（环境工程专业论文）水环境突发性与非突发性风险分析的理论和方法初步研究.pdf

摘要 y s l 4 3 8 2 有毒有害物质的突发性和非突发性泄漏( 或排放) 是引起水环境灾害性污染 事故的主要原因，因而对有毒有害性物质突发性或非突发性泄漏( 或排放) 污染 可能造成的灾害进行风险分析的理论和方法研究已经开始得到环境科学家和社会 的广泛重视。但是，国内外在该领域仍缺乏深入系统的研究，理论和方法与实际 应用仍存在着较大的差距。有鉴于此，在t i m o t h y ( 1 9 9 2 ) 关于水质风险的定义和 研究工作的基础上，运用传统的不确定性理论和方法中新的研究成果，对水环境 风险赋予了新的定义，并初步探讨了水环境中突发性和非突发性这两类风险，其 内容包括用随机过程理论和概率论方法对水环境中突发性风险的定量分析，对突 发性风险事故发生的频率分析，用随机理论方法、模糊数学理论方法及区间数的 方法对水环境中非突发性风险的分析，以及考虑风险因索的水环境系统规划等。 作为环境风险评价领域研究工作的一部分，本文的工作重点在于对水环境风险的 发生、模拟其影响范围与历时及控制，以便于在理论和实践上为水环境风险的决 策和管理工作提供一定的参考依据。 关键词：突发性风险非突发性风险水环境不确定性理论和方法 a b s t r a c t t h es u d d e n h a p p e n e da n dn o n s u d d e nd i s c h a r g eo fd e l e e r i o u sm a t e r i a l si n t o w a t e re n v i r o n m e n ti st h em a i nc a u s eo f c a t a s t r o p h i cp 0 i i u t i o ne v e n t s t h e r e f o r e ， s t u d i e so nt h c o r i c sa n d m e t h o d o l o g i e s f b rr i s ki e dt o b ys u d d e n - h a p p e n e d o r n o n s u d d e nd i s c h a r g eo fd e l c t e r i o u sm a t e r i a l sh a v cb e e na t t a c h e dm o r ea n dm o r e i m p o r t a n c e r c s c a r c h e si n t h i s f i e l d ，h o w e v e r ， d u et ot h el a c ko fi n - d e p t ha n d s y s t e m a t i ce x p i o r a t i o n ，r c s u l t i nt h ed e v i a t i o no ft h e o r i e sa n dm e t h o d o l o g i e sa n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s b a s e do nt i m o t h y sd e f i n i t i o na n ds t u d yf o rw a t e rq u a l i t yr i s k ( 19 9 2 ) ，b ya p p l y i n gn e w o u t c o m e so fc l a s s i c a lu n c e r t a i nt h e o r i e sa n dm e t h o d s ，w a t e r e n v i r o n m e n t a lr i s k i sr e d e f i n e da n dn o n - s u d d c na n d s u d d e n h a p p e n e d r i s ka r e p r i m a r i l ye x p l o r e d t h ec o n t e n t so ft h i sp a p c ri n c l u d eq u a n t i t a t i v ca n a l y s i sw i t h s t o c h a s t i c p r o c e s s a n d p r o b a b i l i t y m e t h o d sf b r s u d d e n h a p p e n e dr i s k ，f e q u e n c y a n a l y s i sf b rs u d d e n h a p p e n e dr i s ke v e n t s ，n o n s u d d e nr i s ka n a l y s i s w i t hu n c e r t a i n a p p r o a c h e ss u c ha sr a n d o mp r o c e s s ，f h z z ym a t h e m a t i c sa n di n t e r