CN112785206B - 一种金属行业涉污企业影响范围模拟与风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种金属行业涉污企业影响范围模拟与风险评估方法，针对金属类涉污企业，基于金属污染物扩散的特征，通过GIS空间分析方法，模拟涉污企业的影响距离并生成影响范围，开展涉污企业的风险评估，识别出高风险区，并进行精度验证。本发明实施例提供一种金属行业涉污企业影响范围模拟与风险评估方法，以解决区域风险评估现有技术中污染半径设定单一和无法表征真实污染范围的问题。
Description
技术领域
本发明实施例涉及污染模拟评估技术领域，具体涉及一种金属行业涉污企业影响范围模拟与风险评估方法。
背景技术
金属相关行业类涉污企业，如金属尾矿库、金属冶炼厂等，在从事生产活动过程中不合理的污染物堆放、排放等行为，导致有毒有害物质随雨水淋溶、大气沉降等作用向外扩散，造成涉污企业周边一定范围内的土壤、耕地、人口等受到不同程度的污染。该区域范围定义为涉污企业的影响范围。
从宏观层面精准、详细地掌握涉污企业对环境可能造成的风险对工业企业空间布局优化、风险管控、环境保护管理决策制定等具有重要意义。然而，现有的污染风险评估严重依赖于实地采样和人工上报的方式进行，不仅数据获取时间周期长，且人力和财力消耗成本巨大，极大程度上限制了大尺度范围风险评估以及宏观决策的制定。
目前的污染风险评估主要有两种途径，一种是基于单个污染场地的微观评估，另一种是基于行政单元的区域评估。对于第一种，多是针对单个、典型的涉污企业开展的，这样的微观评估主要通过结合实地污染物采样与实验室测量的方式，评估个体涉污企业周围的污染风险情况。然而，这样的小范围风险评估无法体现区域整体的风险情况，不利于宏观上指导产业布局的部署和优化，且如果仅依赖单个涉污企业微观污染风险评估方法获得区域尺度上风险状态，将无疑消耗大量的人力、物力和财力。同时，这样的评估往往采用统一的标准半径作为涉污企业对其周边受体产生影响的作用范围，并没有结合涉污企业局地的地形、气候等条件，无法反映真实的污染物影响范围。另一种是基于行政单元的区域尺度风险评估，多以行政单元为空间尺度，如采用地级市尺度统计数据(重工业企业数量、废气排放量、人口等)评估各地级市的风险水平。这种风险评估将行政单元作为均一单元，不能反映风险在行政单元内部的空间差异，更无法表征高风险区的精准空间位置。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种金属行业涉污企业影响范围模拟与风险评估方法，以解决区域风险评估现有技术中污染半径设定单一和无法表征真实污染范围的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
根据本发明实施例公开的一种金属行业涉污企业影响范围模拟与风险评估方法，该方法包括以下步骤：
S1、根据涉污企业的行业类型确定所述涉污企业的基本影响距离；
S2、根据涉污企业的经营时长和所处地理位置的多年平均降水量对涉污企业的基本影响距离进行调整，设置涉污企业的污染半径，并以涉污企业为中心绘制圆形缓冲区；
S3、根据涉污企业近十年每月的平均风场环境绘制风向椭圆，共计绘制120个风向椭圆；
S4、将120个风向椭圆与以涉污企业为中心绘制的圆形缓冲区进行合并，合并后再取包络面为涉污企业的影响范围；
S5、采用基于敏感受体的栅格尺度风险评估方法在1km栅格尺度上开展，且认为涉污企业仅对影响范围内的敏感受体有影响，评估只在模拟的影响范围内进行；
S6、建立评估指标体系，所述风险指数为R，影响所述风险指数的第一层指标包括涉污企业的危险性H、路径扩散性P和敏感受体的脆弱性V，第i个像元的风险指数Ri＝Hi×Pi×Vi；
