地下水污染風險評價的綜合模糊隨機模擬方法

1地下水污染風險評價的綜合模糊-隨機模擬方法JianbingLi，GordonH.Huang等田芳譯；馮翠娥、魏國強校譯本文建立的綜合模糊-隨機風險評價〔IFSRA〕方法能夠系統(tǒng)地量化與場地條件、環(huán)境標準和健康影響標準相關的隨機不確定性和模糊不確定性。模型輸入?yún)?shù)的隨機性使得數(shù)值模型預測的地下水污染物的濃度具有概率不確定性，而違反了相關的環(huán)境質(zhì)量標準和健康評估標準的污染物濃度引發(fā)的后果具有模糊不確定性。本文以二甲苯為研究對象。環(huán)境質(zhì)量標準按照嚴格程度分為三類：“寬松〞、“中等〞和“嚴格〞。通過系統(tǒng)地研究因二甲苯攝取而導致的基于環(huán)境標準的風險〔ER〕和健康風險〔HR〕，利用一個模糊規(guī)那么庫，可以獲得總風險水平。將ER和HR風險水平分為五個級別：“低〞、“低-中等〞、“中等〞、“中等-高〞和“高〞?？傦L險水平包括從“低〞到“很高〞六類。根據(jù)問卷調(diào)查，建立相關模糊事件的模糊隸屬函數(shù)和模糊規(guī)那么庫。因此，IFSRA的總框架包含了模糊邏輯、專家參與和隨機模擬。與傳統(tǒng)的風險評價方法相比，由于有效反映了這兩類不確定性，因此提高了模擬過程的穩(wěn)健性。應用開發(fā)的IFSRA方法來研究加拿大西部一個被石油污染的地下水系統(tǒng)。分析了具有不同環(huán)境質(zhì)量標準的三種情境，獲得了合理的結果。本文提出的風險評價方法為系統(tǒng)地量化污染場地管理中的各種不確定性提供了一種獨特的手段，同時也為污染相關的修復決策提供了更實際的支持。一、簡介加拿大有數(shù)千個工業(yè)污染場地，給人類健康和自然環(huán)境造成了巨大威脅。在為這些污染場地的有效修復和管理而制定決策的過程中，風險評價是重要的一步，它為場地污染的評價和嚴重程度的分級奠定了堅實的根底〔加拿大環(huán)境部長委員會，簡稱CCME，1996〕。然而，自然固有的隨機性以及缺乏風險發(fā)生及其潛在后果的足量信息，限制了我們對風險的認識。因此，風險評價自然就和不確定性聯(lián)系在一起〔Wagner等，1992；Carrington和Bolger，1998〕。無視了評價過程中的不確定性往往會得出相反的結果。例如，修復系統(tǒng)的超平安標準設計會浪費資金和資源，而低估了風險就會限制場地管理行動的有效性，事實上將嚴重威脅人類健康和自然環(huán)境。就污染場地在各種污染源和含水層條件下的風險評價方法，已經(jīng)出版了大量文獻。例如，Lee等〔1994〕提出了基于模糊集的方法來估計地下水污染對人類健康造成的風險，并評價了可能的補救措施；Goodrich和McCord〔1995〕應用蒙特卡羅方法考慮了地下水流和溶質(zhì)運移過程中參數(shù)的不確定性，將模型輸出結果應用于暴露評價；Mills等〔1996〕開展了以保護人類健康為目的的基于風險的方法，評價了土壤中石油殘留物的可接受水平；Hamed和Bedient〔1997〕在風險評價中，利用一階和二階可靠性分析說明了不確定性；Batchelor等〔1998〕利用概率分布函數(shù)表達相關參數(shù)，開發(fā)了場地的隨機風險評價模型；Bennett等〔1998〕利用基于蒙特卡羅方法的污染物運移模擬結果，開發(fā)了一種風險評價的綜合模擬系統(tǒng)；Maxwell等〔1998，1999〕也開發(fā)了一種將地下水運移模擬和人體暴露評價聯(lián)系起來的綜合系統(tǒng)；Lee等〔2002〕應用蒙特卡羅模擬評價了實施現(xiàn)場修復后，原地下水污染區(qū)內(nèi)人類的健康風險。最近，提出一種混合方法，它把概率和模糊集方法結合起來，描述風險評價過程中模擬參數(shù)的不確定性〔Li等，2003；Liu等，2004〕。