v a ln u m b c r s ，a n d w a t e re n v i r o n m c n ts y s t e mp r o g 豫m m i n g c o n s i d e r i n gr i s ka sw e n a s o n eo ft h ep a r t s o fe n v i r o n m e n t a lr i s ka s s e s s m e n t n e l d ， t h e p a p e r f o c u s e so nt h e o c c u r r e n c e ， s i m u l a t i o na n dc o n t r o lo fw a t e re n v i r o n m e n t a lr i s k ，a i m i n ga tp r o v i d i n gt h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a lb a s i sf o rr i s kd e c i s i o n - m a k i n ga n dr i s km a n a g e m e n t 。 k e yw o r d s ：s u d d e n - h a p p e n e dr i s k ；n o n s u d d e nr i s k ；w a t e re n v i r o n m e n t ；u n c e n a i n t h e o “e sa n dm e t h o d o l o g i e s n 第一章绪论 1 1引言 水是生命之源，也是生态圈中物质循环的基本系统。在过去的数十年间水环 境受到了各种化学物质的污染，如综合性有机物、重金属污染和淡水及海域的富 营养化等，因此，评估水环境的生态状况成为人们十分关注的问题之一。有毒有 害物质是引起环境灾害性污染事故的主要原因，而存在于环境系统中大量的不确 定性、非线性等复杂因素形成了这种灾害性事故的风险性。据不完全统计，近2 0 年内我国城乡水环境中由于风险性事故而造成污染的灾害事例多达数百起f 5 0 1 。 由于风险性事故的发生常常难以预料且破坏性严重，因而日益成为环境保护和经 济发展中一个不可忽视的问题，而环境系统中有关风险评价的工作也开始逐渐得 到了环境专家、学者的广泛重视。进入9 0 年代，欧美等圆已出版了一系列技术规 范及指南，其中将风险评价作为环保“预防战略”的一种具体措施加以推广。近 些年来，国内已有不少专家学者致力于水环境风险的研究2 】1 4 1 】1 4 2 1 1 8 ”。尽管如此， 国内外在该领域仍然缺乏系统的研究，其理论和方法与实际应用仍存在着较大的 差距【8 们。 因此，如何用理论的、系统的方法对水环境中可能存在的风险进行分析( 应 包括定性的分析和定量的分折) 成为当前环境科学领域中的一个重要的课题，而 该课题的深入研究对水环境风险的防治及管理工作的实施具有一定的理论和实践 意义。 1 2 环境风险的分类 按文献【2 1 1 【3 4 1 可将风险分为四类：真实风险、统计风险、预测风险和感知风 险。 真实风险：最终情况发生的实际风险。它的大小都是由一系列的亦已发生的 事件所决定，也就是说，只有等引起风险的各事件发生后方能得出其准确的风险 值，这其实也是对过去事件得出的一个值； 统计风险：在过去时间段内，将影响风险各因子的所有信息资料用统计分析 的方法计算出其发生的概率，这是需要以正确的统计模型和大量的统计资料为前 提的，它也是对过去已发生的事件得出的计算值： 查至塑塞垄丝童韭壅垄丝墨堕坌堑塑堡丝量杰鎏垫生堡塞 ! 预测风险：从众多的信息资料中挑出一些最好最能反映实际情况的数据资料， 选择一个较好的评价模型和计算方法对未来风险作出一个合理的分析，从而估算 出它的风险值； 感知风险：也就是主观风险，它是风险评价的专家凭自己的经验及专业知识， 从主观感觉出发估计未来风险的大小，并综合众专家的估算结果所得出的一个相 对较为可靠的风险值。 在以上四种风险中，常常因为环境中的种种复杂的不确定性因素以及统计资 料的不足而更多地采用预测风险和感知风险，这样有利于对未来时段风险进行更 好的掌握。 1 3 风险定义及发生的主要原因 1 3 1 风险的定义 关于风险有很多种定义【9 1 】，而目前一般多采用如下的定义：风险是指遭受损 失、损害和毁坏的可能性f 1 】【35 1 。其含 义应包括：第一、风险的产生具有一 种可能性，常常用概率描述这种可能 曼 性的大小；第二、风险的发生常常会 墨 带来不期望的后果，这种后果可能是 环境被破坏，经济上遭受损失，人们 的生存受到威胁 奠机变量 一般来说，根据对风险的不同的，兽* 娄象黯盏盏嚣慧荒詈i n 定义，可以有多种表达式来描述风险 的大小。 如果用概率p 来表示风险的大小，妇七，则 j 勿 i 随机变量 图1 2 随机变量| i f 的曩积概率 矾昏1 2a u m u i - t e dp m h k h t yo f n n 曲瞳 v - 一- b k 肼 ，f j 扣户( 风险事件发生( 1 1 ) 对一环境系统来说。