S7、影响危险性H的第二层指标包括核密度K和经营时长DT，核密度代表了涉污企业的聚集程度，第n个涉污企业的危险性Hn＝DTn+Kn；影响路径扩散性P的第二层指标包括土壤质地ST、多年平均降雨量p、多年平均风速WS和地势起伏度RA，第i个像元的路径扩散性Pi＝1/4(STi+pi+WSi+RAi)；影响敏感受体的脆弱性V的第二层指标包括耕地产量；
S8、根据估算出的风险指数R确定高风险区域，并将识别出的高风险区域与国家划定的重金属重点防控区进行对比，验证估算精度。
进一步地，在步骤S1中，所述涉污企业的行业类型包括金属矿采选型和金属冶炼型，所述金属矿采选型企业的基本影响距离为1km，所述金属冶炼型企业的基本影响距离为1.5km。
进一步地，在步骤S2中，金属矿采选型企业基本影响距离受影响因素为：经营时长<15年调整距离0km，经营时长≥15调整距离+0.5km，多年平均降水量<400mm调整距离+1km，多年平均降水量400–800mm调整距离0km，多年平均降水量>800mm调整距离-0.5km；
金属冶炼型基本影响距离受影响因素为：经营时长<5年调整距离0km，经营时长5-15年调整距离+1km，经营时长>15年调整距离+2km，多年平均降水量<400mm调整距离+0.5km，多年平均降水量400–800mm调整距离0km，多年平均降水量>800mm调整距离-0.5km。
进一步地，在步骤S3中，每个风向椭圆以涉污企业的空间位置为顶点，月平均风向的下风方向为长轴方向；金属矿采选型企业的风向椭圆长短轴在基本影响距离的基础上调整为：月平均风速<3m/s，短轴长度调整距离0km，月平均风速3-5m/s调整距离+0.5km，月平均风速5-7m/s调整距离+1km，月平均风速>7m/s调整距离+2km，长轴长度在短轴长度基础上+0.5km；金属冶炼型企业的风向椭圆长短轴在基本影响距离的基础上调整为：月平均风速<2m/s调整距离+0.5km，月平均风速2-4m/s调整距离0km，月平均风速>4m/s调整距离-0.5km，长轴长度在短轴长度基础上+1km。
进一步地，敏感受体是指受有毒有害物质影响的受害主体，敏感受体的脆弱性是指受体面对污染的易损性情况，主要的敏感受体包括耕地、土壤、水源或人口。
进一步地，为将点位尺度的危害性指标转换为栅格尺度，以影响范围为插值空间，将危害性H插值为1km的空间数据。
进一步地，在步骤S8中，识别出的高风险区域与国家划定的重金属重点防控区吻合度越高，则识别与评估的估算精度越高。
本发明实施例具有如下优点：
1、基于风场的影响范围空间模拟模型考虑了各个涉污企业所处环境的风场特殊性，模拟了具有场地针对性的影响范围，较以往单一给定影响范围的操作更具有科学性。
2、基于敏感受体的栅格尺度风险评估方法，实现了高风险区空间位置精准识别，可以反映风险在行政单元内部的空间差异。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例提供的一种属行业涉污企业影响范围模拟与风险评估方法流程图；
图2为本发明实施例1的影响范围模拟示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1所示，本发明具体实施例公开了一种金属行业涉污企业影响范围模拟与风险评估方法，针对金属类涉污企业，基于金属污染物扩散的特征，通过GIS空间分析方法，模拟涉污企业的影响距离并生成影响范围模型，开展涉污企业的风险评估，识别出高风险区，并进行精度验证。