基于动态综合评价的区域环境风险差异化管理

杨小林,顾令爽,李义玲*,杜久升 (.河南理工大学,安全与应急管理研究中心,河南 焦作 454000；2.中国科学院成都山地灾害与环境研究所,四川 成都 6004)

区域环境风险是由自然或人为因素引发,通过环境介质传播,能对人、财产及生态环境构成威胁的潜在危险状态,其特征表现在区域多样风险源释放的多重危险,风险传播途径与风险受体多样化和相互作用的复杂性,包括突发性环境污染事故风险与累积性环境污染风险[1-2].我国区域发展过程中,工业化、城市化水平大幅提升,经济高速增长,但同时资源环境状况日趋恶化[3-4].一方面,累积性环境污染问题突出,如水体富营养化、雾霾天气等已成为我国当前最严重的环境问题[5-6];另一方面,突发性环境事故多发,往往给环境安全和公众生命财产安全造成严重影响[7].近年来,环境污染问题已成为当今社会矛盾和社会冲突新的诱发因素和影响社会稳定的重要风险源[8].因此,开展环境风险评价和管理已成为当今保障社会可持续发展的迫切需要.

区域环境风险评价是一种分析和比较环境影响在宏观尺度地理区域特征的方法,重点关注产业结构、功能布局与产业定位不合理等引起的宏观尺度结构型、布局型环境风险,为区域开发环境综合管理和规划决策提供依据[1,9].由于我国经济发展模式的限制,结构型、布局型环境风险短期内彻底改变存在较大难度[10],且环境风险源、风险受体、风险传播的空间特性导致区域环境风险呈现很强的空间变异性.因此,开展区域环境风险评价,划分环境风险等级,结合区域社会经济发展实际,实现区域环境风险“差异化”管理具重要现实意义.

目前,国内外环境风险评价研究多集中于单一事件、工程项目、有毒有害物质扩散等微观风险评价[11-13],开展区域尺度环境风险评价研究的较少,且多从风险源危险性[14]、受体脆弱性[15]、风险因子释放与转运过程[16]等单方面考量,以考察评价对象在某个时间点的静态风险为主[5].然而,区域环境风险受到风险因子释放与转运、风险受体暴露及受损等环境风险子系统的综合作用,且各系统随社会发展呈动态变化特征明显[17].现有研究缺少从区域环境风险系统出发,综合考虑评价对象在连续时间段内风险源危险性、受体脆弱性等因素对区域环境风险的综合影响.此外,动态综合评价的核心是评价指标在不同时刻权重系数的确定[18],目前指标权重确定的方法包括主观赋权法(如层次分析法、模糊评判法等)和客观赋权法(如 TOPSIS模型、熵权法、纵横向拉开档次法等).现有环境风险评价研究多采用层次分析法、模糊评判法等主观赋权法确定各指标权重系数[19-22],该类方法对定量数据的要求不高,简便易行,但主观性强,采用客观赋权法开展环境风险评估研究的较少.本文综合考虑风险源危险性和受体脆弱性对区域环境风险的影响,引入“纵横向拉开档次法”[23]和“时序加权平均算子法”[24]等客观赋权法构建区域环境风险系统的动态综合评价模型,基于长时间序列数据开展动态综合评价,并根据评价结果制定出指导区域环境风险管理的整套方法.本文根据风险评价结果对区域环境风险划分等级从而实现差异化管理的思路,提出 “风险评价-等级分区-差异化管理”的技术方法,期望依从区域经济社会环境系统协调发展思想,充分考虑区域经济社会发展实际需求,实现区域环境风险“差异化”管理.

1 研究方法

1.1 区域环境风险概念模型

灾害风险管理领域多采用由风险源危险性、暴露性和抗逆力3要素构成的风险三角形方法进行灾害风险度量[25],该方法亦适用于区域环境风险评估.区域环境风险是风险源释放出风险因子,经各种环境介质传播转运作用于人群、社会经济、自然环境等风险受体,进而产生健康、财产和环境损害[26].因此,本研究认为风险源危险性、受体暴露性和抗逆力构成了区域环境风险的基本要素,其中,受体暴露性和抗逆力决定了系统受体的脆弱性水平,并构建以下概念模型(图1,式1):

式中:R 、 f（H）、 f（E）、 f（R）和 f（V）分别为评价对象的区域环境风险、风险源危险性、受体暴露性、受体抗逆力和受体脆弱性.