若设随机水环境容 量为z 其概率密度为厶 ) ，随机水环 境负荷量为】，其概率密度为 ( y ) ，( 见 图1 1 ) ，并令m = x y ，当m 0 时， 环境遭到了破坏( 见图1 2 ) ，这时水环 境风险，f 如可以定义为【3 9 j ： 概率密度 蔓= 里堑丝 一_ 三 r 拓k = p t x y 曼q = 尸 m 0 ) ( 1 2 ) = 厶( 聊) 如 ( 1 3 ) 式中，p 为超标概率；厶( m ) 为m 的概率密度。 当然还可以用模糊集理论中的可能性p 口j 来表示风险的大小( 见图1 3 ，图中 各项符号的意义可参见第四章) ： 隶 属 度 l l 胗 咐 模糊变量 图1 3 水环境中可能性风险示意图 n 蛋1 3s k e t c ho f 呻l s 蹦“t y s kh w a t e re n v l r o n m e n t ，f s 七= p d j 风险事件发生( 1 4 ) 当然，也常常用其它的风险指标来表示风 险事件对环境影响的大小程度，则其计算式可 用下式表示： ，括七印 风险事件发生) c 【b 0 1( 1 5 ) 式中，p ：风险度，即风险事件的发生概率或可 能性；c ：危害，事件影响后果的大小，一般常 用经济损失来描述。 尽管关于风险的定义形式多种多样，且不 同的风险定义对风险的值会有较大影响，但各种风险的定义却均是以式( 1 2 ) 为 基础展开的，因此式( 1 2 ) 成为本文的主要思想。 1 3 2 引发风险的原因 引发水环境风险的原因主要可以归结为两种：突发性和非突发性原因。突发 性的风险是指环境中有毒有害物质突发性( 或事故性) 泄漏捧放至环境中而导致环 境质量超标，它具有突发性，破坏性、时变性等特征非突发性风险则是指在排 污口非突发性( 即稳定源连续或不连续但排放强度不是突然显著地增加) 排放的 情况下，河流下游段仍然有水质超标而造成污染的可能性。其风险存在的根本原 因是在非突发性排放条件下，由于没有考虑不确定性因素的影响，人们作出的水 质规划结果通常只能保证在确定性环境下各水质指标达标，而水环境中不确定性 因素的影响是一直存在的，这就使得原来的规划结果很难保证各水质指标百分之 百达标，因而水环境中水质超标就具有可能性，从而也就给水环境带来了这样一 种非突发性风险。这种非突发性风险具有潜在性、破坏性和长期性。 基于此分析，本文拟对水环境中的这两类风险分别进行初步的研究和探讨。 关于突发性风险和非突发性风险，本文将分别在第二章和第四章的概述部分分别 水环境突发性与非突发性风险分析的理论与方法初步研究 作更为详细的论述。 1 4 环境系统风险定量分析的理论和方法 因为风验本身是源于对未来环境的不确定性因素，所以不确定性理论和方法 是对风险进行定量分析的最主要的理论根据。但目前对环境风险分析定量的计算 方法还不是很多，也不够成熟。人们更多的是考虑用概率论方法和模糊论方法等 不确定性的理论和方法对环境风险进行分析研究，而用其它的理论方法来计算风 险则显得薄弱。通过一些总结，风险分析的理论和方法常常有如下几类：概率论 方法、模糊论方法和风险指数法。 1 4 1 概率论方法 如前所述，环境系统是一个不确定的系统，因而对环境系统中风险的分析可 以用不确定性方法来研究，用概率来描述风险的大小则是一种比较简单、直观的 方法。同时。与概率论相关的理论如统计理论。随机理论也为用概率论方法研究 环境风险问题提供了理论基础和有效的方法。 1 4 1 1 统计方法 该法是利用现有的实验数据或历史资料，用统计分析的方法得出各不确定因 素的统计量、数字特征及分衣函数，从而为风险估计提供可靠的统计模型。具体 方法可采用回归分折法、置信区间法、贝叶斯方法等。 1 4 1 2 随机模拟法【4 l 】 常常从环境中某种描述污染物浓度的确定性模型出发，若记一环境质量模型 为c = ，( 工，弘z ，f ，4 ) ，其中x ，y ，z 代表空间座标，f 是时间，4 ，为影响浓度变化的诸 因子( f = 1 ，2 ，h ) ，假设i 是符合某种分布函数的随机变量，且c 的随机性完全 由彳- 决定。这样便可以在计算机上对爿，进行随机抽样，所抽取的随机数是符合 该分布函数的。设模拟次数为，超标( 即模拟值d 环境容量值c o ) 次数为f ， 则风险r = f 。由大数定理可以证明：当趋于无穷大时，模拟值r 依概率l 收 敛于其真值。实际计算时，在规定的误差范围内，只需选择有限的模拟次数即可。 该法具有简单易行的优点，且适合各种分布的随机变量，且避免了对概率密度的 推导和求解，因而成为人们常常选择的方法，尤其是计算机的运算速度成倍提高 后，随机模拟法越来越成为行之有效的方法之一。 笙二童堑丝 1 4 1 3 一次二阶矩法 自从a n g 等人首次提出来二阶矩法已来， 筑、力学、水科学等学科中用以分析因随 机因素的影响而导致的风险。由于在式 ( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 中，要给出zy 的理 论概率分布是有困难的，因此针对此种状 况，c o r n e l l 提了极限状态函数的概念。 设极限状态函数m 包括两个基本变量 z 】，且分别服从正态分布( 。，仃，) 和 ( ，听) ，则m 亦服从正态分布 ( ，盯m ) 。