朱曉敏 陳東華 耿建東
(1.北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院,北京100044;2.科技部高技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心,北京100045)
基于空間信息擴(kuò)散法的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型
朱曉敏1陳東華1耿建東2
(1.北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院,北京100044;2.科技部高技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心,北京100045)
環(huán)境和人類的生存和發(fā)展息息相關(guān),隨著全球工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)一步的推進(jìn),自然環(huán)境在人類的盲目生產(chǎn)活動(dòng)中經(jīng)常遭到毀滅性的破壞,同時(shí)被破壞的環(huán)境反過(guò)來(lái)又會(huì)影響人類正常的生產(chǎn)活動(dòng)。因此,如何有效地檢測(cè)和控制由人類生產(chǎn)活動(dòng)引起的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)顯得尤為重要。本文通過(guò)研究信息擴(kuò)散理論在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)領(lǐng)域的應(yīng)用成果,在改進(jìn)和優(yōu)化現(xiàn)有的研究成果前提下,同時(shí)融入了模糊評(píng)判等相關(guān)評(píng)估理論,建立了一種復(fù)合的空間信息擴(kuò)散法的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。該模型在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上引進(jìn)環(huán)境影響因子,修正了由普通的信息擴(kuò)散模型所引起的不準(zhǔn)確性。通過(guò)該模型,能提高在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散預(yù)測(cè)和控制領(lǐng)域的準(zhǔn)確率,為降低和控制風(fēng)險(xiǎn)后果提供有效的參考。最后通過(guò)一個(gè)示例,應(yīng)用本模型進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析,證明模型的實(shí)用性,并且對(duì)比普通的擴(kuò)散模型更具有優(yōu)越性。本文所研究的成果對(duì)重大工程發(fā)生事故和危機(jī)后的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有借鑒的意義。
信息擴(kuò)散理論;環(huán)境;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;空間
人類的生產(chǎn)活動(dòng)隨著社會(huì)科技技術(shù)的不斷發(fā)展而不斷深入到本來(lái)就脆弱的生態(tài)環(huán)境中,對(duì)自然界的影響越來(lái)越大。同時(shí)伴隨著一系列具有高風(fēng)險(xiǎn)性的工程建設(shè)和運(yùn)行,其中所造成的不確定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)也對(duì)全球生態(tài)環(huán)境造成不同程度的威脅。這些環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)造成的環(huán)境后果反過(guò)來(lái)也會(huì)影響到人類正常的社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)。因此人類如何對(duì)由相關(guān)工程項(xiàng)目引發(fā)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)高效的評(píng)估、預(yù)測(cè)和控制,將危機(jī)發(fā)生率降到最低,勢(shì)必關(guān)系到人類社會(huì)在未來(lái)是否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià),需要運(yùn)用科學(xué)有效的方法,才能準(zhǔn)確、及時(shí)和高效地控制環(huán)境危機(jī),以免其進(jìn)一步惡化。
環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)理論的發(fā)展普遍被認(rèn)為分為三個(gè)階段。第一階段在20世紀(jì)70年代之前,主要是對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的概念和方法的研究。第二階段在20世紀(jì)80年代到90年代,人類在出現(xiàn)了一系列重大的環(huán)境災(zāi)難后,重新深入考慮和審視環(huán)境在人類社會(huì)的作用,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)成為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究的一大熱門(mén)。第三階段為20世紀(jì)90年代開(kāi)始,全球環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)成為風(fēng)險(xiǎn)研究的核心,發(fā)展中國(guó)家的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究工作也逐漸展開(kāi),環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究在各國(guó)可持續(xù)發(fā)展中具有重要的意義。
