晉江流域工業環境風險評價研究

周振瑤,宋柳霆,陳海洋,滕彥國,李 劍,陳 明 (北京師范大學水科學研究院,北京 100875)

晉江流域工業環境風險評價研究

周振瑤,宋柳霆*,陳海洋,滕彥國,李 劍,陳 明 (北京師范大學水科學研究院,北京 100875)

為了預防由于工業企業危險物質泄漏引發的環境突發事故,保護流域水環境安全.本研究選用基于Seveso III指令模型的方法進行流域環境風險評價研究,并對模型進行適應性改進,選擇工業企業分布較為密集的泉州晉江流域進行了示范研究.利用高程、企業分布、危險物質儲存量等數據,得到企業內在風險;疊加區域易受損性后得到子區域的環境風險.結果表明,南安市是晉江流域環境風險最高的子區域,風險值高達 108,安溪縣和泉州市區風險水平居中,晉江市為低度危險子區域.在此基礎上,根據評價結果提出了具有針對性的流域環境風險控制建議.

流域環境風險評價；Seveso III指令模型；泄漏風險；危險物質儲存

近年來,隨著科技進步和經濟社會的迅速發展,人口不斷涌向大型城市,工業企業也隨之分布于城市周邊并逐漸擴大形成綜合工業區,爆發流域環境污染事件的幾率劇增,如2005年吉化雙苯廠爆炸事件、2010年紫金礦業污染事故等,這些突發污染事件具有來勢兇猛、波及范圍廣和難以控制等特點,不僅會給區域內居民的生命和財產帶來不可估量的損失,而且會對生態環境造成持久性破壞.因此,開展針對突發性污染事故的流域環境風險評價,對于保證流域環境安全具有重要意義.

流域環境風險評價屬于區域風險評價范疇,從流域尺度入手,綜合考慮區域內的各種風險源,多個風險受體,全面分析流域內的居民生活飲用水、灌溉用水和工業生產用水可能遭受的風險.當前,國內外學者主要關注流域生態風險評價和流域非點源污染的風險評價[1-8],亦或以單一工業點源為中心的特定區域的風險研究[9-11].以上研究主要是既定現狀或者一段時期內一般污染狀況的風險評價,而對突發事件的風險評價工作則多集中在海上溢油、特定化學品泄漏等方面.Emerson等[12]分析了美國沿海移動源及陸源突發溢油事故的風險情況.針對發生在中國長江南京段的溢油事故,池麗敏[13]利用二維水量模型模擬石油擴散到取水口的時間作為風險指標.沈郁[14]對青島奧運帆船賽期間當地的危險化工企業進行了區域風險評價,定性得到各類企業的風險等級.劉國東等[15]將運輸有毒有害物質的汽車從橋上翻車作為飲用水源的突發風險源,運用一維河流水質模型計算得到的受影響河段長度表征風險度.對于北京城市飲用水突發事件,韓麗[16]應用層次分析法進行了風險評估.然而,到目前為止,我國尚沒有成熟的量化的針對工業突發污染事件的流域環境風險評價方法.

歐盟Seveso III指令是歐洲理事會對Seveso指令的第三次修訂[17],是控制危險物質造成突發事故的法規.基于該指令的區域環境風險評價方法旨在預防危險物質的重大泄漏事故并控制其對人類和環境的危害,是一套判斷工業企業儲存危險物質的泄漏風險是否達到臨界狀態的指令模型.由于該指令方法相對比較完善,體系明確,結構清楚,已經在歐盟取得了很好的應用效果.此次研究擬選用該指令模型,并結合實際對原模型進行了改進,利用改進后的模型在晉江流域開展了工業環境風險評價研究.

1 研究區概況

晉江位于福建省泉州境內,流域面積5629km2.地形以西北戴云山脈沿東南逐漸降低,具有西高東低的特點.山地植被覆蓋好,以馬尾松、杉木、毛竹及其他經濟果木組成的人工林或天然林為主,森林覆蓋率51.15%.流域氣候跨南、中亞熱帶,年平均氣溫 17～21℃,多年平均降水量為1010～1756mm,降雨主要集中在3～9月,約占全年降雨的85%,多臺風暴雨.

