環境風險指數探討

——指數、風險和環境匯報人：張勇博士環境科學系2008年9月16日環境風險指數探討講座的目的和大家交流關于環境、風險和指數的想法；兩個項目的部分成果總結；進一步課題研究的培訓。國家自然科學基金項目(70403005)?城市水源地環境安全及突發污染應急機制的實證研究?2005－2007；上海市科委重大攻關項目子課題?黃浦江突發性水污染事件的風險評估研究?2005－2006863項目子課題，特大城市重大環境污染事件多級別、多類型應急預案體系構建研究，2007－2009；上海市科委重大攻關項目子課題?淀山湖藍藻水華暴發的風險評估研究?2008－2009提綱

一、什么是指數二、環境指數和風險指數三、特征時間風險指數簡介四、科學問題與思考一、什么是指數1.什么是指數指數是用一個反映事物某種特征的數值。指數廣泛用于經濟社會環境方面。指數研究是非常重要的一類研究。2.常用的一些指數經濟：GDP、股票指數、物價指數等社會：恩格爾系數、人均期望壽命等健康：肥胖指數、各種疾病指標指數物理：重力加速度、各種系數、常數等天氣：各種天氣指數環境：水質指數等我們生活在一個充滿指數的世界里，經常需要依靠各種各樣的指數提供信息，做出判斷，采取行動。3．指數及其本身的反思一個問題的認識過程問題：試問哪個物體獲得的運動潛力大？m1f1m2f2A1A2用指數表示？指數的意義與科學的洞見好的指數應該有明確的物理意義，是抽象出來的關于事物（系統）某方面的特征的精確數值表示。一些指數沒有明確的物理意義，但可以一定的社會意義，如恩格爾系統，它反映的是社會系統的某方面特征。一些指數沒有明確的物理意義和社會意義，但可以有一定人文（文化）意義，反映人類文化中的某些特征。研究、設計、發現一個指數的過程，是基于科學事實、或社會經驗、或人文理念，用知識經驗的積累加上對事物系統某一方面特征的科學洞見，對所研究事物（系統）某一方面特征的數值刻畫和定量描述。GDP的指數（指標）意義和科學貢獻GDP：國內生產總值，是對一國（地區）經濟在核算期內所有常住單位生產的最終產品總量的度量，常常被看成顯示一個國家（地區）經濟狀況的一個重要指標。GDP的重要性是毋庸置疑的，美國經濟學家薩繆爾森認為，GDP是20世紀最偉大的發明之一。他將GDP比做描述天氣的衛星云圖，能夠提供經濟狀況的完整圖像，能夠幫助領導者判斷經濟是在萎縮還是在膨脹，是需要刺激還是需要控制，是處于嚴重衰退還是處于通脹威脅之中。沒有像GDP這樣的總量指標，政策制定者就會陷入雜亂無章的數字海洋而不知所措。類似的：CPI指數，PPI指數、股票指數恩格爾系數衡量貧困或富裕程度的系數。即食品支出占家庭收入的比例，被廣泛認同采用。簡單地說，一個家庭的恩格爾系數越小，就說明這個家庭經濟越富裕。國際上常常用恩格爾系數來衡量一個國家和地區人民生活水平的狀況。根據聯合國糧農組織提出的標準，恩格爾系數在59%以上為貧困，50-59%為溫飽，40-50%為小康，30-40%為富裕，低于30%為最富裕。人體肥胖指數一個理想體重的數學計算公式，身體質量指數（BMI，BodyMassIndex）。對20歲以上的人，男性正常值范圍是21-25，女性是20-25。18.5≦BMI<24，體重正常；24≦BMI<27，體重超重；27≦BMI<30，輕度肥胖；30≦BMI<35，中度肥胖；BMI≧35，重度肥胖。個人經驗。前列腺癌的指數PSA前列腺癌。PSA是前列腺特異抗原，是早期篩查前列腺癌的重要指標，它的升高可以提示前列腺炎癥、前列腺癌等疾病，但不是絕對的。一般說來，PSA水平低于4ng/mL是正常的；高于10ng/mL視為升高；在4-10ng/mL之間視為“灰色區域”。相關經驗：對于一個實驗生物學家或醫學家來說，相信確定性的科學實驗檢測結果，還是相信不確定性的基于經驗的PSA指數。水土流失方程A：土壤侵蝕量，t/ha年；R：降雨侵蝕力指標；K：土壤侵蝕度，t/ha年；L：坡長；S：坡度；C：耕種管理因素；P：土壤保持措施因素；有機污染指數（A值）評價公式評價指標

