基于風險場的化工園區(qū)累積性大氣環(huán)境風險評估方法研究

周夏飛，曹國志，於 方，徐澤升，周 穎，楊威杉，藏 楠

(生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院 生態(tài)環(huán)境風險損害鑒定評估研究中心，北京 100012)

0 引 言

21世紀以來，在全球經(jīng)濟一體化發(fā)展的帶動下，我國化工園區(qū)蓬勃發(fā)展[1]。根據(jù)中國石化聯(lián)合會調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2018年底，全國重點化工園區(qū)或以石油和化工為主導產(chǎn)業(yè)的工業(yè)園區(qū)共有676家[2]。與單個建設(shè)項目或企業(yè)的環(huán)境風險相比，該類園區(qū)具有多源、多物質(zhì)和多敏感目標的特點[3-4]，各類有毒有害物質(zhì)通過大氣傳播，對周邊人群和自然環(huán)境帶來嚴重威脅[5-8]。因此，如何系統(tǒng)科學的評估并精準有效的實施大氣環(huán)境風險管理，降低園區(qū)大氣環(huán)境風險水平迫在眉梢。

大氣環(huán)境風險評估是園區(qū)大氣環(huán)境風險管理的重要手段，是管理者決策的基礎(chǔ)依據(jù)[9-11]，國內(nèi)外許多學者對區(qū)域環(huán)境風險評估進行了相關(guān)研究。目前，環(huán)境風險評估常用的方法有層次分析法[12-13]、突變級數(shù)法[14-15]、模糊數(shù)學法[16-17]、環(huán)境風險場評價法[5-8,18]。其中，層次分析法和模糊數(shù)學法過于主觀，突變級數(shù)法克服了專家的主觀，但未考慮環(huán)境風險受體的影響[2]，而環(huán)境風險場評價法充分考慮了風險源和風險受體的空間位置關(guān)系，對區(qū)域進行網(wǎng)格化，并利用GIS在地圖上可視化環(huán)境風險，應(yīng)用最為廣泛[5-8,18]。2016年，邢永健等[6]探索應(yīng)用區(qū)域環(huán)境風險系統(tǒng)理論中的環(huán)境風險場理論，并對其進行實際應(yīng)用的可操作性進行了優(yōu)化；2019年，Cao等[7]利用環(huán)境風險場評價方法，首次對全國開展突發(fā)性環(huán)境風險評估，識別出了全國高風險熱點區(qū)域；2020年，周夏飛等[8]基于環(huán)境風險場評價方法，對長江經(jīng)濟帶開展突發(fā)水污染風險分區(qū)研究，并利用突發(fā)環(huán)境事件驗證了方法的可行性。綜上，環(huán)境風險場評價方法應(yīng)用廣泛，但多應(yīng)用于行政區(qū)域且多為突發(fā)性環(huán)境風險評估，園區(qū)層面累積性風險評估鮮有案例。環(huán)境風險管理的研究內(nèi)容不僅包括突發(fā)性事故的環(huán)境風險，也包含低濃度污染物長期排放的累積效應(yīng)[19-21]，而后者也是目前關(guān)注的重點，是環(huán)境風險評價的重要方面，也是環(huán)境管理和決策的科學基礎(chǔ)。

基于此，本研究在借鑒環(huán)境風險場評價法的技術(shù)思路的基礎(chǔ)上，綜合考慮化工園區(qū)的累積性環(huán)境風險特征，以100 m×100 m為評估單元，擬建立園區(qū)累積性大氣環(huán)境風險評估方法，并以某化工園區(qū)為例，進行案例分析，以期為園區(qū)環(huán)境風險管理提供決策支持。

1 方法構(gòu)建

1.1 概念模型構(gòu)建

根據(jù)環(huán)境風險系統(tǒng)理論，環(huán)境風險系統(tǒng)包括環(huán)境風險源、受體以及影響途徑三種基本要素。風險源危害的釋放和對受體影響的方式、大小可以通過風險場進行表征，風險受體對來自風險源危害的承受能力可以通過受體易損性進行表征[2,5,7,8,22]。空間中質(zhì)點(x,y)處的風險與該處可能出現(xiàn)的風險場強和風險受體易損性共同決定，計算模型為：

Rx,y=f(Ex,y,Vx,y)

(1)

式中：Rx,y為(x,y)處的環(huán)境風險指數(shù)；Ex,y為(x,y)處的環(huán)境風險場強；Vx,y為(x,y)處的環(huán)境風險受體易損性指數(shù)。

1.2 數(shù)學模型構(gòu)建

本文借鑒環(huán)境風險場評價法的技術(shù)思路，并結(jié)合已有環(huán)境風險評估方法[2,7,8,23]，同時考慮累積性環(huán)境風險特點，將風險源追溯到大氣污染物排放口，考慮不同污染物的復合影響，基于人群年齡構(gòu)成和人群日常行為模式綜合表征受體脆弱性，以100 m×100 m為評估單元，構(gòu)建一套園區(qū)環(huán)境風險評估方法。相較于傳統(tǒng)環(huán)境風險場評價方法在園區(qū)的應(yīng)用，分析尺度更為精細。

