基于网格化方法的突发环境风险分析

马 宁, 贺金鑫, 郝丽荣

(1.吉林大学 地球科学学院, 长春130061; 2.中国地质调查局 发展研究中心, 北京100037)

0 引 言

突发环境是指一定时域/ 区域内自然景观及社会设施发生突然性改变的一种生态效应。 当前随着我国国民经济快速发展的同时, 环境问题始终伴随其中, 风险源不断积累, 重大环境事件频发[1], 伴随着资源环境承载力的不足, 一旦发生环境事件即造成社会的直接或间接经济损失、 景观破坏和人员伤害等。 突发环境风险事件, 波及范围大, 事件复杂[2-3]。 如2005 年吉林化工爆炸导致松花江水污染;2012 年河北克尔化工硝酸胍爆炸; 2015 年天津滨海新区爆炸事故等。 目前区域环境风险评价是以环境污染物质短期或长期对人类健康的影响为主[4-5], 国内对该领域研究相对较少, 给出一种科学合理的环境风险评估方法是必要的, 且从区域评估分析进而防控环境风险事件已成为环境风险防控的当务之急。许多学者将多指标综合评价法[6-7]、 数学评价法[8]、 模型计算法[9-11]和区域生态风险评价[12-14]和网格指标法[15]等运用到区域突发环境风险事件的分析中。

研究区位于东部山区与西部平原的过渡地带, 西北地区地势平坦, 东南地区地势高低起伏[15]。 该区域地处松花江上游, 为全年不冻江段, 且是城市主要环境风险企业集中区域, 选用此区域开展突发环境风险评估具有较好代表性和较高的参考价值。 笔者参照《行政区域突发环境事件风险评估推荐方法》构建研究区网格化环境风险计算法作为分析方法, 结合风险源规模、 受体脆弱性和风险防控与应急三方面开展环境分析研究[15]。

1 突发环境风险分析方法

1.1 划分评估单元

笔者的研究区域面积较小, 根据其实际地形情况, 为获得较高精度的评估结果, 将区域地理网格作为划定环境风险评估单元的方法[16], 网格法是基于环境风险场理论, 根据风险源的强度、 风险受体与风险源之间的空间关系, 在计算各个网格风险值的基础上, 通过分析、 差值和汇总分析获得区域的风险情况[17-18]。 基于研究区行政区划图, 运用ArcGIS 软件,将研究区划分为140 个边长为1 km×1 km 的正方形区域, 并将每个网格进行编号, 如图1 所示。

图1 划分环境风险评估单元Fig.1 Division of environmental risk assessment units

1.2 构建评估指标体系

环境风险评价系统, 即包含风险源和风险受体[19], 区域内环境风险因素并存且相互影响, 风险源释放出环境风险因子, 迅速扩散后作用于人类、 生态系统等环境风险受体, 造成人体健康、 环境和财产等损害[20]。 针对环境风险评估, 结合研究区实际情形, 依照《推荐方法》中网格化环境风险分析, 把调查评估数据和区域环境风险特征作为环境风险值的评估指标。 因此, 构建良好的评估指标体系, 需要遵循系统性、 主导性、 稳固性、 多重性及现实性原则[17,21]。

笔者围绕网格环境风险场强度、 风险受体易损性构建研究区网格化突发环境风险评估指标体系。 如表1 所示, 在准则层中, 运用风险企业表征网格环境风险场强度, 具体包括区域内某一网格与风险企业的关系、 某一网格中出现风险场的概率、 风险企业环境风险物质最大存在量与临界量比值和风险企业数量。风险企业数量、 等级与环境风险值成正相关。 网格环境风险受体易损性则与网格内的人口数量有关。

表1 网格化环境风险评估指标体系Tab.1 Parameters of gridded environment assessment system

2 突发环境风险评估

2.1 识别环境风险源与风险受体

根据环境保护科学研究院提供调查数据, 共统计研究区内重点环境风险企业150 家, 如图2 所示。并根据其主要的环境风险物质划分出重大、 较大、 一般3 个风险等级, 其中加油站7 家, 危险废物经营单位3 家, 涉及风险物质运输企业4 家, 集中式污水处理厂1 家。 根据风险企业地理坐标显示, 风险企业主要分布于研究区中部和东部, 南部以零星式分布, 少量靠近松花江, 如图2 所示。