L：各水質指標實測平均濃度值（mg/l）；

C：各水質指標評價標準，主要選取GB3838－88中的Ⅳ類標準，氨氮依據上海市地面水環境質量標準的四級（mg/l）。有機污染指數A值評價分級標準采用黃浦江水質評價分級標準嚴重污染54中等污染43－4開始污染32－3一般21－2較好10－1良好00水質質量評價污染程度分級有機污染綜合評價值(A)現代－后現代已知未知部分已知部分未知4．指數的意義不同認知領域問題的不同思路認知領域已知部分已知部分未知未知感性／理性經驗／模型確定性／不確定性目標／要求舉例特點科學事實＋社會經驗＋人文理念＋科學洞見＝指數的研究范圍和內容科學理論、邏輯、模型和實驗神話、宗教、迷信、愚昧和各種無稽之談？？？5．指數研究的作用揭示這一類研究的潛在科學問題和研究方向。在沒有足夠經驗和事實的情況下，試圖說明一類介于現代和后現代之間的科學問題；為非專業的政府、企業和公眾人士提供一個簡單的認識數字。6．地學組的指數研究最早的：河流水質分類的指數系統（S.L.ROSS）（譯文）《環境科學研究》1978.3；區域環境質量綜合評價方法研究《環境科學研究》1982.3，1期。10年前的。于孟春，土壤可持續利用指數和指標體系，1998屆碩士畢業論文。最近的。2008屆碩士、博士畢業論文，關于河流濱岸帶指數、河流健康指數、環境友好型社會指數、政府環境績效指數、7．指數研究的方向對某一個指數進行深入的研究，如萬元GDP用水量、水質指數；對指標體系及其綜合指數的綜合研究，并將其市場化，成為可交易或可衡量的一個產品，如股票指數、GDP等。地學組研究的可能方向A？？？1）畢業論文的需要；2）發表文章的需要；3）申請課題的需要；地學組研究的可能方向B？？？1）對某一事物特征進行深入研究，設計提出一種有科學創見的指數；2）生產一種指數產品，并使之市場化。二、環境指數1.各種各樣的環境指數水氣生態環境經濟水質單因子指數評價方法評價公式：

Pi：單因子指數；Ci：各水質指標實測平均濃度值（mg/l）C0：各水質指標評價標準的四類（mg/l）水質按類分級綜合評價方法水質分級：地面水環境質量分級（mg/L）>4.04.02.01.00.5≤0.3NH3－N>1.01.00.50.050.05≤0.05石油類>0.10.10.010.0050.002≤0.002揮發酚>1010643≤3BOD5>2525201515≤15CODCr<2235≥6飽和率≥90%DO>1010864≤2CODＭn6級5級4級3級2級1級水質分級項目水質按類分級綜合評價方法水質級別評分：水質級別與分值7－341.41.21635－557.05.85556－7611.29.38477－9015.412.811391－10018.215.2132101－1052117.5151綜合評價分值單因素分值（五項指標）單因素分值（六項指標）單因素分值（七項指標）綜合評價級別水質按類分級綜合評價方法水質評價結果表達式S-A：Ⅰn1Ⅱn2Ⅲn3Ⅳn4Ⅴn5Ⅵn6－M(s1;s2；……)S：綜合評價級別；A：水質綜合評價分值。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ：水質類別（按地面水環境質量標準）；n1，n2，n3，n4，n5，n6：分別達到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ類（即劣于Ⅴ類）水質標準的評價項目數；M：評價項目中，水質最差的一項對應的水質類別；S1，S2：水質最差的評價項目名稱。區域水質指數水質指數，也稱區域水質指數，是綜合反映某一區域水體水質的指標。其基本思路是根據某一區域內所有監測斷面的的水量指標來對水質監測指標進行加權平均。水質指數的物理意義是某一特定區域所有水體均勻混和后的水質監測值。水質指數給出了區域水質狀況的定量化表征。通過水質指數，可以比較不同區域之間的水質狀況，并可根據定量化的數據識別和比較某一大區域內部水質狀況的空間分異特征。區域水質指數水質指標：參照水質按類分級綜合評價中有關內容，分別對每個監測斷面各項目污染因子BOD5、CODCr、NH3-N、CODＭn、DO、石油類、揮發酚，以及單因子綜合評價、綜合評分級別，根據其類別和級別賦于相應的分值。Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、劣于Ⅴ類6個類別的分值分別為15、13、11、8、5和1分；1級、2級、3級、4級、5級、6級共6個等級的分值分別為15、13、11、8、5和1分。水量指標：水量指標暫用水面積來表示。每一監測斷面所控制的水面積即為其控制河長與河寬的乘積。區域水質指數