中國(guó)對(duì)于環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的研究是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始的。1986年開(kāi)始,環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的概念逐漸引入中國(guó)。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力不斷的發(fā)展,大型工程的復(fù)雜程度也越來(lái)越高,同時(shí)這些工程的建設(shè)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)性也變高了,因此需要重視一些大型的、具有很高風(fēng)險(xiǎn)性的工程項(xiàng)目的安全性,如三峽水庫(kù)、大亞灣核電站、鞍山石油化工等項(xiàng)目,因?yàn)檫@些大型工程大部分處于人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū),一旦發(fā)生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)危機(jī),需要及時(shí)地控制并且掌握危機(jī)的動(dòng)態(tài),以便更好地處理危機(jī)。例如,最近的日本福島核電站在地震后損毀嚴(yán)重,導(dǎo)致嚴(yán)重的核泄漏事故,對(duì)全球的生態(tài)系統(tǒng)造成了很大的影響,日本本土更是首當(dāng)其沖。從風(fēng)險(xiǎn)管理的角度來(lái)看,在危機(jī)發(fā)生后,如何更有效的評(píng)估危機(jī)的嚴(yán)重性以及預(yù)測(cè)危機(jī)的發(fā)展方向,以便提前做出妥善的應(yīng)急安排,以及如何快速確定未知污染源的位置的方法,是本文所要關(guān)注和研究的問(wèn)題。
本文采用一種基于復(fù)合型三維空間信息擴(kuò)散法的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估方法,對(duì)簡(jiǎn)單地基于信息擴(kuò)散法在二維空間上進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平分析的研究成果進(jìn)行了較大的修正和提升,建立考慮更全面的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,目標(biāo)是為了達(dá)到更為高效、快捷和準(zhǔn)確的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)測(cè)結(jié)果。最后,將本文所建立的模型簡(jiǎn)單地用于分析和預(yù)測(cè)某地石油化工區(qū)中的企業(yè)可能造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),并與沒(méi)有經(jīng)過(guò)修正的模型進(jìn)行對(duì)比,體現(xiàn)本文所建立評(píng)估模型的實(shí)用性和優(yōu)越性。
2.1 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析理論及方法
早在20世紀(jì)50年代,新興的科學(xué)技術(shù)在工程領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)使得各類工程風(fēng)險(xiǎn)層出不窮。1973年,NRC(美國(guó)核能管理委員會(huì))首次提出了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的概念,標(biāo)志著環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的正式開(kāi)端。1975年,NRC在沒(méi)有核電站事故先例的情況下,應(yīng)用系統(tǒng)安全工程分析方法,形成了《核電站風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告》。該報(bào)告系統(tǒng)地建立了概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,并被以后發(fā)生的核電站事故所證實(shí)。其后世界銀行的環(huán)境和科學(xué)部很快頒布了有關(guān)《控制影響廠外人員和環(huán)境的重大危險(xiǎn)事故》的導(dǎo)則和指南。在以后,環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估理論不斷地發(fā)展。
環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),從廣義來(lái)說(shuō),是對(duì)人類活動(dòng)和各種自然災(zāi)害引起的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估[1]。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估的方法包括定性和定量?jī)煞N分析方法。定性方法主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和直觀判斷能力,此類方法容易理解,過(guò)程簡(jiǎn)單,由于往往依靠經(jīng)驗(yàn),帶有局限性,評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏可比性。定量方法運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)一些定量指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,得出評(píng)價(jià)結(jié)果。目前隨著科學(xué)的發(fā)展,特別是隨著系統(tǒng)安全工程科學(xué)的發(fā)展,出現(xiàn)了多種預(yù)測(cè)方法,如初步危險(xiǎn)分析法、故障樹(shù)類型和事件樹(shù)分析方法等。在國(guó)內(nèi),曹希壽[2]最早提出區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理的理念,闡述了開(kāi)展區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理的重要性。一些學(xué)者也針對(duì)某些具體的問(wèn)題提出過(guò)一些模型和方法,如曾光明[2]在規(guī)劃環(huán)評(píng)中環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的探究與實(shí)踐針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)不確定性問(wèn)題提出定量分析的四種方法:傳遞函數(shù)法、數(shù)值模擬法、置信區(qū)間法和二間矩法。有學(xué)者提出應(yīng)采用模糊數(shù)學(xué)、灰色系統(tǒng)和可靠性系統(tǒng)工程等理論與方法,并將環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)仿真有機(jī)結(jié)合起來(lái)。楊曉松、謝波[3]指出針對(duì)區(qū)域多風(fēng)險(xiǎn)因素應(yīng)該采取有別于建設(shè)項(xiàng)目單風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程序,提出已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用在區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)的兩個(gè)技術(shù)方法:綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法。
