上海市突發環境污染事故風險區劃

薛鵬麗,曾維華 (北京師范大學環境學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京 100875)

上海市突發環境污染事故風險區劃

薛鵬麗,曾維華*(北京師范大學環境學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京 100875)

環境風險區劃是區域布局型環境風險管理及環境風險分區管理的重要手段.本研究在環境風險系統理論的指導下,借鑒“自上而下”和“自下而上”傳統區劃方對上海市突發環境風險進行區劃研究.上海市突發環境風險區劃中“自上而下”環境風險一級區的劃分是依據上海市 1990～2008年突發污染事故歷史時空格局獲得;而“自下而上”是通過構建上海市風險區劃指標體系,在對指標進行概念模型量化的基礎上,運用基于遺傳算法的K均值聚類在最小區劃單元進行聚類區劃,并依據上海市政府宏觀規劃對聚類后的圖斑碎塊進行科學性和實用性調整,獲得上海市突發環境污染事故風險亞區和小區;將上海市突發環境風險一級區及亞區和小區集成分析,實現上海市突發環境污染事故風險綜合區劃.結果表明:上海市突發環境污染事故風險區劃包含2個風險一級區,5個風險亞區和21個風險小區,客觀揭示了上海市突發環境污染事故風險的空間分布規律.針對上海市布局型環境風險和不同風險區提出相應的管理措施,為上海市綜合減災降險和風險管理決策提供科學依據.

突發環境污染事故；上海;環境風險區劃；自上而下；自下而上；基于遺傳算法的K均值聚類；環境風險分區管理

上海是我國長江三角洲城市群的核心城市,黃浦江與蘇州河兩岸分布有大量傳統重化工企業,而吳淞、高橋、金山、寶山等區縣新型化工園繁榮發展[1].與此同時,隨著上海經濟突發猛進的發展,中心城不斷擴張,風險源周邊取水口,人群等風險受體不斷增加,一旦發生污染事故,必將造成嚴重的社會影響和巨大的經濟損失,上海布局型環境風險日益凸顯.此外,從2000年到2008年宏觀統計數據看,上海市突發環境污染事故呈明顯上升趨勢.突發環境污染事故風險威脅著上海市人群健康和生態環境安全.

環境風險區劃是新興的區域環境風險分析的思路,也是突發環境污染事故風險研究和差異性管理的重要依據.目前國內外環境風險區劃方法的研究主要集中在對環境風險評價結果的空間表達[2-5]和單因素環境風險因子圖形疊置[6-9]兩個方面.基于環境風險評價的風險區劃是區域環境風險評價結果在空間的表達,很難反映環境風險系統要素特征在空間分異規律,并不是真正意義上的環境風險區劃;而單因素環境風險因子圖形疊置法缺失了區域環境風險其他要素信息,如風險源疊加產生的環境風險區劃缺少對風險受體的考慮,結果的科學性有待進一步研究[10].

本研究中,環境風險區劃是依據環境風險在時間上的演替和空間上的分布規律,對其空間范圍進行區域劃分,反映環境風險空間地域性和一致性,用等級系統來體現環境風險區劃要素空間分異規律的過程.在環境風險系統理論的指導下,借鑒“自上而下”和“自下而上”傳統區劃方法對上海市突發環境風險進行區劃研究.其中,“自上而下”環境風險空間差異性劃分是依據上海市歷史突發污染事故時空格局獲得;而“自下而上”是在構建環境風險區劃指標體系并對其進行概念模型量化的基礎上,在區劃的最小單元實現環境風險系統要素空間解耦,將指標屬性值進行空間分析及信息集成,運用基于遺傳算法的K均值聚類分析,依據上海市政府宏觀規劃對聚類后的圖斑碎塊進行科學性和實用性調整,獲得上海市突發環境污染事故風險小區;將上海市突發環境風險大區和環境風險小區集成分析,實現上海市突發環境污染事故風險綜合區劃.受體三方面構建上海市突發環境風險區劃指標體系,如表1所示.

表1 上海市突發環境污染風險區劃指標體系Table 1 Zoning index system of Shanghai environmental accident risk

1 上海市突發環境污染事故風險系統識別

計算2007年上海登記的一千余家生產、使用、貯存危險化學品單位的危險系數,選取危險系數前一百位的單位作為上海市突發環境污染事故風險源危險性的研究對象;上海市環境風險場特征分析主要考慮大氣風險場和水系風險場,不考慮地表水、土壤等其他傳輸介質特征;此外,上海市是一個包含社會經濟、自然生態等因素的復合系統,因此突發環境污染事故風險受體對象包含社會經濟和生態系統,風險受體綜合脆弱性包含社會經濟脆弱性和生態系統脆弱性.