設某一區域S內共K個子區域，各子區域S1，S2，S3,------，Sk內的監測斷面個數N1，N2，N3，------，Nk，第k個子區域Sk內各個監測斷面的控制河長為Lk1，Lk2，Lk3，------，LkNk，寬度為Wk1，Wk2，Wk3，------，WkNk。

綜合評分級別對應的分值為Ik1，Ik2，Ik3，------，IkNk。。區域水質指數第k個子區域Sk水質指數及分指數可用下式計算：

整體區域S的水質指數及分指數可用下式計算

區域水資源豐度指數水質指數用定量化的數據說明了不同區域間水體的水質差異，但無法說明兩個水量差異較大的區域在水環境方面本質性的區別。區域水資源豐度指數，是綜合反映某一區域水環境水質與水量的指標。可以用來比較不同區域水環境和水資源狀況。水資源豐度指數的物理意義是某一特定區域單位面積上的水質與水量狀況，也即單位區域面積上的水環境水資源狀況。水資源豐度指數給出了區域水環境水資源狀況的定量化表征。可以比較不同區域之間的水環境水資源狀況（包括水質和水量兩個方面），并可根據定量化的數據識別和比較某一大區域內部水環境水資源狀況的空間分異特征；還可用于不同地域之間的水環境水資源狀況的對比分析。區域水資源豐度指數水質指標：（同水質指數）水量指標：（同水質指數）區域面積：（水利片或行政區面積）區域水資源豐度指數

設某一區域S內共K個子區域，各子區域S1，S2，S3,------，Sk內的監測斷面個數N1，N2，N3，------，Nk，第k個子區域Sk內各個監測斷面的控制河長為Lk1，Lk2，Lk3，------，LkNk，寬度為Wk1，Wk2，Wk3，------，WkNk。

綜合評分級別對應的分值為Ik1，Ik2，Ik3，------，IkNk。。區域水資源豐度指數第k個子區域Sk（面積為Sk）水資源豐度指數可用下式計算：

整體區域S（面積為S）水資源豐度指數用下式計算：評價數據來源：上海市水資源普查數據來源：1999年水資源普查水質監測數據數據數量：共3000個監測斷面，BOD等7項監測指標、豐水和枯水2次監測值。及相應的控制河長、斷面寬度、距河口距離等。數據總量約60,000個。數據分類：按行政區、水利片、河道等級分類。數據處理：利用ExcelVBA處理水利片水質評價區域水質指數評價結果區域水資源豐度指數評價結果水利片水質指數排序水利片水資源豐度指數排序行政區水資源指數行政區水質指數水利片水質評價區域水質指數評價結果區域水資源豐度指數評價結果水利片水質指數排序水利片水資源豐度指數排序水利片水資源指數水利片水質指數2.各種各樣環境指數的實際做法水氣生態環境經濟引用《環境管理學（第2版）》第四章第三節第三小節：環境評價模型。（一）環境評價模型概述通過一些定量化的指標來反映環境客觀屬性及其對人類社會需要的滿足程度，并將這些定量化的指標利用數學手段構建起相應數學模型，從而定量評價和反映環境的優劣和滿足人類社會需要的程度，并評價和預測人類活動對環境的影響。（二）環境指數評價模型I：單因子環境質量指數；P：污染物在環境中的濃度；S：該污染對人類影響程度標準。