例如，為進行工業(yè)場地土壤鎘污染的人體暴露評價，Guyonnet等〔2003〕將概率分布函數(shù)的蒙特卡羅隨機抽樣和模糊計算結合起來，來表現(xiàn)不同確實定性；Kentel和Aral〔2004〕利用產(chǎn)生風險的模糊隸屬函數(shù)和概率分布，進行了多途徑暴露于受污染水體下的健康風險分析，其中，將污染物濃度和潛在致癌因素處理成模糊變量，而其余的模擬參數(shù)利用概率密度函數(shù)〔PDF〕進行處理。其它一些相關研究可參見Chen等〔2003〕以及Kentel和Aral〔2005〕的著作。通過上文的文獻回憶可知，隨機和模糊集技術已經(jīng)被廣泛地用于研究與風險模擬輸入和輸出相關的不確定性。然而，之前的大局部研究都只涉及到污染物運移模擬中的參數(shù)不確定性，而關于環(huán)境質(zhì)量標準和健康風險評價標準的不確定性那么很少得到關注〔Minsker和Shoemaker，1998；Chen等，2003〕。另外，在已出版的風險評價的研究著作中，很少有將不同類型的不確定性有效聯(lián)系起來的。事實上，這種無視會導致信息的遺漏，從而產(chǎn)生不切實際的決策支持。因此，勢必要建立一種能夠有效處理各種不確定性的先進方法。作為前人研究的一種拓展，本研究的目標就是要開發(fā)一種綜合的模糊-隨機風險評價方法〔IFSRA〕，以實現(xiàn)與場地條件、環(huán)境質(zhì)量標準和健康影響標準有關的隨機不確定性和模糊不確定性的量化。本文嘗試利用模糊邏輯和隨機分析兩種概念將兩類不確定性聯(lián)系起來，同時應用已建立的IFSRA方法研究加拿大西部一個被石油污染的地下水系統(tǒng)。二、反映環(huán)境系統(tǒng)的隨機不確定性和模糊不確定性廣義的不確定性包括兩大類：隨機不確定性和模糊不確定性〔Destouni，1992；Blair等，2001〕。在概率方法中，用概率分布來描述參數(shù)的隨機變化。利用一些統(tǒng)計抽樣算法，通過數(shù)學模型，再將這些分布應用到輸出變量上。而在模糊集方法中，用隸屬函數(shù)來刻畫人類思維的模糊性。這種方法能夠非常好地處理“局部正確〞這個概念，量化語言變量的不確定性〔Chen和Pham，2001〕。上述兩種不確定性處理方法的根本原理是不同的〔Chen，2000〕。例如，圖1〔a〕是土壤孔隙度〔地下水模擬中的重要輸入?yún)?shù)〕的概率密度函數(shù)〔PDF〕，圖1〔b〕是“多孔土壤〞的土壤孔隙度的隸屬函數(shù)?？紫抖萈DF曲線下面一個間隔的面積等于那個間隔所假設的孔隙度的概率，但是假設等于一個特定值的概率為零〔即P〔Ф=0.35〕=0〕〔Chen，2000〕。PDF曲線下方的總面積為1，表示樣品空間中所有概率的總和為1。另一方面，隸屬函數(shù)曲線下方的面積沒有意義，總面積可能小于1，也可能大于1?？紫抖入`屬函數(shù)的值在0到1之間〔即μ〔Ф=0.35〕=0.7，意味著土壤孔隙度0.35屬于“多孔土壤〞的概率為0.7〕。圖1隨機不確定性〔a〕和模糊不確定性〔b〕的比擬當有足夠的信息能夠估計不確定性參數(shù)的概率分布時，就可以廣泛使用概率方法，而當信息量極少時〔即人類語言描述不精確〕，就非常適合用模糊集方法來處理不確定性。過去幾年里，大量的環(huán)境研究都用到了概率方法或者模糊集方法〔Dahab等，1994；James和Oldenburg，1997；Batchelor等，1998；Maxwell等，1998；Mohamed和Cote，1999；Foussereau等，2000〕。但在實際情況中，當各種參數(shù)具有不同的信息品質(zhì)時，只應用一種方法來處理不確定性可能并不可行。例如，可能用概率分布來刻畫污染物運移模型中土壤參數(shù)的不確定性，而環(huán)境標準和健康影響標準的不確定性就存在固有的模糊性。因此，當土壤參數(shù)可以用概率分布充分刻畫的時候，如果用模糊的隸屬函數(shù)來表述，那么就可能會喪失或捕捉不到一些重要的信息。