2.2 信息擴(kuò)散理論在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用
傳統(tǒng)的信息擴(kuò)散理論就是為了彌補(bǔ)信息不足而將一個(gè)有觀測(cè)值的樣本,變成一個(gè)模糊集,也就是將單值樣本變成集值樣本[4]。收集樣本越多,越有助于我們準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)客觀規(guī)律。事實(shí)上,需要處理小樣本的時(shí)候,信息充分是相對(duì)的,信息不足是絕對(duì)的。利用模糊數(shù)學(xué)中有關(guān)信息擴(kuò)散的理論,對(duì)整個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化,然后用一個(gè)m×n的矩陣式來(lái)表示這個(gè)二維空間,矩陣中的元素aij代表二維空間中對(duì)應(yīng)的正方形區(qū)域的信息。可以將環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值的單值信息擴(kuò)散到整個(gè)區(qū)域指標(biāo)論域中的所有點(diǎn),從而獲得較全面的風(fēng)險(xiǎn)分析效果。模糊信息優(yōu)化處理技術(shù)在自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析中已得到廣泛應(yīng)用。
2.3 信息擴(kuò)散理論的優(yōu)缺點(diǎn)
運(yùn)用信息擴(kuò)散法進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)這一方法在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有研究者[4-5]在做這一方面的研究和實(shí)踐,具有一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ),并且也取得比較好的效果。這種方法體現(xiàn)了全局思想,一項(xiàng)規(guī)劃的環(huán)境影響評(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)把與規(guī)劃相關(guān)的政策、規(guī)劃和計(jì)劃以及相應(yīng)的項(xiàng)目聯(lián)系起來(lái),做整體性考慮。依照該方法可以得到區(qū)域的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平規(guī)劃圖,可以為公眾提供簡(jiǎn)單直觀的說(shuō)明,更有利于公眾理解和參與到規(guī)劃的決策中。更重要的是,在決策者進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理的時(shí)候,該方法簡(jiǎn)單,快捷和相對(duì)有效。
然而,目前在基于信息擴(kuò)散法的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究成果來(lái)看主要從模糊數(shù)學(xué)角度對(duì)風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行擴(kuò)散,很少或基本沒(méi)有考慮環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)源的污染物的擴(kuò)散途徑和地區(qū)里面的不同地理氣候環(huán)境特點(diǎn)對(duì)污染物傳播和稀釋的影響。實(shí)際中環(huán)境事故發(fā)生時(shí)污染物可以從多種途徑(如空氣、水體等)進(jìn)行擴(kuò)散。若將該方法與污染物擴(kuò)散模式進(jìn)行聯(lián)合評(píng)價(jià)會(huì)大大提高該方法的實(shí)用性。
3.1 風(fēng)險(xiǎn)源確定和分析
我們?cè)谶M(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估前,首先要分析所評(píng)估的區(qū)域發(fā)生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)源的類別、數(shù)量以及它們?cè)谠搮^(qū)域中的相對(duì)位置。首先要在該區(qū)域里面建立一個(gè)絕對(duì)地理坐標(biāo)系O(x,y),原點(diǎn)O(0,0)應(yīng)該設(shè)置在矩陣的角落里最為合適,使以后計(jì)算更為方便。然后根據(jù)比例計(jì)算出每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源在這個(gè)O(x,y)坐標(biāo)系里面的坐標(biāo)位置E(x,y)。設(shè)區(qū)域里面有N個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源,則每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的坐標(biāo)為 Ei(xi,yi)(i=1,2,3...N)。雖然實(shí)施起來(lái)會(huì)簡(jiǎn)單快捷,但是卻難以較準(zhǔn)確地反映實(shí)際的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散的情況。這將是本文所需要改進(jìn)工作之一。
3.2 平面擴(kuò)散模型的分析
平面擴(kuò)散模型是基于一般的信息擴(kuò)散法的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型[5],它沒(méi)有考慮到相關(guān)的環(huán)境因子的影響作用。在同一個(gè)平面內(nèi),一般來(lái)說(shuō),單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源擴(kuò)散形成的最大范圍的輪廓是圓形或者多個(gè)異地污染源形成的多個(gè)橢圓范圍的疊加。