晉江的主要支流為東溪和西溪,兩溪匯合于南安市的雙溪口.西溪發源于安溪縣桃舟鄉達新村梯仔嶺東南坡,流經感德、劍斗、侖蒼、英都、美林,全長153km,流域面積3101km2.東溪發源于永春縣呈祥鄉云路村,流經錦斗、蓬壺、石鼓、五里街、城關、東平、山美水庫、梅山、洪瀨,全長120km,流域面積1917km2.兩溪匯合后進入晉江干流,最終匯入泉州灣,流入東海(圖 1).晉江干流中上游處設有金雞攔河閘,閘口上方為泉州市、晉江市的主要生活飲用水源地.

圖1 晉江水系示意Fig.1 The map of Jinjiang river watershed

2 Seveso Ⅲ指令模型及其改進

2.1 模型構建

祝慧娜等[18]在湘江應用水環境模糊綜合評價模型進行研究,認為風險由脆弱性和危害性構成.與之類似,Seveso Ⅲ指令模型在辨識流域內工業泄漏危險的基礎上,考慮了城市飲用水、農業用水和工業用水的區域易受損性,并通過公式(1)計算工業企業風險指數.定義如下:

式中:TIR為區域工業風險指數;n為區域內具有泄漏風險的工業企業數量;TIRi為第 i工廠的企業環境風險指數;IIHi為第 i工廠的泄漏危險指數;TVUi為由于工廠i的存在引發城市地區易受損指數;TVAi為由于工廠i的存在引發農業地區易受損指數;TVIi為由于工廠 i的存在引發工業區易受損指數;wfu為城區權重因子;wfa為農業區權重因子;wfi為工業區權重因子.權重因子的定義是基于政治因素,而不是計算因素,例如在中國大多數飲用水取自地表水體,wfu值應該最高.如果強調避免水資源受到人類活動的污染,則 wfu取值應該最大(如 wfu:wfa:wfi=0.7:0.2:0.1).如果只關注飲用水源風險,則wfu=1,wfa=wfi=0.

2.2 模型所需數據資料

模型所需的數據輸入主要包括流域數字高程模型、水系圖和工業企業綜合數據等(表1).

表1 模型資料匯總Table 1 Data for the model

2.3 模型主要參數及改進

(1) 工業企業泄漏危險指數.企業危險是企業存儲物質的類型和數量以及生產活動的函數.其他用于計算發生泄漏概率的方法通常不可行,因為這些方法所需要的企業詳細信息難以獲取.Seveso Ⅲ指令方法根據系統的調查,篩選出危險的工業或生產過程,由此確定危險物質清單.原方法對于泄漏風險(IIH)的值,只設定了不危險(0),危險級別A(0.5)和危險級別B(1)3個閾值.為了使企業泄漏危險評價更具有連續性,采用改進的連續函數P(M)來定義泄漏風險IIH,如下:

式中:IIHi為第i企業的泄漏危險指數;IIHi,j為第i企業的第j類危險品泄漏危險指數;Mi,j為第i企業第j類危險品儲存量;ThrA和ThrB分別為危險級別A類、B類的限值.

(2) 城市地區易受損指數.城市地區易受損指數(TVU)表示危險企業發生泄漏時城市地區的脆弱性,與危險企業下游飲用取水口供水人數和企業泄漏物沿水流抵達取水口所需時間密切相關.原方法采用閾值方式定義易受損性,本研究將其進行線性連續改進,定義如下:

式中:K表示受 i企業泄漏影響的城市飲用取水口數量;φ為算子;DIUi,k為受i企業影響的第k取水口距離指數;PIUi,k為受i企業影響的第k取水口的供水人口指數.取水口距離指數與供水人口指數定義如下:

式中:ti,k為污染物從i企業遷移到第k取水口時間,需要利用Arc GIS軟件計算相應河段(危險企業與取水口之間)的曲線距離,以及晉江平均水流速度.pi,k為受i企業影響的第k取水口供水人口數量;pmax為城市供水人口總數.