另一方面，如果不確定性只能用語言變量〔如風險評價標準〕來描述但卻使用概率分布來表示，這種輸入信息處理方式的不當將導致模擬初期就出現(xiàn)嚴重的輸入錯誤。因此，有效處理模擬過程中各種不確定性的輸入信息是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題。單獨使用模糊或者隨機方法很難能刻畫這種復雜性〔Blair等，2001〕。風險評價是環(huán)境決策制定中一個非常重要的組成局部，與之相關的是各種不確定性。既然風險定義為一種不良后果的暴露〔Piver等，1998〕，那么它應包含兩方面的內(nèi)容：暴露和不良后果的性質(zhì)。因此，風險評價中的不確定性模擬就是根據(jù)所有考慮到的風險相關信息，清楚地量化可能性和潛在的不良后果〔Andricevic和Cvetkovic，1996〕。本次研究假設與地下污染物運移模擬模型相關參數(shù)的不確定性是隨機性，而與風險評價相關的評價標準的不確定性是模糊性。因此，將建立一種綜合的模糊-隨機方法來解決這些復雜的問題，并針對場地污染造成的相關風險提供更實際的評價。三、地下水污染的風險評價枯1吸、污跪染物就運移嚴的隨盤機模廈擬勁地下啟污染削物運堤移模鳥擬需而要各箱種物濱理、扭化學從和生墨物的龍輸入妙參數(shù)攤。然生而，震一些鳴根底遠參數(shù)喬，如罪土壤欄滲透遞性和雪孔隙桿度，仰一般欺很難根得到渾準確鴿和確液定性暖的值甘〔架La伸bi貴en擇ie忌c提等，慢19麥97齡〕。擋在各冰種量就化這翻些參財數(shù)不健確定茂性的陡隨機府技術紫中，創(chuàng)應用村最廣牢泛的有是蒙棉特卡躬羅模摟擬，津它可長以在刺數(shù)值渣模型奮中反閘復執(zhí)鄙行〔飄Ja坡me僚s忙和疾Ol非de網(wǎng)nb彼ur肥g雜，套19奏97拘〕。丈每次盛執(zhí)行筋都會貌輸出和一個節(jié)樣品同，然深后對井輸出矮樣品池進行扇隨機顏檢驗涉，以裳確定抽相關斃的概僅率分貝布。秤本研剛究已嚷經(jīng)建霉立了毒蒙特但卡羅裳模擬殘算法滴，并歌融合針到名色為拐UT巷CH翅EM孤的多柱相多忠組分熔的數(shù)跳值模所擬器廣中，云可以蔬用來辛預測敗多種挖污染結物濃傅度的儀時空詞分布剖〔轉(zhuǎn)UT摘A簽，摔20線00伐；多Li感等，噸20巷03伐〕。搜因此薯，按血照以孩下步奴驟建類立一戰(zhàn)個隨廣機模倚擬系勵統(tǒng)：狐〔增a修〕產(chǎn)未生每姐個隨加機輸秤入?yún)P數(shù)的會隨機榜數(shù)；外〔基b把〕根畫據(jù)每睬個參統(tǒng)數(shù)特臺定的新統(tǒng)計嘗分布籃特征爭，將坐隨機其數(shù)轉(zhuǎn)獅換成付相應征的隨京機變贊量；捉〔脖c麻〕以宅數(shù)組瞧的形碰式，職儲存棕每個某參數(shù)匹產(chǎn)生垃的隨膠機變那么量；仆〔蝕d蔥〕從談每個蓄參數(shù)到的數(shù)絨組中煉獲取掏一個針值，羽將其羽作為唉多相寧多組目分數(shù)痕值模撐型的用確定宿性輸淹入?yún)⑶贁?shù)；行〔捷e梯〕通超過數(shù)既值模哲型運濾行蒙鄭特卡串羅模季擬，句計算陷污染惡物濃冷度；轟〔玉f相〕儲并存每西次蒙夾特卡粗羅模率擬運注行后參得到蝶的污洋染物赴濃度速的輸江出結救果，育以進肅行進阻一步癢的統(tǒng)拍計分獻析；褲〔芒g爪〕重罵復〔救a岔〕屈—宰〔貍f件〕的至步驟誤，運課行一弊定次閱數(shù)的重蒙特名卡羅月模擬順；〔鐘h竊〕當恨所有意運行殊完成戶后，桌停止剝計算弱；〔瓦i象〕分溫析污得染物蠻的濃弓度，戴并計立算統(tǒng)繼計描妨述量池〔即否對每劫個時醋間和懂空間填單元臣，污保染物燈濃度蒜的平季均值駐和標帆準差軌〕。劇2從、風訴險評偽價的盜一般愚方法垂與污凱染場諸地相禁關的弊風險滑特征趟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