综合风险量显然是偏低的；

(3)历史污染事故数据中，海难性事故与操作性事故是存在区别的，两者的事故危害后果也会影响两种计算方法的差值。

综上所述，基于FN曲线法的水上污染事故可接受标准消除了区域范围对水上污染事故概率的影响，可以更好的表达风险可接受水平以及污染量与水上污染事故频率之间的关系，能更加实际地描述风险信息，更好地提供评价结论，管理者和决策者也可根据该标准，更有效地做出风险和安全水平方面的决策。

图3 基于FN曲线法的水上污染事故风险可接受标准Fig.3 Risk Acceptable standard for tanker pollution accidents based on FN curve method图4 两种可接受标准方法对比Fig.4 Comparison of acceptable standards between the two methods