基于FN曲線的水上污染事故風險評估方法研究

周鴻鑄，鄭彭軍*

(1.寧波大學 海運學院 寧波港航物流服務體系協同創新中心，寧波 315211; 2.國家道路交通管理工程技術 研究中心寧波大學分中心，寧波 315211; 3.現代城市交通技術江蘇高校協同創新中心，南京 210096)

隨著海上石油運輸量的迅猛增長，油船等各種船舶的密度不斷加大，污染事故發生的隱患機率逐年加大，特別容易發生船舶污染海洋環境的事故。溢油等水上污染事故一旦發生，不僅會對海洋環境造成嚴重污染，破壞生態系統，而且對沿海漁業、養殖業和制鹽制堿工業等行業也將帶來巨大經濟損失。因此，科學合理地對水上污染事故進行風險評估顯得十分必要。

我國對海洋環境保護工作從20世紀70年代開始，王水田[1]總結了國內外港口環境保護主要技術；張寶晨[2]提出了港航風險防控基礎是提高風險意識，合理進行風險評估；劉紅、許歡[3-4]在其文章中總結了目前水上污染事故的風險評估方法，然而這些方法在使用期間都會存在某種劣勢。概率分布法雖可以根據數據給出可靠結果，但由于水上污染事故發生的頻率很低，在數據收集完整度方面存在困難；層次分析法是一種可以將問題層次化使其條理化的思維方法，但存在較強的主觀性，一般需要結合其他方法進行研究；模糊綜合評價法涉及到傳統習慣的定量化思維模式轉變，可解決信息不全的問題，其主要缺點在于主觀意識比較大；人工神經網絡法適用于歷史污染數據較多且完整的情況下，但該方法僅在大量數據支持下才能準確評估風險；故障樹分析法通過對事故發生的因果關系，進行邏輯推理，逐步進行風險分析，但需要知道的限制條件較多；貝葉斯網絡法是一種比較廣泛使用的方法，能夠進行樣本觀測，但卻過于依賴詳盡的樣本。

筆者在對水上污染事故評估與風險可接受標準的研究中發現，FN曲線法在表示社會風險時具有可以表達不同事故場景中危險的概率風險，也可以進行背景類似的情況下的風險比較的特點，這與水上污染事故的風險特征十分吻合。同時FN曲線也是一種有效描述風險信息的手段，能以便于理解的形式來表示頻率及后果信息。管理人員可以通過FN曲線，更有效地做出風險和安全水平方面的決策。

本文采用當前國外風險可接受水平普遍采用的風險判據原則——“最低合理可行(ALARP)原則”，用FN曲線來表示水上污染事故風險的頻率和后果，結合PLOA邊界確定方法，對區域的水上污染事故風險進行評估。

1 風險可接受標準的研究

國外對于社會風險可接受標準的研究開始于20世紀60年代末期，經過多年發展，1992年英國健康安全委員會(HSE)[3]結合各種因素提出了核電站的風險可接受標準；Jonkman[4]在其綜述中提到了荷蘭大壩潰壩風險的可接受概率和指標值的關系；澳大利亞地質力學出版社[5]在2007年制定了滑坡風險管理的社會風險標準。在其他行業中，可接受風險的研究也取得了較多成果。

國內對于可接受風險的研究起步較晚，李漾[6]等人對石化工業可接受生命、經濟、環境風險水平進行了研究；程亮[7]結合煤礦頂板事故的特點，給出了我國頂板事故可接受風險準則；周興波[8]等人基于ALARP準則給出了我國大壩社會可接受風險標準的建議值；裴晶晶[9]對壓力管道歷史事故進行回歸分析后得到壓力管道爆破事故的可接受風險。除此之外，我國許多其他領域的風險可接受準則都有待探討研究。

目前衡量社會風險接受標準確定的方法有很多，包括ALARP 原則、風險矩陣法、FN 曲線、PLL值、FAR值、VIIH值、ICAF值、經濟優化法、社會效益優化法等[10]。