1.2.1 網(wǎng)格劃分

利用ArcGIS的create fishnet功能將化工園區(qū)及周邊區(qū)域劃分為100 m×100 m的網(wǎng)格，并對其進行編號，然后計算園區(qū)及周邊區(qū)域網(wǎng)格的環(huán)境風險指數(shù)。

1.2.2 網(wǎng)格環(huán)境風險場強

累積性環(huán)境風險場強度與排放的污染物的性質(zhì)、排放量以及與風險源的距離有關(guān)[7,22,24]。園區(qū)內(nèi)某一個網(wǎng)格的大氣污染環(huán)境風險場強度可表示為：

(2)

(3)

(4)

式中：Ex,y為某一個網(wǎng)格的大氣環(huán)境風險場強度；μi為第i個大氣排污口與某一個網(wǎng)格的聯(lián)系度；Di為第i個大氣排污口大氣污染物排放當量，污染當量是指根據(jù)各種污染物或污染排放活動對環(huán)境的有害程度、生物體的毒性以及處理的技術(shù)經(jīng)濟型而規(guī)定的有關(guān)污染物或污染排放活動的一種相對數(shù)量關(guān)系[25]，可用各大氣污染物量與臨界量的比值之和進行表征，各大氣污染物臨界量參考《環(huán)境保護稅法》各風險物質(zhì)的污染當量值[24,26]；OAij為第i個大氣排污口第j種大氣污染物排放量；OPij為第i個大氣排污口第j種大氣污染物的臨界量；P為污染物擴散概率，可用區(qū)域年風向頻率進行表征；n為大氣排污口的個數(shù)；li為網(wǎng)格中心點與大氣排污口的距離，km；k、j分別為差異系數(shù)、對立系數(shù)，地勢平坦開闊的地區(qū)取k1=0.5、k2=-0.5、j=-1；s1、s2、s3、s4分別取1、3、5、10 km。

為了便于各個網(wǎng)格的大氣環(huán)境風險場強度的比較，本方法對各個網(wǎng)格大氣環(huán)境風險場強度進行標準化處理，公式如下：

(5)

式中：Ex,y為某一個網(wǎng)格的大氣環(huán)境風險場強度；Emax為整個區(qū)域的最大大氣環(huán)境風險場強度；Emin為整個區(qū)域的最小大氣環(huán)境風險場強度。

1.2.3 網(wǎng)格環(huán)境風險受體易損性指數(shù)

大氣環(huán)境風險關(guān)注的對象主要是人，考慮到不同年齡的人身體素質(zhì)各不相同，不同的人暴露于污染物釋放的持續(xù)時間也各不相同，本研究充分考慮年齡構(gòu)成和人群年齡構(gòu)成和人群日常行為模式[27-29]，構(gòu)建環(huán)境風險受體易損性指數(shù)，公式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：Vx,y為某一個網(wǎng)格的大氣環(huán)境風險受體易損性指數(shù)；P1為某一個網(wǎng)格的小于14歲的環(huán)境風險受體易損性指數(shù)；P2為某一個網(wǎng)格的14-65歲的環(huán)境風險受體易損性指數(shù)；P3為某一個網(wǎng)格的大于65歲的環(huán)境風險受體易損性指數(shù)；?為人群暴露污染物的持續(xù)時間，如為0-4小時，取值0.6，如為4-8小時，取值0.8，如為8-16小時，取值1.0，如為16-24小時，取值為1.2；popx,y為某一個網(wǎng)格的某年齡段的人口數(shù)量；popmax為區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格的某年齡段的人口數(shù)量最大值；popmin為區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格的某年齡段人口數(shù)量最小值。

為了便于各個網(wǎng)格的大氣環(huán)境風險受體易損性指數(shù)的比較，本方法對各個網(wǎng)格大氣環(huán)境風險受體易損性指數(shù)進行標準化處理，同公式(5)。

1.2.4 網(wǎng)格環(huán)境風險指數(shù)計算模型

網(wǎng)格環(huán)境風險指數(shù)計算公式如下：

(10)

根據(jù)網(wǎng)格環(huán)境風險值的大小，將環(huán)境風險劃分為四個等級：高風險(R>80)、較高風險(60

2 案例分析

某化工園區(qū)規(guī)劃面積21 km2，是以精細化工及生物醫(yī)藥等行業(yè)為主的綜合性化工園，園區(qū)涉氣排放企業(yè)共103家，排放污染物種類多且排放量大，園區(qū)內(nèi)及外圍分布若干居民區(qū)，潛在環(huán)境風險較大，該化工園區(qū)風險源及周邊主要風險受體情況詳見圖1。

2.1 環(huán)境風險場強計算

根據(jù)《建設(shè)項目環(huán)境風險評價技術(shù)導則》(HJ 169—2018)[30]的相關(guān)要求，大氣污染物影響范圍一般為5 km。本研究基于園區(qū)矢量邊界，采用ArcGIS的緩沖區(qū)空間分析功能，構(gòu)建園區(qū)邊界5 km緩沖區(qū)作為研究范圍；利用ArcGIS的create fishnet功能將研究區(qū)劃分為100 m×100 m的網(wǎng)格，并對其進行編號。

