基于動態綜合評價的區域環境風險差異化管理

楊小林,顧令爽,李義玲*,杜久升 (.河南理工大學,安全與應急管理研究中心,河南 焦作 454000；2.中國科學院成都山地災害與環境研究所,四川 成都 6004)

區域環境風險是由自然或人為因素引發,通過環境介質傳播,能對人、財產及生態環境構成威脅的潛在危險狀態,其特征表現在區域多樣風險源釋放的多重危險,風險傳播途徑與風險受體多樣化和相互作用的復雜性,包括突發性環境污染事故風險與累積性環境污染風險[1-2].我國區域發展過程中,工業化、城市化水平大幅提升,經濟高速增長,但同時資源環境狀況日趨惡化[3-4].一方面,累積性環境污染問題突出,如水體富營養化、霧霾天氣等已成為我國當前最嚴重的環境問題[5-6];另一方面,突發性環境事故多發,往往給環境安全和公眾生命財產安全造成嚴重影響[7].近年來,環境污染問題已成為當今社會矛盾和社會沖突新的誘發因素和影響社會穩定的重要風險源[8].因此,開展環境風險評價和管理已成為當今保障社會可持續發展的迫切需要.

區域環境風險評價是一種分析和比較環境影響在宏觀尺度地理區域特征的方法,重點關注產業結構、功能布局與產業定位不合理等引起的宏觀尺度結構型、布局型環境風險,為區域開發環境綜合管理和規劃決策提供依據[1,9].由于我國經濟發展模式的限制,結構型、布局型環境風險短期內徹底改變存在較大難度[10],且環境風險源、風險受體、風險傳播的空間特性導致區域環境風險呈現很強的空間變異性.因此,開展區域環境風險評價,劃分環境風險等級,結合區域社會經濟發展實際,實現區域環境風險“差異化”管理具重要現實意義.

目前,國內外環境風險評價研究多集中于單一事件、工程項目、有毒有害物質擴散等微觀風險評價[11-13],開展區域尺度環境風險評價研究的較少,且多從風險源危險性[14]、受體脆弱性[15]、風險因子釋放與轉運過程[16]等單方面考量,以考察評價對象在某個時間點的靜態風險為主[5].然而,區域環境風險受到風險因子釋放與轉運、風險受體暴露及受損等環境風險子系統的綜合作用,且各系統隨社會發展呈動態變化特征明顯[17].現有研究缺少從區域環境風險系統出發,綜合考慮評價對象在連續時間段內風險源危險性、受體脆弱性等因素對區域環境風險的綜合影響.此外,動態綜合評價的核心是評價指標在不同時刻權重系數的確定[18],目前指標權重確定的方法包括主觀賦權法(如層次分析法、模糊評判法等)和客觀賦權法(如 TOPSIS模型、熵權法、縱橫向拉開檔次法等).現有環境風險評價研究多采用層次分析法、模糊評判法等主觀賦權法確定各指標權重系數[19-22],該類方法對定量數據的要求不高,簡便易行,但主觀性強,采用客觀賦權法開展環境風險評估研究的較少.本文綜合考慮風險源危險性和受體脆弱性對區域環境風險的影響,引入“縱橫向拉開檔次法”[23]和“時序加權平均算子法”[24]等客觀賦權法構建區域環境風險系統的動態綜合評價模型,基于長時間序列數據開展動態綜合評價,并根據評價結果制定出指導區域環境風險管理的整套方法.本文根據風險評價結果對區域環境風險劃分等級從而實現差異化管理的思路,提出 “風險評價-等級分區-差異化管理”的技術方法,期望依從區域經濟社會環境系統協調發展思想,充分考慮區域經濟社會發展實際需求,實現區域環境風險“差異化”管理.