该方法具体包括以下步骤：S1、根据涉污企业的行业类型确定所述涉污企业的基本影响距离；S2、根据涉污企业的经营时长和所处地理位置的多年平均降水量对涉污企业的基本影响距离进行调整，设置涉污企业的污染半径，并以涉污企业为中心绘制圆形缓冲区；S3、根据涉污企业近十年每月的平均风场环境绘制风向椭圆，共计绘制120个风向椭圆；S4、将120个风向椭圆与以涉污企业为中心绘制的圆形缓冲区进行合并，合并后再取包络面为涉污企业的影响范围；S5、采用基于敏感受体的栅格尺度风险评估方法在1km栅格尺度上开展，且认为涉污企业仅对影响范围内的敏感受体有影响，评估只在模拟的影响范围内进行；S6、建立评估指标体系，所述风险指数为R，影响所述风险指数的第一层指标包括涉污企业的危险性H、路径扩散性P和敏感受体的脆弱性V，第i个像元的风险指数Ri＝Hi×Pi×Vi；S7、影响危险性H的第二层指标包括核密度K和经营时长DT，核密度代表了涉污企业的聚集程度，第n个涉污企业的危险性Hn＝DTn+Kn；影响路径扩散性P的第二层指标包括土壤质地ST、多年平均降雨量p、多年平均风速WS和地势起伏度RA，第i个像元的路径扩散性Pi＝1/4(STi+pi+WSi+RAi)；影响敏感受体的脆弱性V的第二层指标包括耕地产量；S8、根据估算出的风险指数R确定高风险区域，并将识别出的高风险区域与国家划定的重金属重点防控区进行对比，验证估算精度。本发明基于风场的影响范围空间模拟模型考虑了各个涉污企业所处环境的风场特殊性，模拟了具有场地针对性的影响范围，较以往单一给定影响范围的操作更具有科学性。基于敏感受体的栅格尺度风险评估方法，实现了高风险区空间位置精准识别，可以反映风险在行政单元内部的空间差异。
表1大气沉降影响范围：
涉污企业的行业类型包括金属矿采选型和金属冶炼型，所述金属矿采选型企业的基本影响距离为1km，所述金属冶炼型企业的基本影响距离为1.5km。金属矿采选型企业基本影响距离受影响因素为：经营时长<15年调整距离0km，经营时长≥15调整距离+0.5km，多年平均降水量<400mm调整距离+1km，多年平均降水量400–800mm调整距离0km，多年平均降水量>800mm调整距离-0.5km；金属冶炼型基本影响距离受影响因素为：经营时长<5年调整距离0km，经营时长5-15年调整距离+1km，经营时长>15年调整距离+2km，多年平均降水量<400mm调整距离+0.5km，多年平均降水量400–800mm调整距离0km，多年平均降水量>800mm调整距离-0.5km。每个风向椭圆以涉污企业的空间位置为顶点，月平均风向的下风方向为长轴方向。风向椭圆短轴和长轴的长度依据当月平均风速，在基本影响距离的基础上进行调整，长轴的长度则根据行业类型的不同比短轴长0.5km或1.0km；最后，将120个风向椭圆与初始的圆形缓冲区进行合并，并取包络面作为最后的影响范围。以某一金属矿采选业涉污企业为例，假设其经营时长为18年，所处地理位置的多年降水量为200mm，则其基本影响距离为1.0km，经营时长影响因素的调整距离为+0.5km，多年降水量影响因素的调整距离为+1.0km，圆形缓冲区的半径为1.0+0.5+1.0＝2.5km；若该涉污企业某一月的平均风速为6m/s，则当月的风向椭圆的短轴距离在基本影响距离1.0km的基础上，增加1.0km，最终为1.0+1.0＝2.0km，长轴距离比短轴长0.5km，为2.5km。
以往开展的大多数区域尺度风险评估，多是以行政单元为评估尺度。这样的评估由于没有考虑污染源和敏感受体之间的空间关系而容易引发误差。如当涉污企业空间分布远离人口或农田时，涉污企业对人口或耕地可能造成的风险应是较小的，但基于行政尺度的评估以整个区域的统计数据为评判标准，忽略了污染源和敏感受体之间的空间距离，从而导致得到的评估结果可能偏大于实际值。此外，基于行政单元的评估结果无法反映行政单元内部的风险差异，更无法确切反映高风险区的精准位置。
本发明提出的基于敏感受体的栅格尺度风险评估方法在1km栅格尺度上开展，且认为涉污企业仅对影响范围内的敏感受体有影响，因此评估只在模拟的影响范围内进行。评估主要分为以下两个步骤：