在對上海市突發環境污染事故風險系統分析的基礎上,從環境風險源、風險場及環境風險

2 上海市突發環境污染事故風險區劃指標模型量化

2.1 上海市突發環境風險源危險性

從環境風險源自身危險性和控制機制有效性兩個變量構建上海市突發環境污染事故風險源綜合危險性量化模型.環境風險源與一般危險源不同,火災爆炸事故不會產生突發環境污染事故,但會造成有毒有害物質的泄露(如松花江污染事故),由此導致大氣或水污染污染事故.因此,本研究認為含有易燃易爆物質的危險源不屬于環境風險源,但這類危險物質是環境風險物質(即有毒有害物質)釋放的致因.在環境風險源危險性量化模型中,易燃易爆物質危險性作為權重,進一步加強環境風險源自身危險性.

根據《建設項目環境風險評價導則》[11],上海市 100家環境風險源有毒物質危險性計算如式(1)所示:

式中:Hi為有毒性物質i的危險指數;Qi為第i種物質貯存量;LD50為第i種物質的半致死濃度.易燃易爆事故危險性選用TNT當量模型量化,其計算如式(2)所示:

式中:WTNT為蒸汽云的TNT當量, kg;Wf為蒸汽云中燃料的總質量,kg; a為蒸汽云爆炸的效率因子,表明參與爆炸的可燃氣體的百分數,一般取3%或 4%;Qf為物質燃燒熱,MJ/kg;QTNT為TNT的爆炸熱,一般取平均值4.52MJ/kg.

此外,上海市突發環境風險源控制機制有效性由初級控制機制和次級控制機制共同決定.控制機制的指標都為定性的描述指標,運用基于層次分析法的模糊綜合評價法對環境風險源的控制機制進行量化.邀請上海市安全部門,環境保護部門,及100家風險源企業員工等30位專家對表1中的控制機制指標進行權重賦值和隸屬度的確定,依此評價上海市突發環境風險源控制機制的有效性.

上海市突發環境風險源綜合危險性指數計算公式如式(3)所示:

根據式(3)計算上海市突發環境風險源綜合危險性,其空間分布如圖1所示.

由圖1可知,杭州灣北部、浦東外高橋區域、寶山和嘉定突發環境風險源集中,且風險源危險性較大;崇明、南匯、青浦突發環境風險源較少,且危險性也較小;市中心普陀區分布有重大突發風險源,一旦發生污染事故必將引起巨大的經濟損失和嚴重社會影響,建議通過布局優化調整,將該區域的風險源搬遷至相應的工業園,降低上海市中心城區突發環境污染事故的風險.

圖1 上海市100家環境風險源危險性分布Fig.1 Spatial distribution of 100 environmental risk sources hazardous in Shanghai

2.2 上海市環境風險場特征指數

2.2.1 大氣風險場特征指數 用改進的高斯模型來反映環境風險物質進入大氣后風險轉運特征,從而反映大氣環境風險場在區域空間的相對特征.依據高斯模型構建的大氣環境風險場指數不是用于模擬預警,而是為了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.

對于單風險源單風向影響下的大氣風險場指數,在對區域劃分網格的基礎上,主要考慮風向和每個網格與區域內風險源的距離構造大氣風險場指數.參考氣體擴散高斯模型,構造大氣風險場指數為:

式中:點(x, y)為高斯擴散模式坐標系下的坐標值,該坐標系以風險源為坐標原點,x軸正向為風向,y軸在水平面上垂直于x軸,正向與x軸成90度角;Q為風險源風險值.

當網格內的風險源為多源且受多個主導風向影響時,需固定坐標系,按風向和風險源將計算點坐標變換成高斯坐標,帶入式(4)求出計算點對應于風險源的風險場指數;再累積計算其他風險源的風險場指數.當受多個風向影響時,多源模式下的風險場指數為:

式中: R為區域內某計算點的大氣風險場指數;n為風險源個數;pj為風向j的風頻率;rij(xij, yij)為計算點在j風向下對應于第i個風險源的風險場指數;xij, yij為計算點在j風向下對應于風險源i的高斯擴散模式坐標.

根據式(4)、式(5)計算上海市大氣環境風險場指數,其空間分布如圖2所示.由圖可知,上海市西北方向(下風向)大氣風險場明顯高于東南方向(上風向),即南匯及奉賢南部受大氣環境風險場影響較弱.由于上海市突發環境風險源幾乎都分布在上海市市區及其周邊郊區,因此,崇明島地區幾乎不受大氣風險場影響.

