朱曉敏 陳東華 耿建東

(1．北京交通大學機電學院，北京100044;2．科技部高技術(shù)研究開發(fā)中心，北京100045)

基于空間信息擴散法的環(huán)境風險評估模型

朱曉敏1陳東華1耿建東2

(1．北京交通大學機電學院，北京100044;2．科技部高技術(shù)研究開發(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)化進程進一步的推進，自然環(huán)境在人類的盲目生產(chǎn)活動中經(jīng)常遭到毀滅性的破壞，同時被破壞的環(huán)境反過來又會影響人類正常的生產(chǎn)活動。因此，如何有效地檢測和控制由人類生產(chǎn)活動引起的環(huán)境風險顯得尤為重要。本文通過研究信息擴散理論在環(huán)境風險評價領域的應用成果，在改進和優(yōu)化現(xiàn)有的研究成果前提下，同時融入了模糊評判等相關(guān)評估理論，建立了一種復合的空間信息擴散法的環(huán)境風險評價模型。該模型在現(xiàn)有的基礎上引進環(huán)境影響因子，修正了由普通的信息擴散模型所引起的不準確性。通過該模型，能提高在環(huán)境風險擴散預測和控制領域的準確率，為降低和控制風險后果提供有效的參考。最后通過一個示例，應用本模型進行環(huán)境風險分析，證明模型的實用性，并且對比普通的擴散模型更具有優(yōu)越性。本文所研究的成果對重大工程發(fā)生事故和危機后的環(huán)境風險評估具有借鑒的意義。

信息擴散理論;環(huán)境;風險評估;空間

人類的生產(chǎn)活動隨著社會科技技術(shù)的不斷發(fā)展而不斷深入到本來就脆弱的生態(tài)環(huán)境中，對自然界的影響越來越大。同時伴隨著一系列具有高風險性的工程建設和運行，其中所造成的不確定的環(huán)境風險也對全球生態(tài)環(huán)境造成不同程度的威脅。這些環(huán)境風險造成的環(huán)境后果反過來也會影響到人類正常的社會生產(chǎn)活動。因此人類如何對由相關(guān)工程項目引發(fā)的環(huán)境風險進行及時高效的評估、預測和控制，將危機發(fā)生率降到最低，勢必關(guān)系到人類社會在未來是否實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。對環(huán)境風險的評價，需要運用科學有效的方法，才能準確、及時和高效地控制環(huán)境危機，以免其進一步惡化。

1 緒論

環(huán)境風險理論的發(fā)展普遍被認為分為三個階段。第一階段在20世紀70年代之前，主要是對環(huán)境風險的概念和方法的研究。第二階段在20世紀80年代到90年代，人類在出現(xiàn)了一系列重大的環(huán)境災難后，重新深入考慮和審視環(huán)境在人類社會的作用，生態(tài)風險成為環(huán)境風險研究的一大熱門。第三階段為20世紀90年代開始，全球環(huán)境風險成為風險研究的核心，發(fā)展中國家的環(huán)境風險研究工作也逐漸展開，環(huán)境風險研究在各國可持續(xù)發(fā)展中具有重要的意義。

中國對于環(huán)境風險的研究是從20世紀80年代開始的。1986年開始，環(huán)境風險評價的概念逐漸引入中國。隨著中國經(jīng)濟和科技實力不斷的發(fā)展，大型工程的復雜程度也越來越高，同時這些工程的建設和運行風險性也變高了，因此需要重視一些大型的、具有很高風險性的工程項目的安全性，如三峽水庫、大亞灣核電站、鞍山石油化工等項目，因為這些大型工程大部分處于人口密集、經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)，一旦發(fā)生環(huán)境風險危機，需要及時地控制并且掌握危機的動態(tài)，以便更好地處理危機。例如，最近的日本福島核電站在地震后損毀嚴重，導致嚴重的核泄漏事故，對全球的生態(tài)系統(tǒng)造成了很大的影響，日本本土更是首當其沖。從風險管理的角度來看，在危機發(fā)生后，如何更有效的評估危機的嚴重性以及預測危機的發(fā)展方向，以便提前做出妥善的應急安排，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)注和研究的問題。