第一步构建评估指标体系：根据风险三要素理论，风险主要由污染源危害性、扩散路径扩散性和敏感受体脆弱性决定。涉污企业作为污染物的释放主体，是主要的污染源，其经营时长、空间聚集程度影响了危害性的高低。区域的水、土、地环境介质影响着污染物扩散的难易程度，如降水量，周围土壤质地，地表硬化覆盖程度等，都影响着污染物迁移扩散的难易程度。敏感受体是指受有毒有害物质影响的受害主体，敏感受体的脆弱性是指受体面对污染的易损性情况。主要的敏感受体有耕地、土壤、水源、人口等，此处主要以耕地敏感受体为例。当某片耕地受污染时，耕地产量越高，造成的经济损失越大，可能受害的人群越多，因此从该角度，认为耕地的生产力越高，其面对污染的脆弱性越高。
表2风险评估指标体系
表3指标分级与赋值
| 指标 | 分级 | 赋值 | 分级 | 赋值 | 分级 | 赋值 |
| 危险性 | ≥0.5 | 5 | [0.15，0.5) | 3 | <0.15 | 1 |
| 土壤质地 | 砂土 | 5 | 粉土 | 3 | 黏性土 | 1 |
| 降水(mm/yr) | ≥1000 | 5 | [400，1000) | 3 | <400 | 1 |
| 风速(m/s) | <2 | 5 | [2，4) | 3 | ≥4 | 1 |
| 地势起伏度(m) | ≥1500 | 5 | [1000，1500) | 3 | <1000 | 1 |
| 耕地产量 | 高产量 | 5 | 中产量 | 3 | 低产量 | 1 |
第二步构建风险评估模型，根据风险三要素理论，风险的形成必须具备污染源、扩散路径和敏感受体三个要素，因此风险R的估算遵循以下公式：
Ri＝Hi×Pi×Vi (1)
Hn＝DTn+Kn (2)
Pi＝1/4(STi+pi+WSi+RAi) (3)
式(1)表示，第i个像元的风险R取决于该像元上涉污企业的危险性H、由区域环境决定的污染物扩散性P和敏感受体的脆弱性V。单个涉污企业的危害性由公式(2)表示，n代表第n个涉污企业，核密度K代表了涉污企业聚集的程度。为将点位尺度的危害性指标转换为栅格尺度，以影响范围为插值空间，将危害性H插值为1km的空间数据。根据公式(3)，第i个像元的路径扩散性P由土壤质地ST、多年平均降雨量p、多年平均风速WS，以及地势起伏度RA决定。最终，具有相对高风险值的区域为高风险区。
本发明提出的金属行业影响范围模拟与风险评估方法，不需要人工实地去采集数据，因此完成速度快，能有效克服传统人工采样中消耗巨大人力、财力与时间等缺点。提出的影响范围模拟模型能够解决以往区域风险评估中影响范围设定单一、无法表征真实污染范围的问题，此外，相较于行政尺度的风险评估，本发明聚焦的栅格尺度评估不仅考虑了涉污企业和敏感受体的空间相互作用，还能获得精细的高风险区空间分布信息。模拟影响范围时，历史风场数据可以使用近十年，或者近三十年等不同历史长度的风场数据；风场的数据源可以是不同类型的栅格数据，如ERA再分析数值模拟数据，或风云系列卫星风场遥感反演产品等。同理，多年平均降水数据可以是近十年，或者近三十年等不同时间长度，数据源可以是由气象站点数据插值的数据，或数值模拟数据，或卫星遥感反演数据。开展风险评估时，可根据关注问题的不同，将耕地更替为水体、老年人口、儿童等其他敏感受体；涉污企业危害性指标可根据数据的可获得性，更替为涉污企业废气废水排放量等其他指标。
实施例1：
依据图2的模拟示意图，根据模拟方法及调整距离确定影响范围，并得到具体的影响范围的模拟结果。
计算危害性H：计算涉污企业核密度，归一化后，获取各企业的核密度归一化值Kn。并将各企业的经营时长归一化，得到DTn。根据Hn＝DTn+Kn计算各涉污企业的危害性Hn。为将点位尺度的危害性指标转换为栅格尺度，以影响范围为插值空间，将危害性H插值为1km的空间数据。