我國在水上污染事故方面對于船舶污染海洋環境風險評價的主要技術依據有兩個，一是《船舶污染海洋環境風險評價技術規范(試行)》(2011版)(簡稱《規范》，已失效)，二是《水上溢油環境風險評估技術導則》(2017版)(簡稱《導則》)，兩份文件中均提到了風險接受水平的分析方法。通過對比分析兩份標準文件，發現兩者都采用矩陣法表示風險(高、中、低)，風險可接受水平標準并沒有明確。

兩者溢油量計算方法存在不同，《規范》強調海難性船舶污染事故的污染量由主力船型的一個油艙或燃油艙的燃油完全泄露來預測事故污染量，《導則》指出區域風險評價的污染量由區域內的最大船型的最可能污染量來確定。采用最大船型作為事故污染量的預測基礎相較于主力船型可能更符合區域內的最可能發生污染量，目前也是有效的2017版《導則》用來預測事故污染量。

上述方法都是將區域內所有船舶看作某一種特定船型去預測事故發生時的污染量大小。但是實際情況是，噸級小的船舶進出港艘次較多，污染事故發生頻率較高，但單次事故泄漏的污染量相對較小；噸級大的船舶進出港艘次較少，污染事故發生頻率較低，但單次事故的污染量大。故單一地用最大船型或者主力船型的最可能污染量來確定區域內事故的污染風險是存在缺陷的。

2 基于FN曲線的可接受標準

圖1 FN曲線Fig.1 FN curve

許多國家采用FN曲線法來表示社會風險可接受標準。FN曲線(FN Curves)[11]表示的是人群中有N個或者更多的人受到影響的累積頻率。FN曲線最初用于核電站的風險評價中，目前廣泛用于社會風險接受準則的制定。在大多數情況下，它們指的是出現一定數量人員傷亡的頻率。FN曲線圖示見圖1。

FN曲線中最重要的元素是FN標準線，FN標準線可以判斷由FN曲線所描述的社會風險是否達到了可接受的水平。簡而言之，如果社會風險的FN曲線低于可忽略線，風險是可以接受的。相反，如果社會風險的FN曲線的任何部分高于不可接受線，則該風險可能被認為是不可接受的，需要采取措施控制風險。

FN標準線的理論表達式如下

F×Nα=β

(1)

式中：F為累積頻率；N為死亡人數；β為常數；α為風險厭惡指數，將式(1)進行對數轉換得到下式

lgF+αlgN=lgβ

(2)

關于標準線的斜率α問題，目前國際上風險厭惡指數α的取值情況有2種α=1,α=2[12]。其中斜率α=1的風險接受準則為中立型風險；其中斜率α=2的風險接受準則為厭惡型風險。根據水上污染事故的性質，本文中將水上污染事故風險視為中立型風險，既將斜率α設定為1。

FN曲線表示不同事故場景中危險的概率風險，適用于既有充分數據且背景類似的情況下的風險比較。水上污染事故歷史數據充足且發生事故的背景類似，故可以采用此方法來對未來的事故風險進行預測，且其兩條標準線將風險分成了三個區域，類似于風險矩陣法中高中低風險的三個區域。但FN曲線也存在其局限性，主要表現在它無法說明影響范圍或事項結果，只能說明受影響人數，并且無法識別引發傷害發生的方式等方面。

圖2 FT曲線表示的社會風險的風險合理 可行區域Fig.2 ALARP region of social risk represented by FT curve

本文研究對象為水上污染事故風險，現階段的船舶水上污染主要為溢油事故，因此本文主要對船舶溢油污染進行風險分析。為了在FN曲線上更直觀地表示船舶溢油污染的危害后果，本文將FN曲線的橫坐標死亡人數(N)用污染量(T)代替，作出FT曲線圖。通過在雙對數坐標系上通過點繪(f,T)點來構造FT曲線，縱坐標為f(F)，橫坐標為T，f為每一次污染事故發生的概率，T為該污染事故發生下相應的污染量，F為T的累積分布函數，即污染量大于或等于Tt的失事概率[13]。FT曲線示意圖見圖2，不可接受線和可忽略線將整個風險區域劃分為三個區域。