2.2.2 水系風險場指數 對于一般的河流而言,其深度和寬度相對于長度非常小,排入河流的污染物,經過一段離排污口很短的距離,就可以在斷面上混合均勻.因此,絕大多數河流水質的計算常常可以簡化成一維水質問題,即假設污染濃度在斷面上均勻一致,只隨著流程的方向變化.此時,對于河流的空間特征來講,就是將河流抽象為一條線[12].在計算某個取水口的風險場指數時,可參考一維穩態河流混合衰減模型.

圖2 上海市大氣環境風險場指數分布Fig.2 Atmospheric risk field index distribution of Shanghai

當某取水口上游存在一個風險值為 q的風險源時,參考河流一維穩態混合衰減模型,該取水口服務區域的水系風險場指數為:

式中:W為水系風險場指數;x為風險源到取水口的距離,m;k為風險物質衰減系數,d-1;ux為河流平均流速,m/s; Q為河流的流量.

當取水口上游有多個風險源,且流經多條河流對取水口產生影響時,通過對風險場進行累加獲得取水口的水系風險場指數.

根據式(6)計算上海市的水系風險場指數,其空間分布如圖3所示.由圖可知:黃浦江下游取水口的水系風險場指數明顯高于其他取水口,由于其服務范圍主要為浦東、市中心等人口密集的區域,當發生污染事故時,對黃浦江下游居民飲用水安全構成嚴重的威脅,該區域飲用水安全保障問題是污染事故預防和應急管理的重點.此外,由于上海市郊區風險源分布相對較少,且取水口大都位于水系上游,因此,水系風險場影響較小,青浦的大部分地區、金山、寶山和嘉定的北部水系風險場指數遠低于浦東和市中心地區.

圖3 上海市水系風險場指數空間分布Fig.3 Spatial distribution of the water risk field index in Shanghai

2.3 環境風險受體脆弱性

2006年《Global Environmental Change》指出暴露、敏感性、彈性/適應能力是脆弱性的構成要素,并探討了社會-生態框架下,脆弱性、適應能力、彈性的概念及研究現狀,指出脆弱性分析應包含暴露、敏感性及適應能力分析,且應從社會、生態雙維出發[13-15].上海市突發環境風險受體脆弱性主要考慮暴露受體的敏感性和適應力兩個因素.暴露受體敏感性越強,脆弱性就越大;而適應力越強,則脆弱性越低,其概念模型用式(7)表示:

式中:VI為風險受體暴露脆弱度指數;SI、ACI分別為受體敏感度指數及適應力指數.

上海市突發環境污染事故風險受體是一個包含社會、經濟、自然等因素的復合生態系統,因此其環境風險受體綜合脆弱度是社會脆弱度和生態脆弱度的耦合,環境風險受體綜合脆弱度概念模型為:

式中:SV為突發環境污染事故環境風險受體綜合脆弱度;VIs為社會經濟脆弱度指數;VIe為生態系統脆弱度指數;α、β分別代表社會經濟和生態系統不同受體的權重值.

圖4 上海市突發環境風險受體綜合脆弱度指數空間分布Fig.4 Spatial distribution of the receptor vulnerability in Shanghai

根據式(7)計算上海市社會經濟脆弱度和生態系統脆弱度的基礎上,分析上海市突發環境風險受體特征,依據上海市環境風險受體特征及專家咨詢,上海市社會經濟和生態系統脆弱性權重值α,β分別取 0.6,0.4.根據式(8)計算上海市環境風險受體綜合脆弱度指數,其空間分布結果如圖 4所示.由圖可知,上海市市中心區,極高的社會經濟脆弱度導致中心城區風險受體的綜合脆弱度高于其他區域.市郊區極高的生態系統脆弱性導致該區域環境風險受體綜合脆弱性很高.上海市其他郊區如奉賢、嘉定及崇明等地,由于人口分布較少、經濟密度低,使得其社會經濟脆弱性較低,同時由于市郊區域敏感生態系統分布較少,使得該區域生態系統受體脆弱性不高,從社會經濟和生態系統兩方面考慮,該區域的綜合脆弱度指數較低,可以作為中心人口疏散、風險行業選址或實現上海市產業布局優化調整目標的依據.

3 上海市突發環境污染事故風險區劃結果

3.1 自上而下—基于區域環境風險信息統計的區劃

圖5 上海市突發環境污染事故風險大區Fig.5 The environmental accident risk districts of Shanghai

區域歷史突發環境污染事故時空格局能客觀反映突發環境風險分布規律,為風險預警及應急管理提供依據[16].因此,“自上而下”一級界線的劃分主要考慮區域突發環境污染事故發生的差異性.通過對上海市2000～2008年各區縣突發環境污染事故的統計分析,對研究區突發環境風險進行區域劃分,結果如圖5所示,根據上海市突發環境污染事故發生頻次,將上海市突發環境污染事故風險劃分為污染事故重點控制區、污染事故防范區兩個一級風險區.