(3) 農業區易受損指數.農業區易受損指數(TVA)表示危險企業發生泄漏時下游使用水源進行灌溉的農業區的脆弱性,其值與危險工業企業下游灌溉取水口數量和企業泄漏物沿水流抵達取水口所需時間密切相關.定義如下:

式中:K表示受 j企業影響的灌溉取水口數; DIAi,k為受 i企業影響的第 k灌溉取水口距離指數,定義為:

式中:ti′,k為污染物從i企業遷移到第k取水口所需時間.

(4) 工業區易受損指數.工業區易受損指數(TVI)表示危險企業發生泄漏時下游使用水源用于工業生產的工業區易受損性,其值與危險企業下游工業取水口數量、企業泄漏物沿水流抵達取水口所需時間密切相關,定義如下:

式中:K表示受 i企業影響的工業取水口數量;DIIi,k為受i企業影響的第k工業取水口距離指數,定義為:

式中:ti,k''為污染物從i企業遷移到第k取水口的時間.

(5) 企業工業風險.企業工業風險是工業企業泄漏危險指數與區域易受損指數的累積.

此次研究主要強調城市居民飲用水安全,則wfa=wfi=0.公式簡化為:

依據行政區劃劃定子區域,對于包含工業企業i、j、k……n的子區域C而言,子區域中包含的所有危險企業的風險值總計TIRC值為:

3 結果與討論

3.1 晉江流域工業企業泄露風險

運用改進的Seveso Ⅲ指令模型,對流域內工業企業儲存的危險物質進行核算,得出各企業泄露風險值(不同企業根據相應的超標物質來量化內在風險).當企業存在兩種或兩種以上危險物質時,以IIH值最高的物質核算.此次研究涉及的晉江流域125家企業中,IIH＝0的企業76家,占60.8%,這些企業沒有儲存Seveso Ⅲ指令清單中的危險物質;0＜IIH＜0.5的共29家,占23.2%,這些企業儲存危險物質的量不超過 A類限值;0.5≤IIH＜1的有11家,占8.5%,這些企業所儲存的危險物質介于A類限值和B類限值之間;IIH＝1的有9家,占7.2%,其危險物質儲存量超過B類限值.由此可見,考慮企業潛在的泄露風險,晉江流域內 84%的企業處于安全范圍,15.7%的企業所儲存的危險物質超過危險限值,存在不同程度的內在泄漏風險.

圖2列出了IIH值高于0.5的企業,并且標示了企業儲存的危險品類別.根據原Seveso Ⅲ指令模型的閾值方式,代號為10,91,25,23,15,21,69,62, 79號企業的IIH值將一致為0.5.而改進后,IIH值介于0.5～1.0的企業形成連續排列(圖2),使得企業泄露風險具有了更顯著的區分度,有助于對這部分企業的內在泄露風險進行更加準確的評價.

3.2 晉江流域工業企業風險

晉江流域 5個主要飲用水取水口分別是北渠的北峰三水廠、北水廠和湄南供水泵站,以及南渠的加沙取水口和田洋供水泵站(圖3).

從取水口和企業的上下游關系來看,雖然晉江流域企業眾多,但大多分布于下游的晉江市和石獅市,對飲用水源產生影響的可能性較小.因此,在計算企業風險時,僅考慮可能對飲用水源產生影響的企業.按照行政區劃將晉江流域劃為5個子區域:A(永春縣),B(安溪縣),C(南安市),D(泉州市)和 E(晉江市).忽略沒有泄露風險的企業(IIH＝0),計算各子區域內危險企業的城市地區易受損指數(TVU),并根據公式(12)和(13)計算工業企業風險指數TIR,結果如表2所示.

由表 2知,t最大值越大,工業企業泄露危險物質順水擴散的范圍越大,脆弱性降低的速度越快.將t最大值提高至48h時,更多的取水口會受到影響.如區域A中的50號企業,因其與各個取水口的距離較遠,在t最大=24h時,對下游的取水口均不會產生影響,即TVU=0;但是,當t最大=48h時,下游區域的 TVU值大于零,即該企業的影響將難以忽略,部分取水口進入受影響范圍.