1 研究方法

1.1 區域環境風險概念模型

災害風險管理領域多采用由風險源危險性、暴露性和抗逆力3要素構成的風險三角形方法進行災害風險度量[25],該方法亦適用于區域環境風險評估.區域環境風險是風險源釋放出風險因子,經各種環境介質傳播轉運作用于人群、社會經濟、自然環境等風險受體,進而產生健康、財產和環境損害[26].因此,本研究認為風險源危險性、受體暴露性和抗逆力構成了區域環境風險的基本要素,其中,受體暴露性和抗逆力決定了系統受體的脆弱性水平,并構建以下概念模型(圖1,式1):

式中:R 、 f（H）、 f（E）、 f（R）和 f（V）分別為評價對象的區域環境風險、風險源危險性、受體暴露性、受體抗逆力和受體脆弱性.

圖1 區域環境風險評估系統概念模型Fig.1 Conceptual model system for the regional environmental risk

1.2 評價方法

本文引入 “縱橫向拉開檔次”法[23]和“時序加權平均算子”法[24]等客觀賦權法構建區域環境風險動態綜合評價模型,基于長時間序列數據實現區域環境風險動態綜合評價.首先,采用“縱橫向拉開檔次”法一次加權,確定不同評價對象在某時間段不同時刻的評價值;然后利用“時序加權平均算子”法實現二次加權,突出時間影響,確定評價對象在整個時間段的綜合評價值.

“縱橫向拉開檔次”法是基于差異驅動原理根據各個指標在總體指標中的變異和對其他指標的影響程度自動確定權重系數,從整體上盡可能體現各評價對象之間的差異.對于給定對象si∈[s1,sn]和時間tk∈[t1,tN],有 m 個評價指標(x1,x2,…xm),對原始數據標準化處理以后便得到一個面板數據集,記為 xij(tk),若能確定評價指標 的 權 重 系 數 ω（jtk） (其 中, ωj(tk)≥0;那么評價對象s在t時刻的評價函ik數為:

yi( tk)為對象si的評價值

郭亞軍等[24]在“有序加權平均算子”[27]法基礎上提出了“時序加權平均算子”法.令某個時間段為時序加權平均算子對,ui為時間誘導分量,ai為數據分量.定義時序加權平均算子為:

式中是 f相關聯的時間加權向量,,且中第j時刻所對應的時序加權平均算子對中的第 2個分量,稱 f是n維時序加權平均算子.時間加權向量表達對不同時刻的重視程度,與向量熵I和“時間度”λ有關(式 4).向量熵反映了數據集結過程中權重包含信息的程度,熵值越大,所包含的信息量越小.λ為時間度,介于 0～1,其值越小,反映評價者越注重近期數據.反之,則越重視遠期數據.

時間權向量可由式(5)得出:

式中:N為評價時間年限,ωk為tk時刻的時間權向量.

1.3 評價指標體系構建

根據區域環境風險概念模型,區域環境風險受到風險源危險性、受體暴露性和抗逆力的共同影響(圖 1).風險源危險性指一定孕災環境下,給人群、經濟社會、生態環境帶來損害的環境事件發生的可能性,體現為突發性和累積性環境風險源的密度和狀態等,與如區域多年環境污染事故數、危險源的密集度、危險物質性質與存儲量、廢氣排放量、固廢排放量、廢水排放量以及生產工藝、風險源監控與管理水平等區域風險源數量、風險因子轉運控制機制相關[16,28].受體暴露性指一定孕災環境下,受環境污染威脅的人群、自然環境和社會系統等風險受體的分布特征,體現為受體的種類、數量、密度、價值等,如人口密度、經濟密度、重要環境敏感目標密度(如自然保護區密度、耕地密度、水源地密度)等可代表受體暴露性[5,19].抗逆力指風險受體對環境污染影響的敏感程度,體現為受體自身抵御與主動減輕環境污染影響的能力,與民眾自救互救、社會應急救援和社會應急管理水平等因素有關,如人均可支配收入、專業機構應急救援能力、區域應急投入、應急管理人員數量等可代表抗逆力水平[29].受體暴露性、抗逆力共同決定了受體脆弱性,暴露性越強、脆弱性越強;抗逆力越強、脆弱性越弱.