本文采用一種基于復合型三維空間信息擴散法的環(huán)境風險分析評估方法，對簡單地基于信息擴散法在二維空間上進行環(huán)境風險水平分析的研究成果進行了較大的修正和提升，建立考慮更全面的環(huán)境風險評估模型，目標是為了達到更為高效、快捷和準確的環(huán)境風險評估預測結(jié)果。最后，將本文所建立的模型簡單地用于分析和預測某地石油化工區(qū)中的企業(yè)可能造成的環(huán)境風險，并與沒有經(jīng)過修正的模型進行對比，體現(xiàn)本文所建立評估模型的實用性和優(yōu)越性。

2 文獻綜述

2．1 環(huán)境風險分析理論及方法

早在20世紀50年代，新興的科學技術(shù)在工程領域的大規(guī)模應用已經(jīng)使得各類工程風險層出不窮。1973年，NRC(美國核能管理委員會)首次提出了環(huán)境風險的概念，標志著環(huán)境風險評價的正式開端。1975年，NRC在沒有核電站事故先例的情況下，應用系統(tǒng)安全工程分析方法，形成了《核電站風險報告》。該報告系統(tǒng)地建立了概率風險評價方法，并被以后發(fā)生的核電站事故所證實。其后世界銀行的環(huán)境和科學部很快頒布了有關(guān)《控制影響廠外人員和環(huán)境的重大危險事故》的導則和指南。在以后，環(huán)境風險分析和評估理論不斷地發(fā)展。

環(huán)境風險評價，從廣義來說，是對人類活動和各種自然災害引起的風險進行評估［1］。環(huán)境風險分析評估的方法包括定性和定量兩種分析方法。定性方法主要根據(jù)經(jīng)驗和直觀判斷能力，此類方法容易理解，過程簡單，由于往往依靠經(jīng)驗，帶有局限性，評價結(jié)果缺乏可比性。定量方法運用數(shù)學模型對一些定量指標進行計算，得出評價結(jié)果。目前隨著科學的發(fā)展，特別是隨著系統(tǒng)安全工程科學的發(fā)展，出現(xiàn)了多種預測方法，如初步危險分析法、故障樹類型和事件樹分析方法等。在國內(nèi)，曹希壽［2］最早提出區(qū)域環(huán)境風險評價與管理的理念，闡述了開展區(qū)域環(huán)境風險評價與管理的重要性。一些學者也針對某些具體的問題提出過一些模型和方法，如曾光明［2］在規(guī)劃環(huán)評中環(huán)境風險評價方法的探究與實踐針對風險不確定性問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。有學者提出應采用模糊數(shù)學、灰色系統(tǒng)和可靠性系統(tǒng)工程等理論與方法，并將環(huán)境風險數(shù)據(jù)與計算機仿真有機結(jié)合起來。楊曉松、謝波［3］指出針對區(qū)域多風險因素應該采取有別于建設項目單風險因素的風險評價程序，提出已經(jīng)實際應用在區(qū)域環(huán)境風險綜合評價的兩個技術(shù)方法:綜合風險指數(shù)法和模糊數(shù)學評價法。

2．2 信息擴散理論在風險評價中的應用

傳統(tǒng)的信息擴散理論就是為了彌補信息不足而將一個有觀測值的樣本，變成一個模糊集，也就是將單值樣本變成集值樣本［4］。收集樣本越多，越有助于我們準確地認識客觀規(guī)律。事實上，需要處理小樣本的時候，信息充分是相對的，信息不足是絕對的。利用模糊數(shù)學中有關(guān)信息擴散的理論，對整個評價區(qū)域進行網(wǎng)格化，然后用一個m×n的矩陣式來表示這個二維空間，矩陣中的元素aij代表二維空間中對應的正方形區(qū)域的信息。可以將環(huán)境風險值的單值信息擴散到整個區(qū)域指標論域中的所有點，從而獲得較全面的風險分析效果。模糊信息優(yōu)化處理技術(shù)在自然災害風險系統(tǒng)的風險分析中已得到廣泛應用。

2．3 信息擴散理論的優(yōu)缺點

運用信息擴散法進行環(huán)境風險評價這一方法在國內(nèi)外已經(jīng)有研究者［4－5］在做這一方面的研究和實踐，具有一定的理論和實踐基礎，并且也取得比較好的效果。這種方法體現(xiàn)了全局思想，一項規(guī)劃的環(huán)境影響評價應當把與規(guī)劃相關(guān)的政策、規(guī)劃和計劃以及相應的項目聯(lián)系起來，做整體性考慮。依照該方法可以得到區(qū)域的環(huán)境風險水平規(guī)劃圖，可以為公眾提供簡單直觀的說明，更有利于公眾理解和參與到規(guī)劃的決策中。更重要的是，在決策者進行環(huán)境風險管理的時候，該方法簡單，快捷和相對有效。