3.2 自下而上—基于最小單元聚類的區劃

將研究區域劃分為 1000m×1000m的網格,共產生135210個環境風險系統復合圖斑作為自下而上區劃的最小單元.此時,每個圖斑中都包含有環境風險源危險性指數、大氣風險場指數、水系風險場指數及風險受體脆弱性指數 4個屬性值,采用基于遺傳算法的K均值聚類實現自下而上的區劃.在Matlab環境下編寫基于遺傳算法的K均值聚類算法,其參數設置如下:種群大小m=60,算法的最大迭代次數 T=100,交叉概率pc1= 0.9, pc2= 0.6,變 異 概 率 pm1= 0.1, pm2= 0.001,b=1000.獲得最優初始聚類中心后,運用K均值算法進行聚類,直到每組數據收斂到最優解.

參考2007年《上海市土地利用規劃》[17]、《產業布局規劃》[18]、《上海市城市發展總體規劃》[19]和《上海市生態功能區劃》[20]中重點生態建設項目等對聚類的圖斑碎塊進行調整獲得上海市突發環境污染事故風險區劃的亞區和小區.

3.3 上海市突發環境風險綜合區劃方案

將“自上而下”和“自下而上”區劃結果綜合集成分析,得到上海市突發環境污染事故風險綜合區劃結果,如表2所示.

4 上海市突發環境污染事故風險管理對策

從上海市突發環境污染事故風險區劃結果看,上海市布局型環境風險主要表現為突發環境風險源集中分布在市中心的人口密集區和黃浦江沿江取水口保護范圍,由此造成突發環境污染事故高發及黃浦江下游水系風險場指數偏高.嘉寶南風險源控制小區(I-11)緊鄰中心城社會經濟脆弱區(II-11),此外,位于市中心(主要為普陀區)也分布由重大危險源,一旦發生污染事故將對上海市的核心命脈區域造成影響,經濟損失也將不可估量.因此,應對現有的上海市產業布局做優化調整,如將嘉寶南部的風險源搬遷至寶山工業園等其他社會經濟脆弱性較低的區域.在這些重大危險源未搬遷之前,該區域布局型突發環境風險的減緩措施主要是對重點危險企業的監控和預警.突發環境污染事故發生時該區事故應急管理的重點主要是人群疏散、應急救援、事故的應急處理處置,二次污染的預防等.由上海市水系風險場指數空間分布圖(圖3)可知,黃浦江沿江布局型突發環境風險尤為嚴重,由此導致黃浦江下游水系風險場影響明顯.上海市取水口和風險源都沿江分布,隨著中心城的不斷擴張,風險源周邊人群不斷增加,一旦發生污染事故,不但對飲用水造成污染,還危及社會穩定和人體健康.由于,黃浦江沿江危險源較多,很難在短時間內將它們徹底搬遷,因此,短期內該區域布局優化調整的措施主要為嚴格限制沿江新危險源的增加,并進一步對現有重大危險源進行風險隱患排查,不符合規定的要堅決取締或關閉,減少危險源對敏感人群和取水口的威脅;從長遠來看,應在綜合考慮該區域功能定位及其生態環境特征的基礎上,搬遷重大危險源或轉移飲用水取水口.

表2 上海市突發環境污染事故風險綜合區劃命名Table 2 The name list of Shanghai environmental accidents risk regionalization

5 結論

依據環境風險系統理論,從環境風險源危險性(包括風險源自身的危險性和控制機制的有效性)、環境風險場特征性(水系和大氣風險場)以及環境風險受體脆弱性(社會經濟和生態系統脆弱性)3方面建立了環境風險區劃的指標體系,借鑒自然災害區劃的方法,運用“自上而下”和“自下而上”相結合的區劃方法獲得上海市突發環境污染事故的2個風險一級區,5個風險亞區和21個風險小區,客觀揭示了上海市突發環境污染事故風險的空間分布規律.在分析上海市突發環境污染事故風險區和風險小區主導風險因子和風險特征的基礎上,提出不同的風險管理措施,優化區域的環境風險管理,為研究區減災、防災、產業布局等提供重要依據.

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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

國家“863”項目(2007AA06A404)

* 責任作者, 教授, zengwh@bnu.edu.cn

薛鵬麗(1981-),女,山西太谷人,博士,主要從事環境管理、環境風險類研究.