假設(shè)存在N個(gè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源,再設(shè)第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源釋放出Nij(j=0,1,2...NR)個(gè)污染物。因此,根據(jù)一般信息擴(kuò)散法所建立的模型,當(dāng)區(qū)域中的某個(gè)位置P(x,y)的第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的第j個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子在P(x,y)中的疊加產(chǎn)生的效果為F(i,j)。綜上所述,在該模型下,該XOY平面的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Rp為
我們可以使用在《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》(HJ/T169-2004)中推薦了3個(gè)氣體擴(kuò)散模式進(jìn)行氣體擴(kuò)散分析。同時(shí)對(duì)有毒有害氣體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分布可按梯形模糊關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算,其數(shù)學(xué)形式[5]為:
在式(2)中,r為計(jì)算點(diǎn)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值;r0為風(fēng)險(xiǎn)源點(diǎn)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值;l'為重傷區(qū)最大影響半徑,l為最大影響半徑;x為計(jì)算點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)源點(diǎn)之間的距離。建議r0也按國(guó)內(nèi)外同類性質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)源的平均風(fēng)險(xiǎn)值來(lái)估計(jì)。
在通過(guò)一般信息擴(kuò)散理論進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的時(shí)候,還需要了解風(fēng)險(xiǎn)源的污染物的擴(kuò)散特性。普通的天然氣擴(kuò)散最大半徑目前有很多成果研究[6],具體半徑大小和泄漏規(guī)模有關(guān),關(guān)鍵應(yīng)針對(duì)要研究的氣體性質(zhì)、擴(kuò)散特征、適用范圍來(lái)選擇合適的計(jì)算模型。當(dāng)然這些數(shù)據(jù)只是作為參考,真正需要對(duì)實(shí)際工程中產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行定量地、細(xì)致地分析才能最終確定。
然后我們需要對(duì)不同的污染物的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行估計(jì),我們采用一般的規(guī)則,將工業(yè)區(qū)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平設(shè)為五類:I類,II類,III類,IV類和V類,分別代表極低、低、中、高和極高的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[6]。通過(guò)這些相對(duì)的評(píng)估值,我們就可以對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行定量的分析了。
3.3 空間擴(kuò)散模型的引進(jìn)
為了讓基于信息擴(kuò)散理論的評(píng)估方法能對(duì)大型工程進(jìn)行更客觀且真實(shí)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,本文在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上,提出了一種基于空間信息擴(kuò)散理論的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。該評(píng)估模型結(jié)合原有的優(yōu)點(diǎn)并改進(jìn)其不足之處,充分考慮了環(huán)境因子的作用,通過(guò)立體的信息擴(kuò)散方法使得該環(huán)境評(píng)估模型在具體的應(yīng)用中更為實(shí)用和有效??臻g模型拓展了信息擴(kuò)散理論應(yīng)用范圍,通過(guò)該模型對(duì)三維空間中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平分布進(jìn)行有效的分析、評(píng)估和預(yù)測(cè)。
一般我們?cè)谶M(jìn)行基于信息擴(kuò)散理論的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和建模前,須將所研究的平面區(qū)域網(wǎng)格化,形成一系列正方形區(qū)域。
為了適合本文所提到的復(fù)合空間信息擴(kuò)散模型,我們需要對(duì)原有的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)矩陣的結(jié)構(gòu)和邏輯進(jìn)行修改。建立的復(fù)合的空間信息模型既要包含不同環(huán)境因子的影響矩陣和變換函數(shù),在空間風(fēng)險(xiǎn)上還需要考慮不同的環(huán)境因子造成的污染物垂直擴(kuò)散的程度,以便預(yù)測(cè)距離地表一定高度的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平值。所以我們?cè)诖怪逼矫鎯?nèi)考慮信息擴(kuò)散法的時(shí)候所使用的擴(kuò)散函數(shù)就應(yīng)該與大氣的特性密切相關(guān),和水平面的擴(kuò)散函數(shù)是不一致的。這樣我們就要建立一個(gè)空間擴(kuò)散模型,該模型在水平面和豎直面上分別有不同的信息擴(kuò)散模型在作用,共同有機(jī)地疊加后導(dǎo)出整個(gè)環(huán)境空間的風(fēng)險(xiǎn)水平值。
3.4 環(huán)境因子的分析
基于信息擴(kuò)散理論的模型是根據(jù)一般情況下的污染物的擴(kuò)散規(guī)律,實(shí)際上污染因子的傳播還很大程度上取決于該地區(qū)當(dāng)時(shí)的天氣狀況和環(huán)境特點(diǎn)。一些地區(qū)的環(huán)境因素,如地形起伏、濕度、溫度等因素都會(huì)強(qiáng)烈地影響污染物的擴(kuò)散方向和稀釋效果。同時(shí)不同的時(shí)間也會(huì)產(chǎn)生不同的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)效果。