当达到极限状态( 胪烀y o ) 其方法已广泛地应用到了机械、建 随 机 水 环 境 容 量 x 随机水环境负荷置j ， 图1 4 用极限状态方程描述水环境风险 尉蚤1 4d ep l c tw _ t e re n v j r o n m e n t r i s k w - t he q u t i o no fn m m - t ec o n d o n 时，即相当于在平面( 图1 4 ) 上的一条直线，它将平面分成安全区和风险区。 在一定的允许误差范围内，可以作出某些合理的近似以避免对概率密度的求解而 直接求出式( 1 2 ) 和( 1 3 ) 的值。该法的关键是对m 的求解，间接求出随机变 量的一阶矩 ，和二阶矩盯肼，从而由公式矗= i 一中_ l ，) 近似的估计m 小于0 的概率。在实际计算中，需要取自变量的前一、二阶矩，并将状态函数在迭代点 处按泰勒级数展开，取前一项或前两项，然后用试差法求解。如果各随机变量不 是正态分布，则可用当量正态法求解【3 7 1 。 该法的优点是由随机变量的统计参数即可直接用试差法算出风险，在计算机 上求解较为简便，在精度要求不高时应是一种很好的方法。但是该法也有明显的 缺陷：用二阶矩法和三阶矩法求得的结果相差较大，且对同一状态函数的不同表 达式也会得到不同的结果，尤其对于非线性状态函数，在迭代点处按泰勒级数展开 只取线性项或前两项会带来较大的误差【8 7 l 。 1 4 1 4 随机过程法 从实用、简单的观点来看，环境中的随机影响因子可用随机变量来描述。但 是在实际中，从某影响因子变化的全过程来看，一次监测的结果应该看作是时间 ，的函数，而同一因子进行重复独立地多次监测结果应该是不同的，因此如果把 影响因子看成随机变量的话，则将污染物的浓度或浓度的变化用随机过程来描述 似乎更为确切，这样也有可能运用随机过程中的分析理论来求解风险概率。更重 要的是，求得的风险概率密度是时间的函数，这样就能够对未来的风险随时问变 化的趋势把握得更加清楚，有利于提高风险防范意识，加强全过程的风险管理水 垄堑婪壅垄丝量韭窒垄丝墨堕坌堑箜墨堡量查鲨塑生婴窒垒 平。目前有许多文献4 儿3 3 l 【3 6 】【5 9 儿9 0 1 均在水环境系统中建立了各种各样的随机水质 模型，为水环境中风险分析理论和方法的展开开拓了思路，但这还远远未能发挥 随机过程分析理论的强大作用，且目前大部分随机模型多限于对随机变量的研究， 而对随机过程的研究尚缺乏深度5 5 l 【90 1 。因此，用随机分析工具来研究水环境中的 风险问题还有大量的工作要做。 上述的几种随机方法都有一个共同之处是均以环境系统中亦已建立的各种确 定性模型为基础，把模型中的各个参数随机化，将确定性模型转化为随机模型， 同时也需要从各项参数的多次监测数据中，用统计分析的方法得出一种较为合理 的参数分布及其一、二阶矩，相关函数等统计量洲2 5 1 。 1 4 1 5 主观概率法( 或专家意见法) 1 3 1 i 在实际工作中，人们常不可能获得足够多的统计资料用以估计“客观概率”。 因此，在数据资料不完全的情况下，可以考虑用主观概率法来计算风险值。这种 主观概率能够用较少的信息量，综合诸位专家的意见及过去的经验对风险进行估 计。主要思路是将各个不同行业中的专家学者召集起来，根据各自的经验及不同 学科的背景知识对同一事件进行分析，并根据彼此分析结果的差异，加以一定的 权值，最终得出一个较能反映实际情况的综合概率值。 1 4 2 模糊论方法 模糊论方法是风险分析中的一套常用的理论方法，目前国内外用模糊论方法 研究风险问题已取得了一定的成果。 1 4 2 1 模糊概率法 在实际中存在着一些既有随机性又有模糊性的事件，即使在事件发生后，其 结果也是模糊的，可称作模糊概率。一个典型的风险问题是河堤溃坝风险，溃坝 是可能的，但溃坝的风险概率是多少又具有模糊性。基于这种思考，文献【7 l 】把 模糊数学原理与事故树分析方法结合起来，构造了新的风险事故分析方法，避免 了对统计资料的强烈依赖。文献【6 7 】也把概率统计与模糊数学相结合，提出了水 质评价的模糊概率法，对水环境中的模糊分析方法进行了有益的尝试。 1 4 2 2 模糊参数回归分析法【2 儿5 儿4 4 l 文献【2 】提出了一个用于硝酸盐的风险分析模型。在风险分析中，把影响硝酸 盐风险的不确定因子看成是模糊参数，然后从一定的实验数据出发，用线性回归 的方法反推出模糊参数根据估计的模糊参数即可求出任何硝酸盐浓度下的风险 笙= 至塑鲨l 值。这种方法可以应用于很多其它污染物的风险分析中。 1 4 2 3 模糊矩阵分析法 文献【1 】在风险分析中建立了关于风险的模糊矩阵，通过对模糊参数在模糊集 上的运算，对污染因子的污染等级和污染程度进行评判，为在不确定因素影响下的 风险评价和风险决策提供了一套系统的分析方法。文献 2 0 】也在已有的污染物风 险等级的基础上定义了一个模糊矩阵和一个模糊向量，给出了求出污染物感知风 险的一种方法。 当然，运用模糊论方法进行风险分析的研究还有很多其它方法【2 2 1 。但是， 模糊理论的研究和应用还会有更深入的发展，如模糊截集理论、模糊测度论等， 有理由相信，模糊论方法在水环境风险分析中还会有更多的成果。 