通過對《導則》中我國現行的風險可接受標準制定方法(風險矩陣法)與FN曲線法對比研究，主要發現以下兩點問題：

(1)目前預測事故發生概率，是預測區域內在某一個時間范圍內發生一起事故，但是預測事故概率大小與區域劃分大小有著明顯的關系，例如：一個碼頭發生一起事故的概率要小于一個港域內發生一起事故的概率。現行標準中也沒有對區域的明確定位劃分，風險可接受水平的高低還是與區域大小有關。

(2)傳統的風險可接受水平確定方法是將區域內所有船舶看作某一種特定船型去預測事故發生時的污染量大小。但是在實際情況下，噸級不同的船舶發生事故的概率以及事故發生后的污染量是不同的，例如：噸級小的船舶與噸級大的船舶相比，其進出港數量較多，污染事故發生率較高，但單次事故泄露的污染量相對較小。在風險矩陣圖中，一個區域內的船舶可接受風險應表示為一塊區域，而傳統的風險矩陣法將區域內的船舶同一成同一船型，在風險矩陣圖中表示為一個點，并不能準確地代表整個區域內的船舶污染事故可能發生的情況。

綜上所述，利用FN曲線法來制定水上污染事故風險可接受準則是合理可行的。

3 ALARP邊界確定

目前船舶溢油污染的ALARP邊界確立方法主要有三種：基于切線法、PLO法、CAF/CATS比值法[13]。

鑒于各個方法的適用性以及污染事故數據可獲取性，發現基于潛在溢油損失(PLO)的ALARP邊界確立方法[14]比較適合于本文水上污染事故風險評估模型。

PLO(potential loss of oil)方法由PLL法(potential loss of life)衍生而來，該方法由IMO于2010年提出，其含義為船舶在特定周期內、作業活動范圍中可能帶來風險的頻率，其中風險主要指船舶溢油風險，特定周期一般指一年。

PLOA的定義如下[14]

(3)

(4)

式中：GDP為每年的GDP,美元/a；WO是每年的溢油量,t/a；Wmax為最大溢油量,t；Wmin為最小溢油量,t；EVtanker為租一艘油船的年收入,美元/船年；PLOA為平均潛在溢油損失，t/船年；F(w)為與溢油量w相關的溢油頻率。

PLO方法確定標準線需要2個參數：(1)曲線在所經過的某個點；(2)曲線的斜率。

結合綜合安全評價(FSA)導則中的相關方法，從上述公式中可以推導出，不可接受標準線在雙對數坐標系中表示為一條通過點(Log(Wmin)，Log(10×F(Wmin)))的直線。上一節提到，水上污染事故風險為中立型風險，斜率α設定為1，在雙對數坐標系中表示為標準線斜率為-1。可忽略風險線的值一般小于不可接受風險值1～2個數量級，本文取2個數量級[15]，故可忽略風險線在雙對數坐標系中表示為與不可接受標準線平行的一條直線，且經過點(Log(Wmin)，Log(0.1×F(Wmin)))。

4 實例分析

為了驗證上述評估模型的適用性，選取舟山港域作為研究對象，對其水上污染事故可接受風險標準進行分析。

4.1 風險分析

船舶污染事故發生與否可以看成獨立事件，可以將其看作服從二項分布，結合船舶污染事故發生的特點(進出區域艘次遠大于船舶發生污染事故概率)，利用泊松分布近似表示二項分布，且二者存在關系。

λ=np

(5)

式中：λ是單位時間或單位面積內隨機事件的平均發生率；n是船舶進出區域艘次；p為每艘船舶發生污染事故的概率基礎值。

根據《規范》和《導則》規定，進行事故概率預測的歷史數據因盡可能多，原則上不少于10 a。本文根據對近10 a舟山港域的歷史水上溢油事故統計數據進行分析，具體數據見表1。

表1 舟山港域污染事故次數及進出港艘次統計表Tab.1 Statistics of oil spill accidents and ships numbers in Zhoushan Port