對(duì)于通過(guò)空氣傳播的污染物,在傳播途中,會(huì)受到地形的影響,還可能會(huì)和沿途的某些物質(zhì)發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng),或者融入到水中或土地中,從而間接地增加了土地和水源被污染的風(fēng)險(xiǎn)概率。所以建立三維空間預(yù)測(cè)模型會(huì)幫助我們對(duì)垂直方向的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分布有更深的了解。
一般來(lái)說(shuō),有毒有害液體擴(kuò)散基本沿溝渠或河道進(jìn)行,但在有限的縣級(jí)區(qū)域內(nèi)其濃度仍遠(yuǎn)大于容許濃度值,危害仍相當(dāng)大。其破壞性在短距離內(nèi)不會(huì)隨著距離增加而衰減。因此,此處對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)值做等值擴(kuò)散[4]處理,表明此段水域具有和事故發(fā)生點(diǎn)具有同樣大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。若有毒有害液體在湖泊、海洋內(nèi)擴(kuò)散,在短時(shí)間內(nèi)不被大幅度稀釋的情況下,也可按等值風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散處理;在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)大幅度稀釋后,其濃度隨距離增加呈梯度分布,可等同氣體擴(kuò)散模式處理。
總的來(lái)說(shuō),一旦發(fā)生污染泄露事件,其污染因子對(duì)周圍環(huán)境污染的情況都因地而異,具有很強(qiáng)的不確定性。但是我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)研究主要的影響因素以及相互的影響關(guān)系來(lái)大致的確定污染的情況。通過(guò)對(duì)該區(qū)域中的每一個(gè)數(shù)據(jù)檢測(cè)點(diǎn)確定一個(gè)影響因子的影響指數(shù),再通過(guò)信息擴(kuò)散法構(gòu)造出整塊區(qū)域污染分布圖,從而為決策者應(yīng)對(duì)污染擴(kuò)散的相關(guān)決策提供相對(duì)準(zhǔn)確的信息。
4.1 空間模型建立和風(fēng)險(xiǎn)源確定
在所研究的區(qū)域Q中設(shè)立一個(gè)特殊的空間坐標(biāo)系O(x,y,z)。其中OXY平面不是數(shù)學(xué)意義上的水平面,它可以看成是區(qū)域Q的地表曲面(一般起伏不是很大,不包括山峰等)。Z軸的坐標(biāo)值則是距離地表曲面的垂直高度z。
設(shè)Rp(z)為所研究區(qū)域Q地表的最終環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)矩陣,Rp(P(x,y,z))為在絕對(duì)坐標(biāo)系 O(x,y,z)下的某點(diǎn)P(x,y,z)位置的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。當(dāng) z=0 時(shí),Rp(P(x,y,0))為沿地表的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。
針對(duì)污染物一般擴(kuò)散模式,若環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的時(shí)候,同時(shí)存在NS個(gè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源,再假設(shè)第i(i=1...NS)個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源釋放出Ni(i=1,2...Ns)個(gè)污染物。因此,根據(jù)普通的信息擴(kuò)散法理論所建立的模型,區(qū)域Q中的某個(gè)位置P(x,y,0)的第 i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的第 j個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子 Eij在 P(x,y,0)中的疊加產(chǎn)生的污染效果為F(i,j,0)。則該區(qū)域第j個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子Eij在某地P(i,j,0)的第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的地表環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平rj為
則該地點(diǎn)P(x,y,0)的綜合風(fēng)險(xiǎn)水平為
若要考慮距離地表以上的某一點(diǎn)P(x0,y0,z0)的位置的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平,即考慮空間上(z>0)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散情況。在三維空間中,我們也可以運(yùn)用信息擴(kuò)散法的思想,將其劃分成單位體積的小空間,通過(guò)梯形模糊擴(kuò)散理論,從而確定在空間中某小空間距離風(fēng)險(xiǎn)源所在空間的位置進(jìn)行模糊預(yù)測(cè)。
設(shè)所研究的區(qū)域的最大高度為s,則可獲得大小為m×n×s的空間Q。根據(jù)信息擴(kuò)散理論,將此空間劃分為三維矩陣形式。假設(shè)其空間網(wǎng)格單元體積為c3。則該空間劃分后能形成的最大三維矩陣B尺寸為([m/c],[n/c],[s/c])。這樣就建立了一個(gè)空間上的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分布三維矩陣,之后參考公式(1)和(2),我們得出了空間上基于信息擴(kuò)散法的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)模型,如式(3)和(4)所示。
4.2 擴(kuò)散模型的修正
很明顯,式(2)中的梯形模糊擴(kuò)散規(guī)則在空間中顯得不是那么的可靠,因?yàn)榭臻g中還客觀存在重力等其他因素。這種擴(kuò)散約束的函數(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況決定,所以設(shè)K(P(x,y,z))為空間中擴(kuò)散的約束方程,此類方程的目的在于在式(2)的基礎(chǔ)上控制污染物在空間中最大擴(kuò)散范圍,以模擬實(shí)際大氣的擴(kuò)散規(guī)律。