图1 区域环境风险评估系统概念模型Fig.1 Conceptual model system for the regional environmental risk

1.2 评价方法

本文引入 “纵横向拉开档次”法[23]和“时序加权平均算子”法[24]等客观赋权法构建区域环境风险动态综合评价模型,基于长时间序列数据实现区域环境风险动态综合评价.首先,采用“纵横向拉开档次”法一次加权,确定不同评价对象在某时间段不同时刻的评价值;然后利用“时序加权平均算子”法实现二次加权,突出时间影响,确定评价对象在整个时间段的综合评价值.

“纵横向拉开档次”法是基于差异驱动原理根据各个指标在总体指标中的变异和对其他指标的影响程度自动确定权重系数,从整体上尽可能体现各评价对象之间的差异.对于给定对象si∈[s1,sn]和时间tk∈[t1,tN],有 m 个评价指标(x1,x2,…xm),对原始数据标准化处理以后便得到一个面板数据集,记为 xij(tk),若能确定评价指标 的 权 重 系 数 ω（jtk） (其 中, ωj(tk)≥0;那么评价对象s在t时刻的评价函ik数为:

yi( tk)为对象si的评价值

郭亚军等[24]在“有序加权平均算子”[27]法基础上提出了“时序加权平均算子”法.令某个时间段为时序加权平均算子对,ui为时间诱导分量,ai为数据分量.定义时序加权平均算子为:

式中是 f相关联的时间加权向量,,且中第j时刻所对应的时序加权平均算子对中的第 2个分量,称 f是n维时序加权平均算子.时间加权向量表达对不同时刻的重视程度,与向量熵I和“时间度”λ有关(式 4).向量熵反映了数据集结过程中权重包含信息的程度,熵值越大,所包含的信息量越小.λ为时间度,介于 0～1,其值越小,反映评价者越注重近期数据.反之,则越重视远期数据.

时间权向量可由式(5)得出:

式中:N为评价时间年限,ωk为tk时刻的时间权向量.

1.3 评价指标体系构建

根据区域环境风险概念模型,区域环境风险受到风险源危险性、受体暴露性和抗逆力的共同影响(图 1).风险源危险性指一定孕灾环境下,给人群、经济社会、生态环境带来损害的环境事件发生的可能性,体现为突发性和累积性环境风险源的密度和状态等,与如区域多年环境污染事故数、危险源的密集度、危险物质性质与存储量、废气排放量、固废排放量、废水排放量以及生产工艺、风险源监控与管理水平等区域风险源数量、风险因子转运控制机制相关[16,28].受体暴露性指一定孕灾环境下,受环境污染威胁的人群、自然环境和社会系统等风险受体的分布特征,体现为受体的种类、数量、密度、价值等,如人口密度、经济密度、重要环境敏感目标密度(如自然保护区密度、耕地密度、水源地密度)等可代表受体暴露性[5,19].抗逆力指风险受体对环境污染影响的敏感程度,体现为受体自身抵御与主动减轻环境污染影响的能力,与民众自救互救、社会应急救援和社会应急管理水平等因素有关,如人均可支配收入、专业机构应急救援能力、区域应急投入、应急管理人员数量等可代表抗逆力水平[29].受体暴露性、抗逆力共同决定了受体脆弱性,暴露性越强、脆弱性越强;抗逆力越强、脆弱性越弱.

表1 区域环境风险评价指标体系构建Table 1 Index system for the regional environmental risk assessment

根据文献[5,10,28],筛选出危险性、暴露性和抗逆力最主要表征指标,并考虑到客观赋权法对量化数据的要求与数据获取的难易程度,基于指标科学性、主导性、数据可获得性等原则构建评价指标体系.选择重工业企业密度和产值密度、废水、废气和固体废弃物排放负荷分别表征突发性和累积性环境风险源危险性,某一区域重工业企业密度与产值密度越大,废水、废气和固体废物排放负荷越高,发生环境损害的可能性越高,可衡量区域风险源危险性[5].选择人口密度、经济密度和耕地密度等指标分别表征人群系统、经济系统以及生态环境系统等受体暴露性.某一区域发生环境损害时,人口密度、经济密度和耕地密度越高,暴露性越强,可能造成的人员伤害、经济损失和生态影响越大.选择人均可支配收入、万人病床数、人均道路面积以及万人环境与公共设施管理人数分别代表民众自救、社会救援、应急疏散以及社会应急管理能力,表征风险受体抗逆力(表 1).当区域发生环境损害时,人均可支配收入越高,民众自救能力越强,区域万人病床数、人均道路面积以及万人环境与公共设施管理人员越高,表明社会应急救援与应急管理能力越强,面对环境损害的抗逆力越强.