表1 區域環境風險評價指標體系構建Table 1 Index system for the regional environmental risk assessment

根據文獻[5,10,28],篩選出危險性、暴露性和抗逆力最主要表征指標,并考慮到客觀賦權法對量化數據的要求與數據獲取的難易程度,基于指標科學性、主導性、數據可獲得性等原則構建評價指標體系.選擇重工業企業密度和產值密度、廢水、廢氣和固體廢棄物排放負荷分別表征突發性和累積性環境風險源危險性,某一區域重工業企業密度與產值密度越大,廢水、廢氣和固體廢物排放負荷越高,發生環境損害的可能性越高,可衡量區域風險源危險性[5].選擇人口密度、經濟密度和耕地密度等指標分別表征人群系統、經濟系統以及生態環境系統等受體暴露性.某一區域發生環境損害時,人口密度、經濟密度和耕地密度越高,暴露性越強,可能造成的人員傷害、經濟損失和生態影響越大.選擇人均可支配收入、萬人病床數、人均道路面積以及萬人環境與公共設施管理人數分別代表民眾自救、社會救援、應急疏散以及社會應急管理能力,表征風險受體抗逆力(表 1).當區域發生環境損害時,人均可支配收入越高,民眾自救能力越強,區域萬人病床數、人均道路面積以及萬人環境與公共設施管理人員越高,表明社會應急救援與應急管理能力越強,面對環境損害的抗逆力越強.

1.4 區域環境風險綜合評價模型構建

1.4.1 數據無量綱化 由于選取的指標單位和量綱不同,缺少可比性,應將各評價指標進行無量綱化處理為對象si的第 j個指標在tk時刻的數值(i=1,2,…, n;j=1,2,…, m; k=1,2,…, N),則有:

式中: x ′ij(tk) 為無量綱化后的值;和σj(tk)分別為第 j個指標在tk時刻的均值和標準差.原始數據經處理后包含非正數,再采用極值法(式7)對各指標進行平移和擴大.

式中:Mj=Max{ x ′ij(tk) },mj=Min{ x ′ij(tk) }.

1.4.2 基于“縱橫向拉開檔次”法的一次集結以風險源危險性、受體暴露性和抗逆力為主要參評指標,利用“縱橫向拉開檔次”法計算獲取各評價對象在tk時刻的風險源危險性指數、受體暴露性和抗逆力指數.具體步驟如下:

(1)對于給定時間tk的n個評價對象的m個指標x1,x2,…,xm的數值(已無量綱化),用矩陣Ak表示,即:

(2)計算 m×m 的實對稱矩陣

(3)計算Hk的最大特征值λmax及其對應的權重系數向量,并歸一化處理,計算各指標的權重ωj(tk);

(4)計算函數:

式中:為評價對象si在tk時刻的風險源危險性指數、受體暴露性指數和受體抗逆力指數.

(5)計算環境風險指數

根據本文建立的區域環境風險概念模型(式1)計算評價對象si在tk時刻區域環境風險指數和受體脆弱性指數

1.4.3 基于“時序加權平均算子”法的二次集結根據參考文獻[5,24],確定λ取值 0.25適合環境風險動態綜合評價.通過Lingo16.0軟件求解公式5計算時間權向量ωk.該軟件是由美國 LINDO公司開發的求解線性和非線性優化問題的簡易工具,可從 LINDO 公司官方網站(www.lindo.com)免費獲取.本文下述案例中(數據為2009～2015年)的ωk=(0.02793, 0.04291, 0.06593, 0.1013, 0.1556,0.2391, 0.3673)T;最終的評價函數為:

式中:yi為各評價對象 si在整個時間段的動態綜合評價值,如綜合風險源危險性指數、綜合暴露性指數和綜合抗逆力指數.此外,根據本文建立的區域環境風險概念模型(式1)計算評價對象si在整個時間段區域綜合環境風險指數 Ri和綜合受體脆弱性指數Vi.