設(shè)垂直擴(kuò)散函數(shù)的數(shù)學(xué)形式為f(x,y,z)=0,d為兩點(diǎn)距離,△d為距離修正值。為了保證預(yù)測(cè)模型在數(shù)值上的正確性,則K(P(x,y,z))的約束方程模型為
設(shè) D(x,y,z)為某小空間的中心。某風(fēng)險(xiǎn)源 R(xr,yr,zr)位于某小空間的中心。則D點(diǎn)與R點(diǎn)的距離為d,通過(guò)約束函數(shù)修正后的距離為d'。所以我們得到了在空間中基于信息擴(kuò)散理論所建立的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平預(yù)測(cè)模型為
隨著大氣模型研究的發(fā)展,GIS技術(shù)[7]逐漸被大量用在大氣模型的空間數(shù)據(jù)管理、可視化等工作中,呈現(xiàn)逐漸融合的趨勢(shì)。不同大氣擴(kuò)散模型的輸入、輸出和分析的復(fù)雜程度各不相同,事實(shí)上,目前有很多比較成熟的大氣預(yù)測(cè)模型,如天然氣管道泄漏模型[6]、ADMS和GASTAR模型[7]。通過(guò)這些模型可以滿足本文的需要,以便和信息擴(kuò)散法共同形成靈活的互補(bǔ)關(guān)系。垂直擴(kuò)散函數(shù)f(x,y,z)也可以通過(guò)修正后的波爾茲曼能量的分布律[8]確定。
4.3 環(huán)境因子的模型
以上只是建立了污染物在靜止環(huán)境中的空間普通擴(kuò)散模型,實(shí)際上擴(kuò)散的時(shí)候,更多的是依賴于環(huán)境因子的影響。下面將以上基于信息擴(kuò)散法的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行更細(xì)致的研究,通過(guò)建立環(huán)境因子影響的模型來(lái)修正污染物普通擴(kuò)散的目標(biāo)矩陣。
環(huán)境對(duì)某區(qū)域空間的影響也是分層的,也就是說(shuō)對(duì)在垂直高度上,位于不同高度,其大氣受到的影響也是不一致。本文在考慮環(huán)境因子時(shí)將考慮處于同層的環(huán)境因子對(duì)該層的風(fēng)險(xiǎn)水平分布的影響,而忽略不同層次的因子之間的相互影響。
同樣,我們可以通過(guò)信息擴(kuò)散理論的方法來(lái)對(duì)這些環(huán)境因子進(jìn)行處理。通過(guò)改進(jìn)后的梯形模糊預(yù)測(cè)法,將環(huán)境因子影響的高峰作為影響源,以其為中心,利用梯度的模糊算法,向四周輻射影響水平。
假設(shè)某一環(huán)境因子EV(i)(第i個(gè)環(huán)境因子)的高峰S(x0,y0,z0)處于 A(i,j,k),k 為垂直方向的第 k 層。高峰指的是某個(gè)環(huán)境因子具有最大影響效果的某些點(diǎn)或者某一塊區(qū)域。設(shè)e為距離高峰S的影響最大半徑。e'為等值影響范圍最大半徑,de為某點(diǎn) P(x,y,k)到高峰點(diǎn) S(x0,y0,z0)的距離,e0為地表的環(huán)境因子強(qiáng)度值,e(k)為第k層的環(huán)境因子強(qiáng)度遞減率函數(shù),e'(k)為第k層的環(huán)境因子等值半徑修正函數(shù)。則該環(huán)境因子EV(i)在第k層的影響分布 EVi(P(x,y,k))為
這是單個(gè)環(huán)境因子在單層中的影響分布預(yù)測(cè)模型。若要獲得多個(gè)環(huán)境因子在同層中的整體風(fēng)險(xiǎn)影響水平分布,可以通過(guò)間接疊加的方式進(jìn)行,即
這樣我們就可以獲得不同空間層的環(huán)境影響矩陣EV(k)(k=1,2,3...N)。通過(guò)我們所建立的環(huán)境因子影響分布矩陣,就可以通過(guò)矩陣疊加的方式將風(fēng)險(xiǎn)分布矩陣和環(huán)境因子影響矩陣整合起來(lái)。在整合的過(guò)程中,兩矩陣對(duì)應(yīng)的元素并不是簡(jiǎn)單的加法運(yùn)算,其中還涉及了疊加時(shí)需要修正的函數(shù)。這些函數(shù)由使用者規(guī)定,該函數(shù)確定的好壞決定了疊加后的分布圖是否恰當(dāng)?shù)姆从钞?dāng)前的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)狀況。設(shè)疊加修正函數(shù)為M(EV,R)。
結(jié)合前面所述的式(1)-式(13),則最終的空間區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平分布函數(shù)為
5.1 示例背景描述
為了驗(yàn)證本文所討論和建立的模型的實(shí)用性和優(yōu)越性,本節(jié)將運(yùn)用評(píng)估模型對(duì)中國(guó)西北某縣城中的石油化工企業(yè)進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估。如圖1所示,該縣政府在該地準(zhǔn)備引進(jìn)石油化工企業(yè),以促進(jìn)該地的發(fā)展。具體方位如圖1中A、B和C所示的位置,這三點(diǎn)為縣城的石油化工區(qū)中某些高風(fēng)險(xiǎn)性企業(yè)的位置。研究區(qū)域大致為20 km×20 km的區(qū)域。
圖1 某縣城的地形圖Fig.1 A topographic map of a county
假設(shè)它們同時(shí)發(fā)生環(huán)境危機(jī),發(fā)生了最壞情況,需要找到其風(fēng)險(xiǎn)源[9],然后進(jìn)行分類[10]。設(shè) A、B、C 三點(diǎn)分別釋放有三類有毒氣體最大擴(kuò)散范圍為5 000 m、1 500 m和4 000 m[5],這是根據(jù)該行業(yè)的建議值確定的。為了簡(jiǎn)化運(yùn)算,假設(shè)他們同時(shí)爆炸,之后向四周泄漏出有毒氣體[11],而此時(shí)該區(qū)域的風(fēng)向如圖1的北面箭頭指示,即在北面地表存在高氣壓。在該地區(qū)的某些相對(duì)較高點(diǎn),我們進(jìn)行了標(biāo)記,如圖1中的S1,S2,S3和S4。四個(gè)地形制高點(diǎn)距離風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生地垂直高度大致確定為1 000 m、1 500 m、700 m和400 m。在本示例中,我們引入了兩個(gè)環(huán)境因子,分別為地形和風(fēng)向,參與評(píng)估。
5.2 平面模型下的風(fēng)險(xiǎn)分布評(píng)估
首先對(duì)該區(qū)域網(wǎng)格化處理,設(shè)定網(wǎng)格單元為500 m×500 m,則該區(qū)域可分為40×40的網(wǎng)格。按照默認(rèn)的習(xí)慣,我們將建立平面坐標(biāo)系,以圖1左下方頂角為坐標(biāo)原點(diǎn)。