1 4 3 风险指数法 虽然用概率来描述风险的大小很直观简洁，且能解决许多实际问题。但由于 实际中统计资料的不足，计算有时会变得很复杂甚至难以计算，同时也降低。了风 险的可信度。用模糊参数描述不确定性影响虽然在很大程度上弥补了概率论方法 的不足，但它始终只体现了一种主观倾向，不一定能真实反映风险的实际水平。 因此，除了上述两种方法外，对风险的计算往往不用概率来描述风险，而用其它 指标间接描述风险大小，这个指标即风险指数。一般地来说，风险指数越大则风 险越大，它同样具有直观简洁的优点。目前，很多研究成果均是采用风险指数法 来对风险进行分析和评价的【1 0 儿2 8j 【2 9 儿3 2 儿4 2 】【6 2 1 ，该法的不足是缺乏系统的、理论的 指导，不便于推广。 1 4 4 新的理论与方法展望 灰色系统理论作为新兴的而被广泛应用的不确定性分析的理论方法之一在风 险分析中的应用显得较为薄弱，除此之外，新的不确定性理论层出不穷，有代表 性的如：可能性理论、s h a f e r 的证据理论8 6 1 等虽然它们被认为是以概率为基 础的一种延拓，但可以相信，这些新钓理论和方法会在风险分析中找到它们的实 用之处。 非线性科学的理论在风险分析中尚未发挥作用。事实上，系统中一个很小的 非线性项也可能使不确定性因素增大，使未来的状态变得难以预测1 88 1 。非线性中 所表现出来的混沌与分形、倍周期分岔、耗散等现象可以认为是确定性系统中内 在随机性的结果。流体的湍流是引起水、大气污染的重要原因之一，而湍流本身 查墅擅窒垄丝皇韭窒垄丝墨堕坌堑箜矍堡兰查鲨塑生型! 塞 ! 则是非线性因素影响下的集中表现。目前，非线性科学的理论和方法已广泛应用 到了经济学、水文学、力学等众多学科。因此，用非线性科学中的理论和方法研 究环境系统中的风险问题也有待取得突破性的进展。 1 5 风险研究的应用及其研究意义 1 5 1 风险研究的应用 风险的研究在水环境系统分析中具有相当的应用价值，主要是在水环境系统 的水质风险模拟、预测及规划中的应用，为水质评价和水质管理工作的展开及相 应的政策的制定提供一定的理论依据和可行的方法。尤其是把水质风险作为一个 指标，对水环境进行规划是一个较新的尝试。 在水环境风险分析中，人们最关心的是风险一旦发生，会给自然界或人类的 财产造成多少损失，或是会给人的生命安全带来多大的威胁。而所有的这些损失 或威胁往往与一定的经济损失联系起来的【3 引。因此，降低风险就必须加大对有毒 有害物质排放前的处理与处置，必须对污染物排放标准加以更为严格的控制和管 理，这些都需花费一定的代价。而另一个事实是，无论花多大代价也几乎不可能 把风险降到零。加大降低风险的投资虽然可以很大程度地降低风险水平，使人们 的期望损失减小，但同时却增加了污染物捧放前的处理费用和管理费用。那么， 要花多大的代价才能将风险降至人们可以接受的水平呢? 而这个代价是否合理 呢? 所以，有必要综合期望损失和投资费用，寻求最优办法使二者总的费用达到 最小。关于如何寻求最优的风险控制水平本文将在第六章中作详细的讨论。 1 5 2 风险研究的意义 对风险的研究具有一定的理论意义和实际意义。针对突发性和非突发性河流 水环境风险分析的理论和方法的研究，其理论意义在于能够系统、深入地提出相 关的河流水环境质量超标的风险计算理论和方法，以及相关的控制管理理论和方 法，有助于发展一套较完整的针对突发性和非突发性污染的环境灾害学理论和方 法。而实际意义则是把对风险研究的理论和方法有效地运用到实际的风险评价工 作中去，能够预测和防止有关的水环境灾害的发生、发展，模拟其影响范围与历 时，采取措施减轻相关影响，评估有关环境灾害所造成的损失等。 1 6 全文内容介绍 本文针对水环境中非突发性和突发性风险分析的理论与方法作了初步的研究 第一章绪论 9 和探讨。有些是对已有文献所提出的方法进行改进，有些则是把不确定性、最优 规划等领域的最新研究成果应用到对水环境风险的理论分析中。 本文第章绪论部分对水环境系统中风险的分类、风险指标的定义、引发风 险的主要原因及目前对风险研究的理论和方法作了较为详细的叙述，并指出对水 环境中存在的两类风险进行研究的意义及其应用价值： 第二章对考虑随机因素的突发性风险作了一定的探讨，在已有研究成果的基 础上，提出了一个新的随机水质模型，并用该模型对河流中存在的突发性风险进 行了数值计算，并对突发性水质风险作了定量分析； 第三章对引发水环境突发性风险事件的发生频率作了分析； 第四章对在不确定性因素影响下的非突发性风险作了讨论，除了传统的用概 率来描述风险外，同时也把模糊模拟技术和区间模拟技术应用到风险分析中，并 把三种不确定性方法对风险研究的结果作了比较性研究； 第五章主要是对河流水环境中突发性风险和非突发性风险作了比较性的分析 和研究，并得出一个极为重要丽又往往容易被忽视的结论： 第六章通过对多河段水质风险的计算机模拟对风险进行了定量的分析，同时 把水质风险作为一个重要的规划指标，建立了一个考虑水质风险的河流水质规划 模型，并对其求解，求得的结果能够将风险控制在一个比较合理的水平； 第七章则对全文作了总结，并对今后工作的进一步展开作了一定的展望。 