1.單因子指數評價模型

單因子指數評價模型的表達式：類型數學表達式

2.多因子環境指數評價模型代數疊加型 均值型 加權型 加權平均型 突出極值型１

類型數學表達式 突出極值型2 冪指數型 向量模型 均方根型 極值型Q為多環境要素的綜合評價指數；Wk為第k個環境要素的權重；N為參加評價的環境要素的數目。3.綜合指數評價模型綜合指數評價模型的表達式：（三）其他環境評價模型馬爾可夫鏈預測模型突變模型遺傳算法模型……

……

……

……

……

污染損失率評價模型

層次分析法評價模型灰色系統評價模型人工神經網絡評價模型因子分析模型數據包絡分析評價模型主成分分析模型

模糊綜合評價模型遺傳算法模型區域污染源評價模型3.目前國內風險指數研究的主要做法在進行了對環境風險的分析后，將各種各樣的環境指數加上一個形容詞：風險。或將環境指數＝環境風險指數。將其用于不同空間、時間的風險評估；并通過設計不同指數分析的方法，進行所謂的風險預警。目前還沒有看到有新的做法。舉例說明：某省農業生態風險評價；某市環境質量風險評價；某江段化工廠風險評價；等等。4.環境風險指數的思考風險，感性／理性；經驗／模型；確定性／不確定性；目標／要求。風險，意味著潛在的損失，一般是重大損失。風險，既是機遇，也是挑戰；風險，是指數研究的重要用武之地。風險預警，試圖在風險發生之間，根據風險信號、警兆、指標等進行預警風險應急，風險發生時刻的應急災害及救災三、特征時間指數及應用水是城市的生命，水源是城市居民生存和城市發展的最基本條件，而水源地則是為城市生存發展提供清潔、優質和充足水源的生態環境基礎。近年來我國城市水源地突發性污染事件日益增加，與常規污染相比，突發性污染事件具有不確定性、危害緊急性以及需快速響應性等特征，有可能在短時間內迅速影響城市供水系統，對水源地生態環境安全及城市供水安全構成嚴重威脅。2個例子。1．城市水源地環境安全及突發污染事件概述2005年11月13日吉林石化爆炸事故造成的松花江污染，及10天后導致的哈爾濱市停水4天的事件，就是這樣一起后果嚴重、社會影響深遠的重大城市水源地突發性污染事件。松花江污染和哈爾濱停水事件的三部曲化工廠爆炸和苯類污染物泄漏苯類污染物在松花江中擴散污染事件在哈爾濱市引起恐慌市民搶購、儲存、節約飲用水突發事件下的飲用水應急保障突發污染事件的污染處理處置事件的長期和深遠影響黃浦江八五特大污染事件

2003年8月5日，一艘停泊在吳涇熱電廠碼頭的貨船遭另一艘不明船舶碰撞后，導致貨輪燃油艙破損，約85噸重燃油泄漏，造成吳涇熱電廠六期碼頭至閘港上游段近8公里水域、灘涂及岸線遭到嚴重污染。事故發生地地處黃浦江上游準水源保護區，受污染水域最近距離取水量占上海市飲用水源80%的取水口約10公里，上海人民的飲用水安全和夏季用電安全受到嚴重威脅。這一特大船舶污染事件在準水源保護區發生，泄漏燃油85噸，造成油污帶長約10km的大范圍污染，對取水口形成直接威脅。上海全市軍警及專業人員2000多人全力緊急清除油污仍耗時15天之久，耗資1700萬元。事故易發地分析事故地點所屬區域發生次數上海煉油廠（碼頭）非水源保護區74吳涇附近（電廠，熱電廠，化工廠）準水源保護區27高橋石油公司（碼頭，煉油廠，石油站）非水源保護區24上海船廠（東廠，西廠，碼頭）非水源保護區24范圍重點事發地江段分析事故評價閔行西界至閘港閔行西渡，閔行船廠，閔行電廠工廠、碼頭數量一般，船舶通航密度較小，作業量有限事故發生頻次較低，污染強度較小閘港至徐浦大橋吳涇電廠，吳涇熱電廠，吳涇化工廠等工廠、碼頭設置較為密集，船舶通航密度較大，作業量大事故發生頻次高，污染強度大徐浦大橋至龍華港耀華玻璃廠等行道有彎曲段，工廠碼頭設置密集，船舶通航密度大事故發生頻次一般，污染強度一般水源地內發生的污染事件突發污染事件評估方法的要求快：應對突發；簡單：所需信息量少；應對緊急；基本準確：能夠滿足實施應急預案的需要；應對危機。