由公式(2)可以計(jì)算出某個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的污染物擴(kuò)散后每個(gè)網(wǎng)格的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)指數(shù),再根據(jù)(1)計(jì)算出不同風(fēng)險(xiǎn)源在該平面疊加后形成的平面的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)矩陣。最后即可獲得平面擴(kuò)散模型導(dǎo)出的該縣在A、B和C地發(fā)生嚴(yán)重的石油化工事故后造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分布圖。
通過(guò)Microsoft Excel 2007中的VBA編程處理數(shù)據(jù),并且在MiniTab15軟件中圖形化所產(chǎn)生數(shù)據(jù),如圖2所示。X軸和Y軸距離數(shù)值表示的是與圖1所示的研究區(qū)域內(nèi)部位置坐標(biāo)對(duì)應(yīng)。三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源重疊區(qū)里面其中某一小塊深黑色區(qū)域?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)度最高的地區(qū),在風(fēng)險(xiǎn)事故處理時(shí)應(yīng)該引起重視。
5.3 空間模型下的風(fēng)險(xiǎn)分布評(píng)估
圖2 基于一般擴(kuò)散理論的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值分布圖Fig.2 The distribution map of environmental risk value based on general diffusion theory
若我們引進(jìn)空間模型,根據(jù)式(5)-(8)我們可以建立風(fēng)險(xiǎn)水平分布的空間模型。令空間約束方程f(x,y,z)=0為旋轉(zhuǎn)曲面方程。此處我們采用(z-z')2=k(x-x')繞z軸旋轉(zhuǎn)形成的曲面作為空間擴(kuò)散的約束函數(shù)。則處于該曲面和地表曲面之間的點(diǎn)都由式(8)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算,其余空間的點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)值可以看做為零。這樣通過(guò)式(8)處理三維矩陣后我們可以讓空間矩陣的每一元素都存在一個(gè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值。同理將不同的風(fēng)險(xiǎn)源產(chǎn)生的空間風(fēng)險(xiǎn)分布矩陣疊加后就得到一個(gè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖。
圖3 引入空間模型后1 000 m高的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平分布圖Fig.3 Risk distribution map in 1 000 m after the space model introduced
如圖3所示,通過(guò)建立的基于空間的信息擴(kuò)散法的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,可以預(yù)測(cè)在垂直高度上的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平的分布圖。圖2是在地面的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分布圖,對(duì)比之下,如圖3所示,在高空中,環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平較低,影響范圍縮小,符合一般的擴(kuò)散規(guī)律。事實(shí)上,通過(guò)本文所探討的模型,可以輕易獲取不同高度的該區(qū)域整體風(fēng)險(xiǎn)水平分布圖,這樣對(duì)預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散有著比較積極的意義。
5.4 環(huán)境因子作用下的風(fēng)險(xiǎn)分布
若我們?cè)谛畔U(kuò)散法中引入了地形和風(fēng)向環(huán)境因子,其中需要找到地形的高峰值,由此擴(kuò)散出來(lái),獲得其影響分布矩陣,對(duì)風(fēng)向可采取找到高氣壓的地方,由此遞減形成正態(tài)分布的矩陣。
建立地形影響矩陣后,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),預(yù)測(cè)在地形垂直距離每升高一定的距離,能使環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平值降低了多少,然后通過(guò)疊加的方式對(duì)原始的擴(kuò)散模型進(jìn)行修正,如圖4所示。在地形的影響下,圖4中的左側(cè)區(qū)域由于地形的作用明顯阻礙了污染的傳播途徑。由于該縣城中心附近沒(méi)有高山,所以在對(duì)污染物傳播范圍的影響不明顯。但是在該區(qū)域的邊緣,可以看得出地形對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分布還是有一定的影響的,同理對(duì)于風(fēng)向的影響也可以參考地形影響的做法。
圖4 地形環(huán)境因子影響后的地面風(fēng)險(xiǎn)水平圖Fig.4 Risk level map on the ground affected by topographic environmental factors
總的來(lái)說(shuō),我們把基于信息擴(kuò)散理論的平面評(píng)估模型改進(jìn)成能進(jìn)行空間預(yù)測(cè)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,并且在模型中引入了多個(gè)環(huán)境因子,利用信息擴(kuò)散理論建立其影響矩陣,通過(guò)抽象疊加的形式修正了簡(jiǎn)單的信息擴(kuò)散模型,相比原來(lái)的模型,更具有實(shí)用性和優(yōu)越性。