1.4.4 區域綜合環境風險等級劃分 根據各評價對象的綜合評價結果,采用 SPSS分層聚類功能,將各評價單元的綜合風險、風險源危險性和受體脆弱性劃分為 5類等級區,確定區域環境風險等級及其主導因素.

1.5 “差異化”管理

區域環境風險“差異化”管理思路是依據風險評價結果劃分風險等級區域(高風險區、較高風險區、中風險區、較低風險區、低風險區),根據風險等級及其主導因素差異,提出針對性管理方案,實現區域環境風險的“差異化”管理.

1.5.1 指導思想 遵循“重點控制、優先管理”與“逐步控制、加強防范”相結合的原則.高風險區和較高風險區實行重點控制、優先管理,資源投入優先、時間靠前,根據風險主導因素,針對性的提出風險源危險性控制措施和受體脆弱性減緩措施,最大限度降低區域環境風險;中低風險區結合區域經濟社會發展目標,實行重點風險源逐步控制、防范為主的策略,加強區域應急管理體系建設.

1.5.2 風險控制等級劃分 綜合考慮區域發展、生態環境安全及現有資源,依據“重點控制、優先管理”與“逐步控制、加強防范”相結合的原則,將研究區域劃分為重點控制區、一般控制區和事故防范區 3種風險控制等級區.其中,高風險區和較高風險區作為重點控制區應重點管理、優先控制,中風險區、較低風險區和低風險區分別作為一般控制區和事故防范區可逐步控制、防范為主.

2 案例研究

以河南省為案例研究對象,開展 18個市域單元 2009～2015年的區域環境風險動態綜合評價(所有指標數據均來自于2010～2016年《河南省統計年鑒》),揭示其環境風險的空間差異,以期為河南省區域環境風險的“差異化”管理提供決策依據.下文中的綜合風險源危險性指數、綜合受體暴露性與抗逆力指數、綜合受體脆弱性指數以及綜合環境風險指數均為 2009～2015年相關數據計算獲取的綜合評價結果.

2.1 河南省綜合環境風險空間分布特征

研究結果顯示河南省綜合風險源危險性指數(圖2)、綜合風險受體暴露性指數(圖3)和抗逆力指數(圖 4)以及綜合環境風險指數(圖 5)的空間差異較大.

圖2 河南省綜合風險源危險性指數空間分布Fig.2 The spatial distribution of the hazard index for the risk source in Henan Province

圖3 河南省綜合受體暴露性指數空間分布Fig.3 The spatial distribution of the exposure index for the receptor in Henan Province

(1)綜合風險源危險性:河南省北部城市風險源危險性高于南部城市,其中,鄭州、焦作、濟源、鶴壁、許昌的綜合風險源危險性指數最高,分別為13.23、11.19、10.82、10.65、9.47,駐馬店、南陽、周口和信陽的綜合風險源危險性指數相對較低,分別為 5.64、5.59、5.58、5.18;(2)綜合受體脆弱性:受風險受體暴露性和抗逆力的綜合影響,漯河、許昌、周口、商丘、濮陽、開封等市綜合受體脆弱性指數較高,三門峽、濟源、洛陽等市綜合受體脆弱性指數較低.其中,漯河、鄭州、許昌等河南省中部城市綜合暴露性指數最高,分別為13.06、12.94、12.05,洛陽、三門峽、南陽等河南省西部城市綜合暴露性指數較低,分別為 6.88、5.10、7.07;鄭州、洛陽、新鄉等市綜合抗逆力指數較高,分別為12.42、10.33、9.86,而商丘、三門峽等市綜合抗逆力指數較低,分別為7.63、7.92;(3)綜合環境風險:受風險源危險性和受體脆弱性綜合作用,鄭州、漯河、許昌的綜合風險指數最高,分別為13.79、13.46、13.28,信陽、南陽、三門峽等市綜合風險指數最低,分別為4.15、4.16、5.01.