然而，目前在基于信息擴散法的環(huán)境風險評價研究成果來看主要從模糊數(shù)學角度對風險水平進行擴散，很少或基本沒有考慮環(huán)境風險中的風險源的污染物的擴散途徑和地區(qū)里面的不同地理氣候環(huán)境特點對污染物傳播和稀釋的影響。實際中環(huán)境事故發(fā)生時污染物可以從多種途徑(如空氣、水體等)進行擴散。若將該方法與污染物擴散模式進行聯(lián)合評價會大大提高該方法的實用性。

3 信息擴散理論分析與改進

3．1 風險源確定和分析

我們在進行環(huán)境風險分析和評估前，首先要分析所評估的區(qū)域發(fā)生環(huán)境風險的風險源的類別、數(shù)量以及它們在該區(qū)域中的相對位置。首先要在該區(qū)域里面建立一個絕對地理坐標系O(x，y)，原點O(0，0)應該設置在矩陣的角落里最為合適，使以后計算更為方便。然后根據(jù)比例計算出每個風險源在這個O(x，y)坐標系里面的坐標位置E(x，y)。設區(qū)域里面有N個風險源，則每個風險源的坐標為 Ei(xi，yi)(i=1，2，3．．．N)。雖然實施起來會簡單快捷，但是卻難以較準確地反映實際的環(huán)境風險擴散的情況。這將是本文所需要改進工作之一。

3．2 平面擴散模型的分析

平面擴散模型是基于一般的信息擴散法的環(huán)境風險評估模型［5］，它沒有考慮到相關(guān)的環(huán)境因子的影響作用。在同一個平面內(nèi)，一般來說，單個風險源擴散形成的最大范圍的輪廓是圓形或者多個異地污染源形成的多個橢圓范圍的疊加。

假設存在N個環(huán)境風險源，再設第i個風險源釋放出Nij(j=0，1，2．．．NR)個污染物。因此，根據(jù)一般信息擴散法所建立的模型，當區(qū)域中的某個位置P(x，y)的第i個風險源的第j個風險因子在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)境風險系數(shù)Rp為

我們可以使用在《建設項目環(huán)境風險評價技術(shù)導則》(HJ/T169－2004)中推薦了3個氣體擴散模式進行氣體擴散分析。同時對有毒有害氣體環(huán)境風險分布可按梯形模糊關(guān)系進行簡化計算，其數(shù)學形式［5］為:

在式(2)中，r為計算點的環(huán)境風險值;r0為風險源點的環(huán)境風險值;l'為重傷區(qū)最大影響半徑，l為最大影響半徑;x為計算點與風險源點之間的距離。建議r0也按國內(nèi)外同類性質(zhì)風險源的平均風險值來估計。

在通過一般信息擴散理論進行風險源環(huán)境風險計算的時候，還需要了解風險源的污染物的擴散特性。普通的天然氣擴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)鍵應針對要研究的氣體性質(zhì)、擴散特征、適用范圍來選擇合適的計算模型。當然這些數(shù)據(jù)只是作為參考，真正需要對實際工程中產(chǎn)生的風險源進行定量地、細致地分析才能最終確定。

然后我們需要對不同的污染物的風險值進行估計，我們采用一般的規(guī)則，將工業(yè)區(qū)的環(huán)境風險水平設為五類:I類，II類，III類，IV類和V類，分別代表極低、低、中、高和極高的風險等級［6］。通過這些相對的評估值，我們就可以對其風險水平進行定量的分析了。

3．3 空間擴散模型的引進

為了讓基于信息擴散理論的評估方法能對大型工程進行更客觀且真實的環(huán)境風險評估，本文在現(xiàn)有研究成果基礎上，提出了一種基于空間信息擴散理論的環(huán)境風險評估模型。該評估模型結(jié)合原有的優(yōu)點并改進其不足之處，充分考慮了環(huán)境因子的作用，通過立體的信息擴散方法使得該環(huán)境評估模型在具體的應用中更為實用和有效。空間模型拓展了信息擴散理論應用范圍，通過該模型對三維空間中的環(huán)境風險水平分布進行有效的分析、評估和預測。