计算扩散性P：归一化土壤质地ST、多年平均降雨量p、多年平均风速WS、地势起伏度RA，根据Pi＝1/4(STi+pi+WSi+RAi)计算第i个像元的路径扩散性，且只保留影响范围内的像元。
计算脆弱性V：将影响范围内的耕地，根据产量高、中、低三个等级进行归一化。
计算风险指数R：计算1km栅格尺度的风险指数时，影响范围内的第i个像元的风险指数Ri＝Hi×Pi×Vi。计算县级尺度的风险指数时，基于1km栅格尺度的风险指数，统计各县内风险指数的总和，作为县的风险水平值。
风险评估结果：包括1km栅格尺度和县级尺度两种结果。1km栅格尺度评估结果显示，云南省东部地区比西部地区面临着更大的重金属污染威胁，其中世界级“锡都”——个旧市面临着最大的威胁。将县的风险等级由大到小排序后，根据自然分段法，划分出高风险区。本研究识别出的高风险区共12个，包括个旧区、腾冲县、安宁区、易门县、东川区、会泽县、马关县、文山市、建水县、蒙自市、砚山县及宣威市。
精度验证：县级评估结果与国家划定的重金属重点防控区对比。
本方法识别出的高风险区共12个，包括个旧区、腾冲县、安宁区、易门县、东川区、会泽县、马关县、文山市、建水县、蒙自市、砚山县及宣威市。根据国家生态环境部(参考资料[1]中华人民共和国生态环境部.云南部署重金属污染防治盯紧重点区域和重点行业。http://www.mee.gov.cn/ywdt/hjnews/201105/t20110520_210913.shtml)、云南省生态环境厅(参考资料[2]云南省生态环境厅.红河州公开省委、省政府环境保护督察反馈意见问题整改情况。http://sthjt.yn.gov.cn/zwxx/xxyw/xxywrdjj/201907/t20190730_191420.html.)、曲靖市人民政府(参考资料[3]曲靖市人民政府《陆良县西桥工业片区重金属污染防治方案》通过2015年重金属污染防治重点区域竞争性评审。http://www.qj.gov.cn/html/2015/hbj_0625/27153.html)及最新的研究结果(参考资料[4]Tan，Z.，Lu，S.，Zhao，H.et al，2018.Magnetic，geochemical characterization and healthrisk assessment ofroad dust in Xuanwei and Fuyuan，China.Environ.Geochem.Health 40(4)，1541–1555。参考资料[5]王红英.陆良县重金属污染防治主要措施及成效[J].环境科学导刊，2017，36(S2):139-142.)明确的高风险区共计14个，本方法识别精度为85.7％。
国家于2011年，在云南省划定了11个重金属重点防控区，包括：昆明市东川区、安宁区、红河州个旧区、金平区、曲靖市会泽县、陆良县、文山州马关县、文山市、保山市腾冲县、玉溪市易门县、怒江州兰坪县。
对比结果显示：成功识别个旧、腾冲、安宁、易门、东川、会泽、马关、文山市8个地区，补充识别建水、蒙自、砚山、宣威4个地区，未能识别兰坪、金平、陆良3个地区。补充识别的4个地区中，建水和蒙自是红河州重金属污染重点调查区；砚山于2016年被列为重金属污染防治试点；宣威受重金属污染影响，是云南肺癌高发区。未能识别的3个地区中，兰坪、金平危害性较高，但脆弱性低；陆良县于2015年因治理得当而取消了“重金属污染防控区”的帽子。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (4)