圖4 河南省綜合風險受體抗逆力指數空間分布Fig.4 The spatial distribution of the resilience index for the receptor in Henan Province

圖5 河南省綜合環境風險指數空間分布Fig.5 The spatial distribution of the comprehensive risk index in Henan Province

2.2 河南省環境風險等級劃分

圖6 河南省綜合風險源危險性分區Fig.6 Cartogram of the comprehensive hazard for the risk source in Henan Province

圖7 河南省綜合風險受體脆弱性分區Fig.7 Cartogram of the comprehensive vulnerability of risk receptor in Henan Province

采用 SPSS軟件分層聚類功能,根據各評價單元的風險源危險性、受體脆弱性以及風險水平及反映其特征的各指標情況進行自動聚類,將河南省各市域單元綜合風險源危險性(圖 6)、綜合受體脆弱性(圖 7)和綜合環境風險(圖 8)分別聚為5類等級區.(1)鄭州、許昌、漯河屬于高風險區.鄭州工業企業密度高、累積污染物排放量大,風險源危險性非常高,雖然抗逆力較高,人口、經濟密度高,受體暴露性強,屬于高危險、中等脆弱地區;漯河和許昌的脆弱性均較高,但是許昌的風險源危險性要高于漯河.(2)焦作、鶴壁和濮陽屬于較高風險區.焦作、鶴壁的風險源危險性較高,受體脆弱性相對較低,而濮陽屬于脆弱性較高、危險性較低的區域,風險主導因素不同.(3)安陽、開封屬于中風險區.其中,安陽風險源危險性和受體脆弱性等級均為中等,而開封屬于脆弱性較高、危險性較低的區域.(4)平頂山、商丘、周口、新鄉、濟源等城市屬于較低風險區.其中,周口、商丘等屬于低危險性,較高脆弱性區域;濟源作為重要重工業城市,風險源危險性較高,但區域人口、經濟密度較低,受體暴露性弱,屬較高危險性、低脆弱性區域;平頂山、新鄉的風險源危險性和受體脆弱性均較低.(5)洛陽、三門峽、南陽、信陽、駐馬店屬于低風險區,該類區域危險性和脆弱性均較低.

圖8 河南省綜合環境風險分區Fig.8 Cartogram of the comprehensive environmental risk in Henan Province

2.3 區域環境風險“差異化”管理方案

區域環境風險“差異化”管理是根據不同區域環境風險的主導因素提出針對性的控制措施.對風險源危險性高的區域,應從產業結構調整與升級、企業風險源排查和監控、企業與員工安全生產意識、危險品生產和儲運過程的安全管理等方面降低風險源危險性.對脆弱性高的區域,應重點加強基礎設施建設和應急管理體系建設,強化公眾風險意識,提高整個社會的風險承受能力.對綜合風險高的區域,發展規劃中不宜布局新的重型、污染型工業,對已有布局,應考慮廠址搬遷或產業轉移.同時在土地利用規劃中應加強防災減災措施規劃,如強化應急避難場所、應急物資儲備場所、醫院、消防等公共服務機構的建設等,從而提高風險受體的抗逆力.

綜上所述,本文針對區域環境風險管理提出4種方案,以供選擇.

2.3.1 方案一:高危險高脆弱方案 高危險高脆弱區域往往工業發達且重工業比重較高,風險源密集,且人口、經濟密度高、能量和物質流動頻繁.該類區域首先應加強現有風險源的識別、排查、監控與預警,特別是居民區、水源保護地、商業區等敏感目標周邊存在的危險化學品倉庫、油庫、工廠等重大危險源,強化風險源的監控,全面掌握環境風險源動態變化,若發現危險信號,及時發布預警;其次,加強產業結構調整、升級與轉移,降低高風險、高污染的重工業比重,降低環境事故發生概率、減少累積性污染物排放量;再次,完善土地利用防災減災規劃,加強環境污染事件預警體系和信息發布網絡體系、應急疏散方案建設,制定多級別的應急預案體系,提高區域環境應急能力.