一般我們在進行基于信息擴散理論的環(huán)境風險評估和建模前，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合空間信息擴散模型，我們需要對原有的環(huán)境風險矩陣的結(jié)構(gòu)和邏輯進行修改。建立的復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)，在空間風險上還需要考慮不同的環(huán)境因子造成的污染物垂直擴散的程度，以便預測距離地表一定高度的環(huán)境風險水平值。所以我們在垂直平面內(nèi)考慮信息擴散法的時候所使用的擴散函數(shù)就應該與大氣的特性密切相關(guān)，和水平面的擴散函數(shù)是不一致的。這樣我們就要建立一個空間擴散模型，該模型在水平面和豎直面上分別有不同的信息擴散模型在作用，共同有機地疊加后導出整個環(huán)境空間的風險水平值。

3．4 環(huán)境因子的分析

基于信息擴散理論的模型是根據(jù)一般情況下的污染物的擴散規(guī)律，實際上污染因子的傳播還很大程度上取決于該地區(qū)當時的天氣狀況和環(huán)境特點。一些地區(qū)的環(huán)境因素，如地形起伏、濕度、溫度等因素都會強烈地影響污染物的擴散方向和稀釋效果。同時不同的時間也會產(chǎn)生不同的環(huán)境風險效果。

對于通過空氣傳播的污染物，在傳播途中，會受到地形的影響，還可能會和沿途的某些物質(zhì)發(fā)生物理或化學反應，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險概率。所以建立三維空間預測模型會幫助我們對垂直方向的環(huán)境風險分布有更深的了解。

一般來說，有毒有害液體擴散基本沿溝渠或河道進行，但在有限的縣級區(qū)域內(nèi)其濃度仍遠大于容許濃度值，危害仍相當大。其破壞性在短距離內(nèi)不會隨著距離增加而衰減。因此，此處對其風險值做等值擴散［4］處理，表明此段水域具有和事故發(fā)生點具有同樣大的環(huán)境風險。若有毒有害液體在湖泊、海洋內(nèi)擴散，在短時間內(nèi)不被大幅度稀釋的情況下，也可按等值風險擴散處理;在長時間內(nèi)大幅度稀釋后，其濃度隨距離增加呈梯度分布，可等同氣體擴散模式處理。

總的來說，一旦發(fā)生污染泄露事件，其污染因子對周圍環(huán)境污染的情況都因地而異，具有很強的不確定性。但是我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^研究主要的影響因素以及相互的影響關(guān)系來大致的確定污染的情況。通過對該區(qū)域中的每一個數(shù)據(jù)檢測點確定一個影響因子的影響指數(shù)，再通過信息擴散法構(gòu)造出整塊區(qū)域污染分布圖，從而為決策者應對污染擴散的相關(guān)決策提供相對準確的信息。

4 改進的環(huán)境風險評估模型

4．1 空間模型建立和風險源確定

在所研究的區(qū)域Q中設立一個特殊的空間坐標系O(x，y，z)。其中OXY平面不是數(shù)學意義上的水平面，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軸的坐標值則是距離地表曲面的垂直高度z。

設Rp(z)為所研究區(qū)域Q地表的最終環(huán)境風險指數(shù)矩陣，Rp(P(x，y，z))為在絕對坐標系 O(x，y，z)下的某點P(x，y，z)位置的環(huán)境風險指數(shù)。當 z=0 時，Rp(P(x，y，0))為沿地表的環(huán)境風險指數(shù)。

針對污染物一般擴散模式，若環(huán)境風險產(chǎn)生的時候，同時存在NS個環(huán)境風險源，再假設第i(i=1．．．NS)個風險源釋放出Ni(i=1，2．．．Ns)個污染物。因此，根據(jù)普通的信息擴散法理論所建立的模型，區(qū)域Q中的某個位置P(x，y，0)的第 i個風險源的第 j個風險因子 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個風險因子Eij在某地P(i，j，0)的第i個風險源的地表環(huán)境風險水平rj為

則該地點P(x，y，0)的綜合風險水平為

若要考慮距離地表以上的某一點P(x0，y0，z0)的位置的環(huán)境風險水平，即考慮空間上(z＞0)的環(huán)境風險擴散情況。在三維空間中，我們也可以運用信息擴散法的思想，將其劃分成單位體積的小空間，通過梯形模糊擴散理論，從而確定在空間中某小空間距離風險源所在空間的位置進行模糊預測。