圖2 基于不同危險物質類別的部分企業IIH值Fig.2 IIHvalues of some enterprises based on different dangerous substances

圖3 晉江流域危險企業及飲用水取水口分布Fig.3 The distribution of dangerous enterprises and drinking water sources

對于同一個取水口,如在不同 t最大值下均受到影響,則較大t最大值(即t最大=48h)時受到影響的范圍更大.一般而言,對于同一工業企業 j,t最大值設置得越高,由于企業 j的影響所致的城市區域脆弱性就越高,環境風險值也越高.

3.3 晉江流域工業環境風險特征

表3列出了晉江流域工業風險評價結果.可以看出,IIHC值為IIHD值得1.14倍,這表明在僅考慮泄露風險的情況下,C和D區域的風險相當.然而,考慮區域易受損性后,尤其是 t最大=48h 時, TIRC/TIRD=1.92,區域C的風險遠高于區域D,接近2倍.因此,考慮區域易受損性前后風險評價結果差異顯著,證明區域脆弱性是風險評價中不能忽視的重要因素,其值對評價結果影響重大.

表2 危險企業的TVUj值和TIRj值Table 2 TVU and TIR values of the studied dangerous enterprises

表3 區域風險評價結果Table 3 Regional risk assessment results

從地緣因素上看,位于東溪上游的永春縣,地處山區,工業不發達,主要產業為蘆柑種植,而其TIRA=2,區域風險評估為不危險.位于西溪上游的安溪縣,大面積種植鐵觀音,是中國重要的產茶基地.安溪縣雖然企業不多,但是所存儲的危險物品有超標的現象,TIRB=63,區域風險評估為中度危險.位于東溪和西溪匯流處的南安市,主要以建材和中型化工企業為主,企業數量較多,且危險物質存儲量較大,TIRC=108,區域風險評估為高度危險.泉州市區的企業分布較少,而且由于集中式生活飲用水的取水口都分布在南、北渠上,所以僅有少數企業對水源環境構成威脅,TIRD=56,風險評估為中度危險.位于下游的晉江市分布有大量的服裝和鞋類工廠,危險物質的儲存規模較大.但是,這些工廠大多數分布于沿海,即使發生泄露也不會對上游飲用水造成威脅,TIRE=29,風險評估為低度危險.綜合風險評價方法結果和地緣因素來看,二者較為吻合,表明基于改進的 SevesoⅢ指令模型的流域環境風險評價方法結果可靠性較好.因此,相對于傳統的區域環境風險評價方法[19-20],該評價方法無需繁瑣的源項分析,對數據、資料要求較低,且具有全面、快速等優勢,適用于流域環境風險評價研究.

4 建議

根據此次風險評價研究結果,對晉江流域風險管理提出如下建議:(1)建議風險值較高的企業(如區域C,102號;區域B,44號;區域D,8號),減少或杜絕 Seveso III指令清單中危險品的大量儲存.(2)石獅市大多數企業分布于沿海地區不會對飲用水源產生風險,但是研究表明77號企業位于南渠加沙取水口附近,風險值又較高,建議采取必要的隔離措施,以防泄漏進入水渠.(3)在流域內嘗試產業布局調整,頻繁涉及危險物質的化工行業應盡量控制在石獅市的沿海地區集中發展.

5 結論

本研究對Seveso III指令模型進行了連續函數改進,并利用改進后的方法對晉江流域進行工業企業風險評價研究,從工業企業所儲存的危險品入手,并綜合考慮了城市飲用水的水源環境易受損性,評價結果與地緣因素能夠較好吻合.總體而言,南安市是晉江流域工業環境風險最高的子區域,風險值高達 108,安溪縣和泉州市區風險水平居中,晉江市為低度危險區域.

[1] 安立會,鄭丙輝,張 雷,等.渤海灣河口沉積物重金屬污染及潛在生態風險評價 [J]. 中國環境科學, 2010,30(5):666-670.

[2] 羅固源,李 平,許曉毅,等.重慶主城區流域鄰苯二甲酸酯生態風險評價 [J]. 環境科學與管理, 2009,34(4):166-169.

[3] 盧宏瑋,曾光明,謝更新,等.洞庭湖流域區域生態風險評價 [J].生態學報, 2003,23(12):2020-2530.

[4] Obery A M, Landis W G. A regional multiple stressor risk assessment of the Codorus Creek watershed applying the relative risk model [J]. Human and Ecological Risk Assessment, 2002, 8(2):405-428.