1.一种金属行业涉污企业影响范围模拟与风险评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、根据涉污企业的行业类型确定所述涉污企业的基本影响距离；
S2、根据涉污企业的经营时长和所处地理位置的多年平均降水量对涉污企业的基本影响距离进行调整，设置涉污企业的污染半径，并以涉污企业为中心绘制圆形缓冲区；
S3、根据涉污企业近十年每月的平均风场环境绘制风向椭圆，共计绘制120个风向椭圆；
S4、将120个风向椭圆与以涉污企业为中心绘制的圆形缓冲区进行合并，合并后再取包络面为涉污企业的影响范围；
S5、采用基于敏感受体的栅格尺度风险评估方法在1km栅格尺度上开展，且认为涉污企业仅对影响范围内的敏感受体有影响，评估只在模拟的影响范围内进行；
S6、建立评估指标体系，风险指数为R，影响所述风险指数的第一层指标包括涉污企业的危险性H、路径扩散性P和敏感受体的脆弱性V，第i个像元的风险指数Ri＝Hi×Pi×Vi；
S7、影响危险性H的第二层指标包括核密度K和经营时长DT，核密度代表了涉污企业的聚集程度，第n个涉污企业的危险性Hn＝DTn+Kn；影响路径扩散性P的第二层指标包括土壤质地ST、多年平均降雨量p、多年平均风速WS和地势起伏度RA，第i个像元的路径扩散性Pi＝1/4(STi+pi+WSi+RAi)；影响敏感受体的脆弱性V的第二层指标包括耕地产量；
S8、根据估算出的风险指数R确定高风险区域，并将识别出的高风险区域与国家划定的重金属重点防控区进行对比，验证估算精度；
在步骤S1中，所述涉污企业的行业类型包括金属矿采选型和金属冶炼型，所述金属矿采选型企业的基本影响距离为1km，所述金属冶炼型企业的基本影响距离为1.5km；
在步骤S2中，金属矿采选型企业基本影响距离受影响因素为：经营时长<15年调整距离0km，经营时长≥15调整距离+0.5km，多年平均降水量<400mm调整距离+1km，多年平均降水量400–800mm调整距离0km，多年平均降水量>800mm调整距离-0.5km；
金属冶炼型基本影响距离受影响因素为：经营时长<5年调整距离0km，经营时长5-15年调整距离+1km，经营时长>15年调整距离+2km，多年平均降水量<400mm调整距离+0.5km，多年平均降水量400–800mm调整距离0km，多年平均降水量>800mm调整距离-0.5km；
在步骤S3中，每个风向椭圆以涉污企业的空间位置为顶点，月平均风向的下风方向为长轴方向；金属矿采选型企业的风向椭圆长短轴在基本影响距离的基础上调整为：月平均风速<3m/s，短轴长度调整距离0km，月平均风速3-5m/s调整距离+0.5km，月平均风速5-7m/s调整距离+1km，月平均风速>7m/s调整距离+2km，长轴长度在短轴长度基础上+0.5km；金属冶炼型企业的风向椭圆长短轴在基本影响距离的基础上调整为：月平均风速<2m/s调整距离+0.5km，月平均风速2-4m/s调整距离0km，月平均风速>4m/s调整距离-0.5km，长轴长度在短轴长度基础上+1km。
2.根据权利要求1所述的一种金属行业涉污企业影响范围模拟与风险评估方法，其特征在于：敏感受体是指受有毒有害物质影响的受害主体，敏感受体的脆弱性是指受体面对污染的易损性情况，主要的敏感受体包括耕地、土壤、水源或人口。
3.根据权利要求1所述的一种金属行业涉污企业影响范围模拟与风险评估方法，其特征在于：为将点位尺度的危害性指标转换为栅格尺度，以影响范围为插值空间，将危害性H插值为1km的空间数据。
4.根据权利要求1所述的一种金属行业涉污企业影响范围模拟与风险评估方法，其特征在于：在步骤S8中，识别出的高风险区域与国家划定的重金属重点防控区吻合度越高，则识别与评估的估算精度越高。
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