一般来说, 环境风险受体主要有人类聚集区、 生态保护区和社会经济区[22]。 根据环境影响评价因素、 环境风险受体的评估模式和典型突发环境事件风险评估模式等, 笔者以人口聚集区为主, 对该研究区进行环境风险受体识别, 主要将其分为5 类, 如表2 所示。 根据环境风险受体地理坐标显示(见图3),环境风险受体的分布较为分散, 主要分布在研究区的南部和西部, 这与研究区的地形和村庄发展有关。

表2 环境风险受体统计Tab.2 Environmental risk receptor statistics

图2 环境风险源分布图Fig.2 Environmental risk source distribution map

图3 环境风险受体分布图Fig.3 Environmental risk receptor distribution map

2.2 环境风险评估与表征

经网格化研究区及识别统计环境风险源和风险受体后, 进行环境风险场强度计算。 环境风险场强度与环境风险物质的释放量及危害性和风险源的距离有关, 可视为环境风险源的环境风险物质最大存在量与临界量的比值、 计算点与风险源距离的函数[23]。 结合《推荐方法》和研究区实际情况构建网格环境风险场强度与网格环境风险受体易损性的计算公式, 则有

其中k、j分别为差异系数、 对立系数, 在地势较为平坦地区取k1=0.5、k2=-0.5、j=-1;S1、S2、S3、S4分别取1 km、3 km、5 km、10 km。

由于各个环境风险企业风险等级不同和计算的风险场强度数值差异较大, 因此需要标准化处理规范数值的区间, 计算公式如下

统计各个网格内人口数量, 根据环境风险受体易损计算模型, 计算受体的易损性, 计算公式如下

其中pmax为网格内最大人口数量,pmin为网格内最小人口数量。

将标准化后的网格环境风险场强度数值和网格环境风险受体易损性数值代入环境风险评估模型, 对每个单元网格进行量化, 最终求得环境风险指数

通过三分法将所得的大气环境风险评估值划分为3 个区间, 分别记作高、 中、 低3 个风险等级。 运用ArcGIS 中插值算法, 从而形成研究区环境风险地图(见图4)。

2.3 结果分析

图4 环境风险评估图Fig.4 Environmental risk assessment chart

结合研究区环境风险评估图, 将环境风险高值区域进行标号, “1、2” 号高风险区域处在研究区东部且靠近河流处。 该地由于集中分布较多的高风险企业如化工企业、 制药厂等且人口聚集度高。 另外 “3、4”号高风险区域处于研究区中部地带, 该区域存在较多风险企业或人口较为集中。 其中, “1、2” 号高风险值区域靠近河流, 研究区内的河流处于整个江段的上游且为不冻江段, 一旦发生突发环境灾害, 会对该区域甚至整体下游造成污染。 突发环境风险事件具有不确定性, 若没有做好防范措施, 必定会造成较大的经济损失和社会影响。 因此, 为防患于未然, 需要加强对风险企业的监管, 例如根据风险等级, 对重点环境风险企业进行实时监控与管理, 进而降低突发环境风险, 有效降低环境破坏、 经济损失和人员伤害; 以及建立突发环境风险应急措施, 完善应急处置程序。

3 结 语

笔者运用网格化计算法构建环境风险评估模型, 制作环境风险地图。 结果表明, 部分高风险区域集中在研究区东部并且靠近河流。 充分调查周边环境与人口规模以及整体地形特征与气候环境后, 提出了具有针对性、 有效合理的城市环境风险防控和应急救援的理论建议。 对于典型突发环境分析而言,该区域只是作为试点开展研究, 因此获取的数据量较少。 但这种方法可以扩展到风险较大的企业和风险较大的省份或省会城市, 以提供必要的城市环境风险分析。