水环境突发性与非突发性风险分析的理论与方法初步研究 第二章考虑随机因素的突发性水环境风险研究 2 1 概述 2 1 1 引言 随着对环境问题认识与研究的逐步深入，人们发现由于自然界与人类社会诸 多因素的变化，环境质量呈现偏离稳态的“挠动”现象，即所谓的“瞬态污染” ( t r a n s i e n tp o l l u t i o n ) 【7 1 ，突发性环境污染事故是其中最为剧烈的一种。近年来发 生的一些灾害事故，如1 9 8 4 年印度博帕尔发生的异氰酸甲酯外溢事件，1 9 9 3 年 深圳清水河危险品仓库特大火灾等，给环境造成了极大破坏，也引起了很大的社 会反响。突发性环境污染事故作为威胁人类健康、破坏生态环境的重要因素，其 危害制约着生态平衡及经济、社会的发展，并已成为全世界极为关注的问题之一 【9 2 1 。 当前，我国正处在国民经济迅速发展时期，工业生产节奏的加快与生产活动 日益频繁，使得突发性环境污染事故发生的可能性大大增加。因此，加强突发性 环境污染事故预防、应急监测和处理处置术与管理的研究，是环境保护领域中一 项非常重要的工作，做好这项工作，对保护生态平衡，促进环境与经济的协调、 稳定、持续发展具有十分重要的意义。 2 1 2 突发性环境污染事故的概念、类型和特性 突发性环境污染事故不同于一般的环境污染，它没有固定的排放方式和排放 途径，通常在瞬时或短时间内大量地排放污染物质，对环境造成严重的污染和破 坏，给人民和国家财产造成重大损失的恶性污染事故。根据污染物性质及事故发 生方式，突发性环境污染事故可分为：核污染事故；溢油事故：有毒化学品的泄 漏、爆炸、扩大污染事故；非正常大量排放废水造成的污染事故四大类。 众多的案例分析表明，突发性环境污染事故呈现的特性有： ( 1 ) 形式的多样性 突发性环境污染事故有核污染事故、溢油事故、有毒化学品污染事故等多种 类型，并涉及众多行业与领域。对每一类事故，饮食的污染因索很多，表现形式 也是多样化的。且在生产动作的各个环节均有发生污染事故的可能。 ( 2 ) 发生的突然性 塑三童查垒堕熟里童丝窒丝丝查堑堡垦堕! ! 塑 ! ! 一般的环境污染是一种常量的排放，有固定的排污方式和途径，并在一定时间内 有规律地排放污染物质。突发性污染事故与此不同，它没有固定的排放方式，往 往突然发生，始料未及，来势凶猛，有着很大的偶然性和瞬时性。 ( 3 ) 危害的严重性 突发性污染事故在瞬时内大量泄漏、排放有毒有害物质，如果事先没有采取 防范措施，在很短的时间内往往难以控制，因此其破坏性极强，不仅会打乱一定 区域内的正常生活、生产秩序，还会造成人员伤亡、国家财产的巨大损失和生态 环境的严重破坏。 ( 4 ) 处理处置的艰巨性 突发性环境污染事故涉及的污染因素较多，一次排放量也较大，发生又比较 突然，危害强度大，处理这类事故必须快速及时、措施得当有效。因此，突发性 污染事故的监测、处理比一般的环境污染事故的处理更为艰巨复杂，难度更大。 ( 5 ) 风险的时变性 突发性风险另外一个非常重要的特点就是时变性。一旦突发性风险事故发生， 其对河流所造成的污染由于受到水体自净作用的影响，通常只会持续一段时间， 而且随着时间的推移风险的大小是变化着的，并且有逐渐减小的趋势。在没有新 的突发性风险事故发生之前，风险会逐渐消失。因此，对突发性风险的研究，只 有用动态的数学模型才能够真实地描述突发性风险，准确地反映出不同时段的突 发性风险大小。 一、 2 2 随机水质模型简介 近年来，确定性水质模型已被广泛地应用于水环境影响评价及水质预测。这 种模型通常将方程中代表各概念的系数处理成常量，但实际上，污染物在水流中 的扩散、运移或降解是涉及到物理、化学和微生物活动的一个复杂过程，不可避 免的具有不确定性【5 ”。因此，为了使模型能够更为精确地反映出整个不确定性过 程，往往将影响这个不确定性过程的各种因素看成是随机的因素，从而利用随机 理论、概率论这些强有力的数学工具建立随机的水质模型 关于随机水质模型韵研究，许多学者一直在做努力的探索。1 9 6 9 年，v k t h a n d a r a m a n 和b b e w i n g 提出了随机水质微分方程模型，同时考虑了水流变化 的随机性和水质成份变化的确定性，该模型中把d o b b i n s 方程的流速项处理为随 机变量，水质参数作为确定量( 常数) ，真实地反映了由是外在水文因素不确定性 随机变化和水质自身确定性固有变化共同作用的水质变倔薅爨 近尴年来，国内 查墅垫壅垄丝兰韭壅垄丝垦堕坌堑堕堡垒皇查鎏塑生堑墨! ! 外的一些学者通过研究表明，水质参数( 如耗氧系数、复氧系数和沉降系数) 的 随机变化对模型也有较大的影响【55 1 ，如果在微分方程中把水质参数处理成正态分 布的随机参数，也能模拟实测水质的随机变化。 综合以上分析，不难得出在早期的随机水质模型中一个主要的思想即是把确 定性水质模型中的水质参数和各项水质指标均看成随机变量，然后用随机理论的 工具对模型进行探讨。然而在研究水环境突发性风险模型时，由于风险具有时变 性，因而必须把整个水环境系统看成一个随机系统，并且在这个系统中无论是水 质参数还是各项水质指标均应看成是随机过程才更为准确。目前把随机过程理论 应用于水质模型中的研究也已取得了不少成果。