[5] Zhang H, Huang G H.Assessment of non-point source pollution using a spatial multicriteria analysis approach [J]. Ecological Modeling, 2011,222(2):313-321.

[6] 劉瑞民,何孟常,王秀娟.大遼河流域上游非點源污染輸出風險分析 [J]. 環境科學, 2009,30(3):663-667.

[7] 張淑榮,陳利頂,傅伯杰,等.農業區非點源污染潛在危險性評價——以于橋水庫流域磷流失為例 [J]. 第四紀研究, 2003, 23(3):262-269.

[8] Wickham J D, Wade T G.Watershed level risk assessment of nitrogen and phosphorus export [J]. Computers and Electronicsin Agriculture, 2002,37(1-3):15-24.

[9] 劉 超,胡建信,劉建國,等.鍍鉻企業周邊全氟辛烷磺?；衔锃h境風險評價 [J]. 中國環境科學, 2008,28(10):950-954.

[10] 蔣文燕,湯慶合,李懷正,等.化工企業環境風險綜合評價模式及其應用 [J]. 中國環境科學, 2010,30(1):133-138.

[11] 任 鋒.液氯泄漏的環境風險評價—以自來水廠為例 [J]. 海峽科學, 2010,42(6):30-32.

[12] Emerson S D, Nadeau J. A coastal perspective on security [J]. Journal of Hazardous Materials, 2003,104:1-13.

[13] 池麗敏.江河水源地突發性水污染事故風險評價 [J]. 工業安全與環保, 2009,35(3):32-34.

[14] 沈 郁.青島市危險化學品企業風險評價與對策研究 [J]. 安全、健康和環境, 2009,9(11):34-36.

[15] 劉國東,宋國平,丁 晶.高速公路交通污染事故對河流水質影響的風險評價方法探討 [J]. 環境科學學報, 1999,19(9):572-575.

[16] 韓 麗,來海亮,楊淑慧,等.采用AHP模型的北京城市供水突發事件風險評估 [J]. 北京水務, 2009,(6):36-38.

[17] Papazoglou I A, Nivolianitou Z S, Bonanos G S.Land use planning policies stemming from the implementation of the SEVESO- ⅡDirective in the EU [J]. Journal of Hazardous Materials, 1998,61:345-353.

[18] 祝慧娜,袁興中,梁 婕,等.河流水環境污染風險模糊綜合評價模型 [J]. 中國環境科學, 2011,31(3):516-521.

[19] 周志斌.化工行業的環境風險評價 [J]. 環境科學導刊, 2010, 29(1):87-90.

[20] 周美春,錢 新,錢 瑜,等.區間證據推理法在區域環境風險評價中的應用 [J]. 長江流域資源與環境, 2010,19(Z1):160-165.

Environmental risk assessment based on an improved Seveso III Directive for industrial chemicals: A case study of Jinjiang watershed in Quanzhou.

ZHOU Zhen-yao, SONG Liu-ting*, CHEN Hai-yang, TENG Yan-guo, LI Jian, CHEN Ming (College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1715～1721

In order to prevent major industrial accidents involving dangerous substances and help protect the water environment security, the model in context of Seveso III Directive was chosen for the watershed environmental risk assessment. There were a number of factories widely distributed in Jinjiang watershed. Here a case study was applied in Jinjiang watershed, Quanzhou, after an improvement of this model. The leakage risk was assessed with the digital elevation data, the distribution of industries and the storage of dangerous substances. The regional industrial environment risk was further assessed together with the regional vulnerability. According to the results, Nan’an had the highest risk with a value of 108, while Anxi and Quanzhou city had a medium level. Jinjiang City was with the lowest value at risk. Based on the above, some targeted suggestions were proposed for environmental risk control in Jinjiang watershed.

watershed environmental risk assessment；Seveso III Directive model；leakage risk；storage of dangerous substances

2012-12-12

國家水體污染控制與治理科技重大專項課題(2009ZX07419-003)

* 責任作者,講師,songliuting@163.com

X820.4

A

1000-6923(2012)09-1715-07

周振瑤(1986-),男,吉林省吉林市人,北京師范大學碩士研究生,主要從事地表水污染源解析方面的研究.