1.4 区域环境风险综合评价模型构建

1.4.1 数据无量纲化 由于选取的指标单位和量纲不同,缺少可比性,应将各评价指标进行无量纲化处理为对象si的第 j个指标在tk时刻的数值(i=1,2,…, n;j=1,2,…, m; k=1,2,…, N),则有:

式中: x ′ij(tk) 为无量纲化后的值;和σj(tk)分别为第 j个指标在tk时刻的均值和标准差.原始数据经处理后包含非正数,再采用极值法(式7)对各指标进行平移和扩大.

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

1.4.2 基于“纵横向拉开档次”法的一次集结以风险源危险性、受体暴露性和抗逆力为主要参评指标,利用“纵横向拉开档次”法计算获取各评价对象在tk时刻的风险源危险性指数、受体暴露性和抗逆力指数.具体步骤如下:

(1)对于给定时间tk的n个评价对象的m个指标x1,x2,…,xm的数值(已无量纲化),用矩阵Ak表示,即:

(2)计算 m×m 的实对称矩阵

(3)计算Hk的最大特征值λmax及其对应的权重系数向量,并归一化处理,计算各指标的权重ωj(tk);

(4)计算函数:

式中:为评价对象si在tk时刻的风险源危险性指数、受体暴露性指数和受体抗逆力指数.

(5)计算环境风险指数

根据本文建立的区域环境风险概念模型(式1)计算评价对象si在tk时刻区域环境风险指数和受体脆弱性指数

1.4.3 基于“时序加权平均算子”法的二次集结根据参考文献[5,24],确定λ取值 0.25适合环境风险动态综合评价.通过Lingo16.0软件求解公式5计算时间权向量ωk.该软件是由美国 LINDO公司开发的求解线性和非线性优化问题的简易工具,可从 LINDO 公司官方网站(www.lindo.com)免费获取.本文下述案例中(数据为2009～2015年)的ωk=(0.02793, 0.04291, 0.06593, 0.1013, 0.1556,0.2391, 0.3673)T;最终的评价函数为:

式中:yi为各评价对象 si在整个时间段的动态综合评价值,如综合风险源危险性指数、综合暴露性指数和综合抗逆力指数.此外,根据本文建立的区域环境风险概念模型(式1)计算评价对象si在整个时间段区域综合环境风险指数 Ri和综合受体脆弱性指数Vi.

1.4.4 区域综合环境风险等级划分 根据各评价对象的综合评价结果,采用 SPSS分层聚类功能,将各评价单元的综合风险、风险源危险性和受体脆弱性划分为 5类等级区,确定区域环境风险等级及其主导因素.

1.5 “差异化”管理

区域环境风险“差异化”管理思路是依据风险评价结果划分风险等级区域(高风险区、较高风险区、中风险区、较低风险区、低风险区),根据风险等级及其主导因素差异,提出针对性管理方案,实现区域环境风险的“差异化”管理.

1.5.1 指导思想 遵循“重点控制、优先管理”与“逐步控制、加强防范”相结合的原则.高风险区和较高风险区实行重点控制、优先管理,资源投入优先、时间靠前,根据风险主导因素,针对性的提出风险源危险性控制措施和受体脆弱性减缓措施,最大限度降低区域环境风险;中低风险区结合区域经济社会发展目标,实行重点风险源逐步控制、防范为主的策略,加强区域应急管理体系建设.

1.5.2 风险控制等级划分 综合考虑区域发展、生态环境安全及现有资源,依据“重点控制、优先管理”与“逐步控制、加强防范”相结合的原则,将研究区域划分为重点控制区、一般控制区和事故防范区 3种风险控制等级区.其中,高风险区和较高风险区作为重点控制区应重点管理、优先控制,中风险区、较低风险区和低风险区分别作为一般控制区和事故防范区可逐步控制、防范为主.

2 案例研究

以河南省为案例研究对象,开展 18个市域单元 2009～2015年的区域环境风险动态综合评价(所有指标数据均来自于2010～2016年《河南省统计年鉴》),揭示其环境风险的空间差异,以期为河南省区域环境风险的“差异化”管理提供决策依据.下文中的综合风险源危险性指数、综合受体暴露性与抗逆力指数、综合受体脆弱性指数以及综合环境风险指数均为 2009～2015年相关数据计算获取的综合评价结果.

2.1 河南省综合环境风险空间分布特征

研究结果显示河南省综合风险源危险性指数(图2)、综合风险受体暴露性指数(图3)和抗逆力指数(图 4)以及综合环境风险指数(图 5)的空间差异较大.