文献 8 l 】曾用非平稳随机过程研 究了非平稳扰动对水质预测的影响，虽然非平稳随机过程更接近于实际情况，但 该模型有其不足之处，即它只能对各项水质指标的均值和方差进行计算，而关于 如何求解概率密度及其它统计量则并未作深入的探讨。目前国内外还有很多学者 都在随机动态水质模型对水质进行模拟和预测方面做过有益的研究和探讨f 6 3 】。 事实上，基于各种随机动态水质模型，就可以对水环境中突发性风险的大小 进行计算和分析。但是，目前的这些随机水质模型还存在着一些共同的局限性。 首先，将随机参数引入确定性模型中往往需要解决几个问题：引入一个合适的水 质模型，把水质模型中的参数随机化，然后计算某水质指标的概率密度。然而影 响水质模型的随机因素极为复杂，甚至还有许许多多的随机因索无法包含在一个 模型中，因此要把握这个随机的水质模型就变得很困难了其次，如果仅仅把模 型中的参数看成随机数而忽略模型本身可能受到的随机挠动因素的影响l s9 1 ，这就 不能较为确切的描述一个完整的随机模型，也就不能对水环境中因为随机因素而 引发的风险进行更为全面、有效的分析；因此，有必要对随机水质模型做进一步 的探讨，从而能够为水环境系统中的风险研究提供更为有力的工具。 2 3 引入随机力的随机水质模型 基于以上分析，可以借用物理学中的统计力学原理，探讨一些更为简便，更 能反映客观实际的随机水质模型。 在一个复杂的水环境系统中，如果把所有的复杂的、难以把握的因素看成是 微观因素的话，那么这些微观因素对水质的综合影响便可以看成是一个宏观的效 果，也就是微观世界的运动对宏观变量的影响，而这些影响便可以看成是快速变 化的、随机的、不可预测的。这类影响可能给水环境带来风险，因此可以叫做随 机力对水环境风险的影响 、_ 4 。囊? 第二章考虑随机因素的突发性水环境风险研究 1 3 对于一个确定性的水质模型可以从具有个自由度的经典哈密尔顿系统开 始，该系统的哈密尔顿方程是 日= h ( g i ，9 2 ，g ；p l ，p 2 ，p ) ( 2 1 ) 我们可称它为g 护运动的正则方程 a h g 2 _ 印， 如果考虑g ， 程表示 8 h p 2 _ d 玑 只均为随机参数时， ( 2 2 ) 则式( 2 2 ) 可用描述概率密度的刘维尔方 学= 嘶 ( 2 3 a ) 慨p ，= 喜( 等考一嚣考 c z m ， 式中，p g ，多) 代表系统中落入点g ，声) 的概率密度。 若t 代表水环境中某污染物指标在g ，多) 的值，则t 超过环境质量标准c o 的风险鼻 为 r = p q ，西炳印 c o ( 2 4 ) 由于影响水质系统的微观因素过多过于复杂，对式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 进行求解就 需要大量复杂的求导和多重积分运算。当变量增加时，就使得运算起来相当困难。 因为随机力反映的是综合众多微观因素对宏观系统的总的影响总和，因此可以考 虑引入随机力的方法来解决问题。若有一随机过程x ( f ) 变化服从下列方程 ( f ) 出= g ( f ) ，) + f ( f )( 2 5 ) 式中，f ( f ) 为微观因素对宏观变量产生影响的随机力。 我们可以把f ( ，) 处理成个随机过程，并根据不同的物理系统赋予它一些合理的 统计性质【5 2 】： ( 1 )既然凡f ) 是随机力，可以合理地认为它的统计平均值为o ，即它的期望值 e 【d ( f ) 】= o ，也就是说，随机力f ( ，) 在o 的左右徘徊； ( 2 )由于宏观的观察时间远大午微观因素对宏观变量的作用时间，因此，可以合 理地假设为f ( ，) 的二阶矩m 为 f l f ( f ) f ( ，) j = 2 d 占( ，一，。)( 2 6 ) 式中，d ：随机力的强度，它代表随机力对宏观变量影响的强弱； 6 ：广义函数，其定义为 水环境突发性与非突发性风险分析的理论与方法初步研究 1 4 占_ 嚣裂 ， 基于上述两条假设便可以对水质系统中某些宏观变量的概率密度和风险水平进行 演算。该随机过程坝，) 的动力学方程为7 4 l 掣一砉等参幌，) 】= 。 亿s a ， ( x ，f ) = 磐妥吉e 弘( f + ，) 一z ( f ) 】“i x ( f ) = z ) ( = 1 ，2 ) ( 2 8 b ) 式中，烈x ，) 为随机过程坝f ) 的概率密度函数；口。( x ，f ) 为动力学方程的导出矩。 可以证明式( 2 8 b ) 中1 7 4 1 ， 3 时，口。( x ，f ) = 0 ，则式( 2 8 ) 变为 望磐嘻“州w 彬) 】- ：等【口2 帆f ) 】= o 只要给予适当的初始条件和边界条件便可以对式( 2 9 ) 求解， ( 2 4 ) 可得 r ( f ) = l ，( 工，) 出 ( 2 9 ) 将所求的解代入式 这样，与( 2 4 ) 相比，式( 2 1 0 ) 只需要一次积分就可以计算出风险值。 2 4 模型在水质风险分析中的应用 ( 2 1o ) 2 。4 1 基本模型选择 考虑河流的一维动态b o d 降解模型【4 9 l 掣+ 掣：一髟( ，) + s ( 2 1 1 ) “w 式中，三( ，) 是f 时刻b o d 浓度；“断面平均流速；工污染物流经距离；勋降解系 数；s 为源或漏项。