設所研究的區(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)信息擴散理論，將此空間劃分為三維矩陣形式。假設其空間網(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］)。這樣就建立了一個空間上的環(huán)境風險分布三維矩陣，之后參考公式(1)和(2)，我們得出了空間上基于信息擴散法的環(huán)境風險模型，如式(3)和(4)所示。

4．2 擴散模型的修正

很明顯，式(2)中的梯形模糊擴散規(guī)則在空間中顯得不是那么的可靠，因為空間中還客觀存在重力等其他因素。這種擴散約束的函數(shù)需要根據(jù)實際情況決定，所以設K(P(x，y，z))為空間中擴散的約束方程，此類方程的目的在于在式(2)的基礎上控制污染物在空間中最大擴散范圍，以模擬實際大氣的擴散規(guī)律。

設垂直擴散函數(shù)的數(shù)學形式為f(x，y，z)=0，d為兩點距離，△d為距離修正值。為了保證預測模型在數(shù)值上的正確性，則K(P(x，y，z))的約束方程模型為

設 D(x，y，z)為某小空間的中心。某風險源 R(xr，yr，zr)位于某小空間的中心。則D點與R點的距離為d，通過約束函數(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散理論所建立的環(huán)境風險水平預測模型為

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。不同大氣擴散模型的輸入、輸出和分析的復雜程度各不相同，事實上，目前有很多比較成熟的大氣預測模型，如天然氣管道泄漏模型［6］、ADMS和GASTAR模型［7］。通過這些模型可以滿足本文的需要，以便和信息擴散法共同形成靈活的互補關(guān)系。垂直擴散函數(shù)f(x，y，z)也可以通過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)境中的空間普通擴散模型，實際上擴散的時候，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散法的環(huán)境風險評價模型進行更細致的研究，通過建立環(huán)境因子影響的模型來修正污染物普通擴散的目標矩陣。

環(huán)境對某區(qū)域空間的影響也是分層的，也就是說對在垂直高度上，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)境因子時將考慮處于同層的環(huán)境因子對該層的風險水平分布的影響，而忽略不同層次的因子之間的相互影響。

同樣，我們可以通過信息擴散理論的方法來對這些環(huán)境因子進行處理。通過改進后的梯形模糊預測法，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。

假設某一環(huán)境因子EV(i)(第i個環(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。高峰指的是某個環(huán)境因子具有最大影響效果的某些點或者某一塊區(qū)域。設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 P(x，y，k)到高峰點 S(x0，y0，z0)的距離，e0為地表的環(huán)境因子強度值，e(k)為第k層的環(huán)境因子強度遞減率函數(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

這是單個環(huán)境因子在單層中的影響分布預測模型。若要獲得多個環(huán)境因子在同層中的整體風險影響水平分布，可以通過間接疊加的方式進行，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)。通過我們所建立的環(huán)境因子影響分布矩陣，就可以通過矩陣疊加的方式將風險分布矩陣和環(huán)境因子影響矩陣整合起來。在整合的過程中，兩矩陣對應的元素并不是簡單的加法運算，其中還涉及了疊加時需要修正的函數(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?shù)姆从钞斍暗沫h(huán)境風險狀況。設疊加修正函數(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)境風險水平分布函數(shù)為

5 示例分析

5．1 示例背景描述

為了驗證本文所討論和建立的模型的實用性和優(yōu)越性，本節(jié)將運用評估模型對中國西北某縣城中的石油化工企業(yè)進行環(huán)境風險分析和評估。如圖1所示，該縣政府在該地準備引進石油化工企業(yè)，以促進該地的發(fā)展。具體方位如圖1中A、B和C所示的位置，這三點為縣城的石油化工區(qū)中某些高風險性企業(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

假設它們同時發(fā)生環(huán)境危機，發(fā)生了最壞情況，需要找到其風險源［9］，然后進行分類［10］。設 A、B、C 三點分別釋放有三類有毒氣體最大擴散范圍為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。為了簡化運算，假設他們同時爆炸，之后向四周泄漏出有毒氣體［11］，而此時該區(qū)域的風向如圖1的北面箭頭指示，即在北面地表存在高氣壓。在該地區(qū)的某些相對較高點，我們進行了標記，如圖1中的S1，S2，S3和S4。四個地形制高點距離風險發(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，我們引入了兩個環(huán)境因子，分別為地形和風向，參與評估。