图2 河南省综合风险源危险性指数空间分布Fig.2 The spatial distribution of the hazard index for the risk source in Henan Province

图3 河南省综合受体暴露性指数空间分布Fig.3 The spatial distribution of the exposure index for the receptor in Henan Province

(1)综合风险源危险性:河南省北部城市风险源危险性高于南部城市,其中,郑州、焦作、济源、鹤壁、许昌的综合风险源危险性指数最高,分别为13.23、11.19、10.82、10.65、9.47,驻马店、南阳、周口和信阳的综合风险源危险性指数相对较低,分别为 5.64、5.59、5.58、5.18;(2)综合受体脆弱性:受风险受体暴露性和抗逆力的综合影响,漯河、许昌、周口、商丘、濮阳、开封等市综合受体脆弱性指数较高,三门峡、济源、洛阳等市综合受体脆弱性指数较低.其中,漯河、郑州、许昌等河南省中部城市综合暴露性指数最高,分别为13.06、12.94、12.05,洛阳、三门峡、南阳等河南省西部城市综合暴露性指数较低,分别为 6.88、5.10、7.07;郑州、洛阳、新乡等市综合抗逆力指数较高,分别为12.42、10.33、9.86,而商丘、三门峡等市综合抗逆力指数较低,分别为7.63、7.92;(3)综合环境风险:受风险源危险性和受体脆弱性综合作用,郑州、漯河、许昌的综合风险指数最高,分别为13.79、13.46、13.28,信阳、南阳、三门峡等市综合风险指数最低,分别为4.15、4.16、5.01.

图4 河南省综合风险受体抗逆力指数空间分布Fig.4 The spatial distribution of the resilience index for the receptor in Henan Province

图5 河南省综合环境风险指数空间分布Fig.5 The spatial distribution of the comprehensive risk index in Henan Province

2.2 河南省环境风险等级划分

图6 河南省综合风险源危险性分区Fig.6 Cartogram of the comprehensive hazard for the risk source in Henan Province

图7 河南省综合风险受体脆弱性分区Fig.7 Cartogram of the comprehensive vulnerability of risk receptor in Henan Province

采用 SPSS软件分层聚类功能,根据各评价单元的风险源危险性、受体脆弱性以及风险水平及反映其特征的各指标情况进行自动聚类,将河南省各市域单元综合风险源危险性(图 6)、综合受体脆弱性(图 7)和综合环境风险(图 8)分别聚为5类等级区.(1)郑州、许昌、漯河属于高风险区.郑州工业企业密度高、累积污染物排放量大,风险源危险性非常高,虽然抗逆力较高,人口、经济密度高,受体暴露性强,属于高危险、中等脆弱地区;漯河和许昌的脆弱性均较高,但是许昌的风险源危险性要高于漯河.(2)焦作、鹤壁和濮阳属于较高风险区.焦作、鹤壁的风险源危险性较高,受体脆弱性相对较低,而濮阳属于脆弱性较高、危险性较低的区域,风险主导因素不同.(3)安阳、开封属于中风险区.其中,安阳风险源危险性和受体脆弱性等级均为中等,而开封属于脆弱性较高、危险性较低的区域.(4)平顶山、商丘、周口、新乡、济源等城市属于较低风险区.其中,周口、商丘等属于低危险性,较高脆弱性区域;济源作为重要重工业城市,风险源危险性较高,但区域人口、经济密度较低,受体暴露性弱,属较高危险性、低脆弱性区域;平顶山、新乡的风险源危险性和受体脆弱性均较低.(5)洛阳、三门峡、南阳、信阳、驻马店属于低风险区,该类区域危险性和脆弱性均较低.

图8 河南省综合环境风险分区Fig.8 Cartogram of the comprehensive environmental risk in Henan Province

2.3 区域环境风险“差异化”管理方案

区域环境风险“差异化”管理是根据不同区域环境风险的主导因素提出针对性的控制措施.对风险源危险性高的区域,应从产业结构调整与升级、企业风险源排查和监控、企业与员工安全生产意识、危险品生产和储运过程的安全管理等方面降低风险源危险性.对脆弱性高的区域,应重点加强基础设施建设和应急管理体系建设,强化公众风险意识,提高整个社会的风险承受能力.对综合风险高的区域,发展规划中不宜布局新的重型、污染型工业,对已有布局,应考虑厂址搬迁或产业转移.同时在土地利用规划中应加强防灾减灾措施规划,如强化应急避难场所、应急物资储备场所、医院、消防等公共服务机构的建设等,从而提高风险受体的抗逆力.