由于决定三( f ) 在时间和空间上分布的随机因素很多不仅包 括随机参数的影响，而且还受到气候、土壤、生物和人类活动等随机因素的影响 6 3 1 。而一般的随机模型则仅考虑了“、x 、肠、s 等随机参数对互( f ) 的影响【4 6 1 【7 叭。 2 4 2 考虑随机力的随机微分动态模型分析 本文拟用引入一随机项的方法来分析随机因素对水质模型的影响。 对式( 2 1 1 ) 左右同时积分，可以得到下式 第二二章考虑随机渊素的突发性水环境风险研究 1 5 加) 一0 ) + p 掣讲+ k 川岫= 【：s 出 ( 2 1 2 ) 事实上，不仅“、x 、杨、s 等模型参数具有随机性，还会有大量的其它的 随机因素也同时存在，如果只考虑随机参数对模型的影响是不完全的。因此考虑 将模型中的参数用其均值代替，并在模型右端引入一个随机项来表示模型所受到 的所有随机因素影响的总和。对于式( 2 1 2 ) ，若排污段与监测段相距较近且b o d 浓度三( r ) 随缸变化不大时，可以忽略“【越( f ) 反坤项的作用。此外，由于j 鼢的 随机性相当大且极难预测，因此刀把它归入到随机项中。如果把这个随机项记为 f ( f ) ，式( 2 1 2 ) 可用下式表示 ( f ) 一三( ，o ) + i ，kd 三( f ) 出= f ( f ) ( 2 13 ) 从式( 2 1 3 ) 可以看出，对于随机项以f ) ，有以f o ) = o 。如果做进一步的假设， 认为f ( f ) 是一独立增量过程，即对任意o s ，o s r ，。，随机过程f ( f ) 一f ( ，) ( 1 h ) 均相互独立。那么，对o s j f ，h f ) f ( j ) ) 总可以看成是许多个微小且相 互独立的随机过程f ( f t ) 一f ( 亿1 ) 之和，并可由中心极限定理证明【7 4 】：若o j ， 则f ( f ) - f ( j ) 为一正态过程，并服从( ( f s ) ，d ( f s ) ) 分布，为偏移系数，d 为 过程的强度。该过程以r ) 在随机过程理论中亦被称为维纳过程。出于在式( 2 1 3 ) 中，以f ) 是在零均值过程线作随机游动，它是一无偏的维纳过程，即为零。 基于以上的假设和分析，可以对( f ) 的概率密度进行求解。再将式( 2 3 ) 左右两端 对时间求导。则有 i ( 圮( f ) 出+ k d ( f ) = d f ( f ) 击 【上( f o ) = 上。 其中羽( f ) ，衍高斯白噪声，其均值( f ) 为零，方差为d 万o 一“) 。 式( 2 1 4 ) 所对应的动力学方程是 掣= 硭掣+ 詈学敏 。 a l28 t i 初始条件：，( ，o ) = 厶( ，) = 艿( 卜- 厶) 边界条件：，( 士o o 勘= o 式( 2 15 ) 中，为三( ，) 的概率密度函数，占( f f 0 ) 为广义函数，对之求得的 脚2 丽丢杀丽唧 罐捌) ( 2 1 4 ) ( 2 15 a ) ( 2 1 5 b ) ( 2 15 c ) ( 2 1 6 ) 这是一个以均值为厶e x p ( - 畅f ) ，方差为d 【l e x p ( _ 2 畅f ) 】2 局的正态过程。若 水环境突发性与非突发性风险分析的理论与方法初步研究 1 6 河流b o d 水质标准为c o ，可以求得在f 时刻该河段超标风险r 为 r(f)=尸三(f)c。)=(，if0，。)刃=td了i乏；妾毒i!虢j(z，) 2 4 3 随机力强度d 的估计 因为0 9 6 8 6 天后该河段的超标风险仍然是很大( 均大于5 0 ) 从计算的结果 苎三童查生堕熟旦塞箜窒垄丝查堑垡墨堕业塑 一 一盐 来分析，当时间f 趋于无穷大时，该河段的风险仍然是存在的。并且最后会收敛 到一个固定的风险值。面随机挠动的强度d 值的不同对风险的影响也不同( 其变 化趋势可见图2 4 ) 。d 的值体现了诸多不确定的、复杂的随机因素对水环境风险 影响的总结果的强弱。这说明在水环境系统中随机扰动因素会对原有的确定性方 程结果产生很大的改变，同时它也是引起水环境风险发生的一个极为重要但容易 被忽视的原因之一。因此。由随机挠动因素引发的水环境风险是在今后的风险评 价和管理工作中一个非常值得重视的问题。 2 6小结 盏 区 1 0 0 o 0 051 01 5 2 0 时间t ( d ) 图2 风险变化曲线圈 f i i 2 c 柚r v eo fr i $ kc h - 囊誓。 由于水环境中存在着大量的复杂的随机因素，因此现有的仅考虑模型随机参 数的随机水质模型存在着较大的不足如果把所有的随机因素对模型的影响看作 是一个随机项来处理，那就将随机模型中的诸多随机参数减少为一个模型参数， 即随机力强度，从而大大简化了随枫参数的隶定，同时也给模型的求解带来了极 大的方便。更重要的是，通过对随机力在风险分析中的影响研究，揭示了一个重 要的问题，即在上游河段突发性排放污染物之后，使用确定性模型模拟得出下游 河段的水质即使没有超过地面水质标准，但水质仍然有可能存在着较大的超标风 险。而模型中随机项的引入则正好反映了引发突发性风险这一熏要的不确定性因 素。