基于識別的涉氣排放風險企業(yè)、大氣排污口和年均風頻等數(shù)據(jù)(表1、表2)，利用公式(2)-(4)計算研究區(qū)的環(huán)境風險場強空間分布。

表1 大氣排污口各風險物質(zhì)排放量

表2 某化工園區(qū)近20年年均風頻統(tǒng)計

2.2 環(huán)境風險受體易損性指數(shù)計算

基于調(diào)查的環(huán)境風險受體數(shù)據(jù)(表3)，結(jié)合Google Earth影像，矢量化各村居民用地邊界，將各村人口數(shù)據(jù)按照矢量邊界所包含的網(wǎng)格進行均分；假定園區(qū)內(nèi)工作人員為8小時且不住園區(qū)外周邊5 km范圍內(nèi)，園區(qū)外5 km范圍居民不在園區(qū)工作，下班后即返回家中，在家時間處于12-16小時之間，根據(jù)污染物暴露時間指標進行量化；利用公式(6)-(9)計算研究區(qū)的環(huán)境風險受體易損性指數(shù)空間分布。

表3 研究區(qū)環(huán)境風險受體數(shù)據(jù)

2.3 環(huán)境風險指數(shù)計算

利用公式(10)計算研究區(qū)的環(huán)境風險指數(shù)空間分布，高風險區(qū)主要分布在F35、F39、F48、F49、F52、F92、F95、C5、C10附近等(圖2、圖3)，其中，F(xiàn)35、F39、F48、F49、F52、F95附近環(huán)境風險較高，主要是由于其大氣排放量較大所致，C5和C10環(huán)境風險較高，主要是由于C5、C10位于園區(qū)下風向，人口數(shù)較多且距離園區(qū)較近所致。

圖2 研究區(qū)累積性大氣環(huán)境風險分區(qū)圖Fig.2 Zones of cumulative atmospheric environmental risk in the study area

2.4 結(jié)果驗證

大氣污染物的排放與周邊居民息息相關(guān)，公眾環(huán)保舉報能間接反映區(qū)域環(huán)境風險[31-33]。本文統(tǒng)計了2017-2019年近三年的園區(qū)及周邊區(qū)域大氣環(huán)境污染舉報數(shù)據(jù)，其空間分布如圖4所示，2017-2019年評估區(qū)共發(fā)生15起大氣環(huán)境污染舉報，約有10起分布在高風險區(qū)和較高風險區(qū)附近，這表明園區(qū)風險評估結(jié)果具有一定的可靠性。

2.5 環(huán)境風險管理建議

根據(jù)評估結(jié)果，F(xiàn)35、F39、F48、F49、F52、F92、F95等企業(yè)周邊風險相對較高，大氣污染物排放量較大，建議加強源頭防控、監(jiān)測和預警；C5、C10等區(qū)域風險相對較高，該地區(qū)人口密集，且位于化工園區(qū)盛行風向的下風向，建議做好環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和健康狀況跟蹤，根據(jù)實際風險狀況必要時調(diào)整高風險區(qū)人口布局；園區(qū)和地方政府加強開展環(huán)境風險排查、評估、治理，建立覆蓋園區(qū)及周邊敏感區(qū)域的污染監(jiān)控、預警、溯源體系及大氣環(huán)境風險管控長效機制，及時響應(yīng)并解決周邊公眾反映的大氣污染問題。

3 結(jié)論與討論

(1)本文基于環(huán)境風險場相關(guān)理論和方法，針對化工園區(qū)累積性大氣環(huán)境風險多源、多物質(zhì)和多敏感目標的復合性特征，以100 m×100 m為評估單元，構(gòu)建了一套園區(qū)累積性大氣環(huán)境風險定量評估方法，其評價結(jié)果有助于識別園區(qū)大氣環(huán)境風險的空間分布特征，為園區(qū)環(huán)境風險管控提供決策參考。

(2)通過將風險源追溯到大氣污染物排放口，并考慮不同污染物的復合影響，以人群年齡構(gòu)成和人群日常行為模式綜合表征受體脆弱性，提高了評估方法的精度和可靠性。以某化工園區(qū)為案例開展園區(qū)累積性環(huán)境風險評估，并利用園區(qū)大氣污染舉報數(shù)據(jù)做驗證，結(jié)果顯示，大氣污染舉報主要集中分布在高風險區(qū)及較高風險區(qū)，驗證了方法的可行性和可靠性。

(3)環(huán)境風險是一個多重復合因子相互作用的復雜系統(tǒng)，由于環(huán)境風險控制機制相關(guān)指標難以量化到每個網(wǎng)格，本評估方法暫未考慮環(huán)境風險防控與管理對風險的抑制和消減作用。另外，風險受體部分雖考慮了人群年齡構(gòu)成和人群日常行為模式，但未考慮園區(qū)周邊人群自身的身體健康狀況。后續(xù)研究中，將通過引入風險防控和管理能力、人群健康狀況等因子優(yōu)化評估方法。