由表1數據計算可以得出舟山港域油船貨船每年發生船舶溢油事故次數λ以及油船溢油事故概率基礎值p如下

根據2017版《導則》中規定，區域水上溢油應急防備的應對目標至少為可能最大水上溢油事故，區域最可能水上溢油事故按照該區域內航行、作業的最大船型1個貨油邊艙或燃料油邊艙的容積確定。本文為了消除區域大小劃分對水上污染事故可接受水平的影響，將事故最可能污染量與船舶載重噸進行比較，得出每船舶載重噸的最可能污染量。

結合舟山海事局調研所得近年船舶進出港艘次，分噸級計算油船、貨船每載重噸船舶發生污染事故的次數及最可能事故污染量，具體數據見表2、表3。

表2 分噸級油船污染事故發生概率及污染量預測結果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總量及溢油量Tab.4 The Zhoushan′s GDP and oil spill volume in 2011～2016

4.2 ALARP區域確定

通過對舟山市相關單位及部門進行調研訪問，得到2006～2016年的舟山市GDP總量和此期間每年溢油量總噸數。詳細數據見表4。

在目前航運業的大背景下，各種油船壽命期平均運輸原油的收入估計為1.55×1010美元(油船壽命期視為20 a)，則每年的平均收入為7.75×108美元。根據各種船型租船費用的平均值并取平均租船費用為15 000美元/日。

根據舟山港進出港油船數據統計，本文假設油船最大溢油量為150 000 t，最小溢油量為1 t，經上述公式計算得到

PLOA=8.274(t/船年)F(1) = 0.641

最后，根據基于潛在溢油損失(PLO)的ALARP邊界確立方法，得出不可接受風險標準線是一條經過點(Log(1)，Log(6.41))，斜率為-1的直線。同理，可忽略風險線為一條斜率為-1且經過(Log(1)，Log(F(0.064 1))的直線。

由上述計算可得，基于FN曲線法的油船污染事故可接受標準(見圖3)，其標準線表達式為

不可接受標準線：LogF(T)= -LogT+ Log (6.41)

可忽略標準線：LogF(T)= -LogT+ Log(0.064 1)

4.3 比較分析

按照最大可能溢油量計算的風險可接受標準線位于用FN曲線法計算得到的最低合理可行區域(兩者在FT圖中的位置關系見圖4)。

這說明利用《規范》和《導則》中風險矩陣法所計算的風險可接受水平相比于FN曲線法所得的風險可接受水平要略高，其原因主要有三點：

(1)對于一個區域來說，評價區域范圍的大小會影響污染事故發生的概率；

(2)最大船型的進出港艘次數量并不多，代表性不強，所以使用最大船型的污染量代表所有船型的綜合風險量顯然是偏低的；

(3)歷史污染事故數據中，海難性事故與操作性事故是存在區別的，兩者的事故危害后果也會影響兩種計算方法的差值。

綜上所述，基于FN曲線法的水上污染事故可接受標準消除了區域范圍對水上污染事故概率的影響，可以更好的表達風險可接受水平以及污染量與水上污染事故頻率之間的關系，能更加實際地描述風險信息，更好地提供評價結論，管理者和決策者也可根據該標準，更有效地做出風險和安全水平方面的決策。

圖3 基于FN曲線法的水上污染事故風險可接受標準Fig.3 Risk Acceptable standard for tanker pollution accidents based on FN curve method圖4 兩種可接受標準方法對比Fig.4 Comparison of acceptable standards between the two methods

5 結論

本文根據國內外水上污染事故風險評價方法和風險可接受標準的研究成果，對區域內船舶污染風險進行研究，對比現有風險可接受水平的評價方法，得到如下結論：

(1)ALARP準則和FN曲線法可以適用于水上污染事故的可接受標準確定，標準線的確定可用基于潛在溢油損失的ALARP邊界確立方法。

(2)對于水上污染事故危害后果用死亡人數來表示并不適用，可用溢油量或者經濟損失來替代死亡人數表示事故危害后果。