综上所述,本文针对区域环境风险管理提出4种方案,以供选择.

2.3.1 方案一:高危险高脆弱方案 高危险高脆弱区域往往工业发达且重工业比重较高,风险源密集,且人口、经济密度高、能量和物质流动频繁.该类区域首先应加强现有风险源的识别、排查、监控与预警,特别是居民区、水源保护地、商业区等敏感目标周边存在的危险化学品仓库、油库、工厂等重大危险源,强化风险源的监控,全面掌握环境风险源动态变化,若发现危险信号,及时发布预警;其次,加强产业结构调整、升级与转移,降低高风险、高污染的重工业比重,降低环境事故发生概率、减少累积性污染物排放量;再次,完善土地利用防灾减灾规划,加强环境污染事件预警体系和信息发布网络体系、应急疏散方案建设,制定多级别的应急预案体系,提高区域环境应急能力.

2.3.2 方案二:高危险低脆弱方案 高危险低脆弱区域往往经济相对发达,重工业比重较大、风险源密度高,但人口密度、重要生态景观密度较低,脆弱性较低.该类区域在短期产业优化调整的措施主要是促进现有工业企业技术和工艺升级,着重加强安全生产管理和清洁生产.同时严格限制新危险源的增加,加强现有重大危险源监控与预警,降低危险源的潜在威胁.从长远看,区域发展势必带来人口、物质和能量聚集,低脆弱性可能是短期存在,防灾减灾规划中应尽可能结合区域发展目标制定远景规划,在相关条件允许下,尽可能完善区域应急管理体系.

2.3.3 方案三:低危险高脆弱方案 低危险高脆弱区域多是工业欠发达,但人口密集、生态环境脆弱的区域.该类区域应加强现有工业企业风险源排查、监控与预警,降低环境污染事件发生概率,在区域发展规划过程中,积极提高环境准入门槛,严控风险负荷大、经济附加值低的产业转移至区域内,鼓励低风险产业入区,特别可将绿色产业作为未来产业发展主方向.虽然该类区域危险性较低,但区域环境脆弱,一旦发生环境事件,损失和影响将十分严重.因此,要特别加强环境基础设施建设和应急管理体系建设,着力提升社会风险抗逆力,降低受体脆弱性.

2.3.4 方案四:低危险低脆弱方案 低危险、低脆弱区域往往工业不发达,人口和经济密度也较低、生态环境较好.该类区域可作为周边高风险区域风险行业选址和产业转移的目标区域.考虑到产业转移势必导致区域风险源增多,因此要切实做好风险源的监控与管理,防止风险向环境事件转化,同时完善区域应急管理体系,特别是该类区域往往地广人稀,信息传播困难,要重点加强信息发布渠道、应急预案建设.

根据河南省综合环境风险分区及其风险源危险性、受体脆弱性特点,本研究对河南省市域尺度环境风险“差异化”管理提出以下建议,见表3.

表3 河南省市域单元环境风险“差异化”管理对策Table 3 Differentiated management strategies of the regional environmental accidents risk for eighteen cities of Henan Province

3 结论

3.1 本文借鉴灾害风险管理理论,从风险源危险性、受体暴露性和抗逆力3方面构建区域环境风险综合评估指标体系,引入“纵横向拉开档次”法和“时序加权平均算子”法建立了基于长时间序列数据的区域环境风险动态综合评价方法,可实现区域环境风险动态综合评价.

3.2 本文提出了 “风险评价-等级分区-差异化管理”的区域环境风险管理思路,依据“重点控制、优先管理”与“逐步控制、加强防范”相结合的原则,结合风险评价与等级划分,划定重点控制区、一般控制区和事故防范区3种风险控制等级区,通过逐层递进的方法确定不同管理区采取的“差异化”管理策略.

3.3 通过该方法在河南省的应用,实现了河南省18个市级单元的区域环境风险动态综合评价,确定了河南省未来环境风险管理的主要目标以及可采取的“差异化”管理方案,并可为其他类似区域环境风险综合评价和管理提供案例参考.

3.4 河南省区域环境综合风险及其主导因素空间变异显著,其中郑州、许昌、漯河、焦作、鹤壁和濮阳等城市应作为区域环境风险控制管理的重点区域,需根据各城市环境风险的主导因素从产业布局、产业升级、区域防灾减灾规划等方面采取针对性控制措施,降低区域环境风险源危险性和风险受体脆弱性,实现区域环境风险的“差异化”管理.

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