本文介紹了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的概念以及發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)分析了許多前人此領(lǐng)域的研究成果。通過(guò)研究基于信息擴(kuò)散理論進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的已有研究成果,提出了改進(jìn)后的基于空間信息擴(kuò)散理論的環(huán)境評(píng)估模型,該模型相比原來(lái)的研究成果,能更好地在環(huán)境立體空間上進(jìn)行相關(guān)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及將信息擴(kuò)散理論融入到預(yù)測(cè)環(huán)境影響因子的定量分析中。我們從示例中發(fā)現(xiàn),充分地考慮各種環(huán)境因子對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的影響在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和控制上有著至關(guān)重要的作用。對(duì)環(huán)境因子影響程度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性直接影響著對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制的有效力度。本文研究成果,可以提高進(jìn)行大型工程的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析的準(zhǔn)確性,保證了其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制的力度,降低了人類不正常的生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)一步危害人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境的概率,對(duì)各國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略所需要的理論有較好的借鑒意義。
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An Environmental Risk Evaluation Model Using Space Information Diffusion
ZHU Xiao-min1CHEN Dong-hua1GENG Jian-dong2
(1.School of Mechanical Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;2.High Technology Research and Development Center,Ministry of Science and Technology,Beijing 100045,China)
Environment is closely related to human survival and development.With the acceleration of global industrialization,however,the natural environment suffers from destruction in the productive activities of human society at the same time.The damaged environment in turn affects the normal production activities of human.Therefore,how to effectively detect and control environmental risk after the production activities caused by human is particularly important.This paper establishes a complex environmental risk evaluation model based on space information diffusion by studying the current applications in this area and combining with the theory of fuzzy evaluation,which improves and optimizes the current research results.The model introduces environmental factors to amend the inaccuracy caused by the general information diffusion model.Through the use of this evaluation model,it can improve the accuracy in the fields of prediction and control of environmental risk diffusion based on information diffusion,and provides a basis to reduce and control the risk aftereffect.Finally,a case study is presented as the application of the model,which makes an environmental risk analysis and proves the practicality of the model.It is proved that this model has more general superiority by comparing with the general diffusion model.The results of this study are useful to make an environmental risk assessment for those major projects which have induced accidents and crises.
information diffusion theory;environment;risk evaluation;space
X828
A
1002-2104(2012)03-0111-07
10.3969/j.issn.1002-2104.2012.03.019
2011-10-20
朱曉敏,副教授,主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)評(píng)估、復(fù)雜系統(tǒng)建模與優(yōu)化。
國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目“推動(dòng)中國(guó)綠色發(fā)展的重大戰(zhàn)略及技術(shù)問(wèn)題研究”(編號(hào):2010CB955905)。
(編輯:常 勇)