2.3.2 方案二:高危險低脆弱方案 高危險低脆弱區域往往經濟相對發達,重工業比重較大、風險源密度高,但人口密度、重要生態景觀密度較低,脆弱性較低.該類區域在短期產業優化調整的措施主要是促進現有工業企業技術和工藝升級,著重加強安全生產管理和清潔生產.同時嚴格限制新危險源的增加,加強現有重大危險源監控與預警,降低危險源的潛在威脅.從長遠看,區域發展勢必帶來人口、物質和能量聚集,低脆弱性可能是短期存在,防災減災規劃中應盡可能結合區域發展目標制定遠景規劃,在相關條件允許下,盡可能完善區域應急管理體系.

2.3.3 方案三:低危險高脆弱方案 低危險高脆弱區域多是工業欠發達,但人口密集、生態環境脆弱的區域.該類區域應加強現有工業企業風險源排查、監控與預警,降低環境污染事件發生概率,在區域發展規劃過程中,積極提高環境準入門檻,嚴控風險負荷大、經濟附加值低的產業轉移至區域內,鼓勵低風險產業入區,特別可將綠色產業作為未來產業發展主方向.雖然該類區域危險性較低,但區域環境脆弱,一旦發生環境事件,損失和影響將十分嚴重.因此,要特別加強環境基礎設施建設和應急管理體系建設,著力提升社會風險抗逆力,降低受體脆弱性.

2.3.4 方案四:低危險低脆弱方案 低危險、低脆弱區域往往工業不發達,人口和經濟密度也較低、生態環境較好.該類區域可作為周邊高風險區域風險行業選址和產業轉移的目標區域.考慮到產業轉移勢必導致區域風險源增多,因此要切實做好風險源的監控與管理,防止風險向環境事件轉化,同時完善區域應急管理體系,特別是該類區域往往地廣人稀,信息傳播困難,要重點加強信息發布渠道、應急預案建設.

根據河南省綜合環境風險分區及其風險源危險性、受體脆弱性特點,本研究對河南省市域尺度環境風險“差異化”管理提出以下建議,見表3.

表3 河南省市域單元環境風險“差異化”管理對策Table 3 Differentiated management strategies of the regional environmental accidents risk for eighteen cities of Henan Province

3 結論

3.1 本文借鑒災害風險管理理論,從風險源危險性、受體暴露性和抗逆力3方面構建區域環境風險綜合評估指標體系,引入“縱橫向拉開檔次”法和“時序加權平均算子”法建立了基于長時間序列數據的區域環境風險動態綜合評價方法,可實現區域環境風險動態綜合評價.

3.2 本文提出了 “風險評價-等級分區-差異化管理”的區域環境風險管理思路,依據“重點控制、優先管理”與“逐步控制、加強防范”相結合的原則,結合風險評價與等級劃分,劃定重點控制區、一般控制區和事故防范區3種風險控制等級區,通過逐層遞進的方法確定不同管理區采取的“差異化”管理策略.

3.3 通過該方法在河南省的應用,實現了河南省18個市級單元的區域環境風險動態綜合評價,確定了河南省未來環境風險管理的主要目標以及可采取的“差異化”管理方案,并可為其他類似區域環境風險綜合評價和管理提供案例參考.

3.4 河南省區域環境綜合風險及其主導因素空間變異顯著,其中鄭州、許昌、漯河、焦作、鶴壁和濮陽等城市應作為區域環境風險控制管理的重點區域,需根據各城市環境風險的主導因素從產業布局、產業升級、區域防災減災規劃等方面采取針對性控制措施,降低區域環境風險源危險性和風險受體脆弱性,實現區域環境風險的“差異化”管理.

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