“特征時間指數法”用于在突發事件發生后幾十分鐘或幾小時內，對突發污染事件對取水口影響做出快速評估和預警。評估過程：科學、簡易、快速；評估結果：綜合、準確、直觀2．特征時間指數方法及其應用特征時間指數法的設計流程風險指標篩選關鍵指標分級評估公式設計歷史事件的數值輸入與計算綜合指數分級指標評估公式計算結果表示對應特征時間風險指標列表關鍵指標列表綜合定性評估公式綜合評估指數特征時間級別表指標量化分級表綜合指數分級表步驟I:指標評估泄漏物質害性T指標分值油品高毒性并持久存在（某些原油等）5中毒性并持久存在（一般燃料油等）4高毒性并揮發（汽油、輕質煤油等含較多芳烴的油品）3中毒性并一般揮發（含芳烴較少的重質油等）2低毒性（幾乎不溶于水、不含芳烴的重質油等）1化學品A類有毒、有害物質（對水資源或人類健康產生重大危害的物質）5B類有毒、有害物質（對水資源或人類健康產生較大危害的物質）4C類有毒、有害物質（對水資源或人類健康產生一般危害的物質）3D類有毒、有害物質（對水資源或人類健康產生較小危害的物質）2E類有毒、有害物質（對水資源或人類健康產生不可察覺危害的物質）1A．危害性指標分值（T）泄漏量（噸）>100100－1010－11－0.1<0.1A指標分值54321B．嚴重性指標分值(A)泄漏位置L指標分值一級飲用水保護區內（以取水口為中心，至下游5公里，上游10公里水域）10上游水源保護區內（以取水口為中心，上游10公里至上游30公里水域）9上游水源保護區內（以取水口為中心，下游5公里至下游10公里水域）8準水源保護區（以取水口為起點，下游10公里至下游30公里水域）7－5非水源保護區（以取水口為起點，下游30公里以下水域）4－1C．緊急性指標分值(L)

流速（m/s）>1.81.8－1.51.5－1.21.2－1.01.0－0.8評估分值109876流速（m/s）0.8－0.60.6－0.40.4－0.20.2－0.10.1－0.05<0.05評估分值543210D．流速指標分值（F）E．風速指標分值（W）風速（m/s）>24.424.4－20.720.7－17.117.1－13.813.8－10.7評估分值109876風速（m/s）10.7－7.97.9－5.45.4－3.33.3－1.51.5－0.2<0.2評估分值543210F．油品遷移指標分值S(o)G．化學品遷移指標分值S(c)在取水口上游泄漏向取水口正向漂移流速、風速評估分值之和≥1514－87－0S(o)指標分值543向取水口反向漂移流速、風速評估分值之和7－014－8≥15S(o)指標分值2.52 1.5在取水口下游泄漏向取水口正向漂移流速、風速評估分值之和≥1514－87－0S(o)指標分值3.52.51.5向取水口反向漂移流速、風速評估分值之和4－015－5S(o)指標分值1.51在取水口上游泄漏向取水口正向漂移流速評估分值≥87－43－0S(c)指標分值543向取水口反向漂移流速評估分值4－05－10S(c)指標分值21.5在取水口下游泄漏向取水口正向漂移流速評估分值≥87－47－0S(c)指標分值321.5向取水口反向漂移流速評估分值3－010－4S(c)指標分值1.51步驟II:公式計算I：綜合評估指數T：危害性因子評估分值A：泄漏量因子評估分值L：泄漏位置因子評估分值S：遷移因子評估分值評估結果的實際意義：“特征時間”級別表CTI(天)影響結果描述響應級別1對取水口威脅極大一2對取水口威脅較大二4對取水口威脅一般三7對取水口基本無威脅四評估結果的CTI表示I≥200200－120120－50≤50CTI（天）1247步驟III:結果表示CTI值的物理意義：突發性污染事件發生后，若未采取任何應急處置措施，取水口受到污染所需要的“特征時間”。特征時間指數法應用案例1：“8.5溢油事件”

評估指標事故記錄對應指標評估泄漏物質（T）燃料油4泄漏量（A）85噸4事發地點（L