5．2 平面模型下的風險分布評估

首先對該區(qū)域網(wǎng)格化處理，設定網(wǎng)格單元為500 m×500 m，則該區(qū)域可分為40×40的網(wǎng)格。按照默認的習慣，我們將建立平面坐標系，以圖1左下方頂角為坐標原點。

由公式(2)可以計算出某個風險源的污染物擴散后每個網(wǎng)格的環(huán)境風險相對指數(shù)，再根據(jù)(1)計算出不同風險源在該平面疊加后形成的平面的環(huán)境風險矩陣。最后即可獲得平面擴散模型導出的該縣在A、B和C地發(fā)生嚴重的石油化工事故后造成的環(huán)境風險分布圖。

通過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)部位置坐標對應。三個風險源重疊區(qū)里面其中某一小塊深黑色區(qū)域為風險度最高的地區(qū)，在風險事故處理時應該引起重視。

5．3 空間模型下的風險分布評估

圖2 基于一般擴散理論的環(huán)境風險值分布圖Fig．2 The distribution map of environmental risk value based on general diffusion theory

若我們引進空間模型，根據(jù)式(5)－(8)我們可以建立風險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散的約束函數(shù)。則處于該曲面和地表曲面之間的點都由式(8)進行風險值的計算，其余空間的點的風險值可以看做為零。這樣通過式(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環(huán)境風險值。同理將不同的風險源產(chǎn)生的空間風險分布矩陣疊加后就得到一個環(huán)境風險空間分布圖。

圖3 引入空間模型后1 000 m高的環(huán)境風險水平分布圖Fig．3 Risk distribution map in 1 000 m after the space model introduced

如圖3所示，通過建立的基于空間的信息擴散法的環(huán)境風險評估模型，可以預測在垂直高度上的環(huán)境風險水平的分布圖。圖2是在地面的環(huán)境風險分布圖，對比之下，如圖3所示，在高空中，環(huán)境風險水平較低，影響范圍縮小，符合一般的擴散規(guī)律。事實上，通過本文所探討的模型，可以輕易獲取不同高度的該區(qū)域整體風險水平分布圖，這樣對預測風險擴散有著比較積極的意義。

5．4 環(huán)境因子作用下的風險分布

若我們在信息擴散法中引入了地形和風向環(huán)境因子，其中需要找到地形的高峰值，由此擴散出來，獲得其影響分布矩陣，對風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，預測在地形垂直距離每升高一定的距離，能使環(huán)境風險水平值降低了多少，然后通過疊加的方式對原始的擴散模型進行修正，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有高山，所以在對污染物傳播范圍的影響不明顯。但是在該區(qū)域的邊緣，可以看得出地形對環(huán)境風險分布還是有一定的影響的，同理對于風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險水平圖Fig．4 Risk level map on the ground affected by topographic environmental factors

總的來說，我們把基于信息擴散理論的平面評估模型改進成能進行空間預測的環(huán)境風險評估模型，并且在模型中引入了多個環(huán)境因子，利用信息擴散理論建立其影響矩陣，通過抽象疊加的形式修正了簡單的信息擴散模型，相比原來的模型，更具有實用性和優(yōu)越性。

6 結(jié)論

本文介紹了環(huán)境風險評價的概念以及發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)分析了許多前人此領域的研究成果。通過研究基于信息擴散理論進行環(huán)境風險評估的已有研究成果，提出了改進后的基于空間信息擴散理論的環(huán)境評估模型，該模型相比原來的研究成果，能更好地在環(huán)境立體空間上進行相關(guān)的環(huán)境風險評估以及將信息擴散理論融入到預測環(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)境因子對環(huán)境風險的影響在對風險預測和控制上有著至關(guān)重要的作用。對環(huán)境因子影響程度預測的準確性直接影響著對環(huán)境風險控制的有效力度。本文研究成果，可以提高進行大型工程的環(huán)境風險分析的準確性，保證了其環(huán)境風險控制的力度，降低了人類不正常的生產(chǎn)活動進一步危害人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境的概率，對各國實現(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，主要研究方向為系統(tǒng)評估、復雜系統(tǒng)建模與優(yōu)化。

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目“推動中國綠色發(fā)展的重大戰(zhàn)略及技術(shù)問題研究”(編號:2010CB955905)。

(編輯:常 勇)