环境风险评价中的不确定性问题

科技期刊中国环境科学CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE1998 年 第 18 卷 第 3 期 No.3 Vol.18 1998环境风险评价中的不确定性问题曾光明 钟政林 曾北危 (湖南大学环境保护研究所，长沙 410082) Gordon G.H.Huang (Faculty of Engineering, University of Regina, Canada s4s 0A2)文 摘 介绍了环境风险评价中的不确定性问题的分类及其影响因素, 论述了定量分析不确定性问题的 4 种方法, 即传递函数法、数值模拟法、 置信区间法和二间矩法。最后提出减少不确定性问题的途径，即多目标 规划法、非参数回归法、回归分析法和专家意见法。关键词 不确定性 风险评价 定量分析Research of the uncertainty in environmental risk assessment. Zeng Guangming, Zhong Zhenglin, Zeng Beiwei，(Environmental Protection Research Institute, Hunan University, Changsha 410082)； Gordon G.H.Huang(Faculty of Engineering, University of Regina, Canada s4s 0A2).China EnvironmentalScience.1998, 18(3):252 255AbstractIn th i s pap e r , th e c lass i f i c at i on and i mpa c t fa c tors of the uncertainty in the Environmental Risk Assessment (ERA) are introduced. Four methods for quantitative analysis of uncertainty, i.e. transfer function method, numerical value simulation method, confidence interval method and second order matrix method, are expounded. At last , the approaches for lessening uncertainty, i.e. multiple objective programming, nonparametric approach, regression analysis and expert opinion approach are put forward.Key words:uncertainty risk assessment quantitative analysis前几年，怀疑者们一直认为，由美国科学院院士及工程院院士 Frank Press 倡议并促成的国际减轻自然灾害10年( 1 990 2000年)意义不大。 并预言，在开始的5年内，人们将只会争论不休，不知道应该做些什么； 而在随后的5年，人们将只可能总结前5年不知道争论了些什么1。但 事实并非如此，在环境风险方面, 很多环境科学家已在理论和实际两个 方面取得了成就116 。不过，在与环境灾害、环境风险相关的研究领 域，仍存在着缺乏基础理论和方法的问题15。本文通过对环境风险不 确定性问题的初步探讨试图在这方面做些工作。1 不确定性分类及其影响因素1.1 不确定性分类“不确定性”一般可以理解为不肯定性、不确知性和可变性。不确 定性广泛地存在于自然界和人类社会中，就环境风险评价而言，不确定 性的表现也是相当普遍的。例如，在评价某一工厂向某河流排放污水是 否会导致该河流水质超标的问题时,尽管评价工作者通过一定的水质模 型预测，在不利条件下确实会发生超标事件，但事实上超标是否果真会 发生却不尽然。实际上，该河流上游来的水质、河流中水的流量以及降 雨量、降解系数等在不同的季节都是变化的或具有不确定性，从而引起 下游水质也是变化的或具有不确定性。Ove.Ditlevsen将不确定性分 为以下 3 种：物理不确定性。具体表现为不同样本，其物理属性会表现 出一定的差异；统计不确定性。对物理现象进行观测，只能获得容量有 限的样本，以此为基础去分析物理量的本质属性便带来统计的不确定性； 模型不确定性。由于在建模过程中常常要对物理现象进行概化和抽象及 假设，这样就可能会忽视一些影响因素，所得模型可能仅仅是原型的一 个同构，故模型具有不确定性。Suter将环境风险评价中的不确定性分为两大类，一类是可以用 较确切语言描述的不确定性。例如，在环境风险评价中，某一随机事件 的发生（如有毒化学物质的泄漏）具有随机性，但是可以通过特定的方法 （如 Fault Tree Analysis 分析法11）预测其发生的概率及影响程度。 另一类不确定性是由于人们认识能力的局限，对风险评价中某些现象、 机理本身就不清楚，不能准确地描述。如在健康风险评价中鉴定某一有 毒物质的毒性对人体的健康危害影响时，往往是选择动物进行毒理实验， 再由实验所得数据外推到人类，在外推的过程中，有时附加 10 倍安全因 子，甚至100 倍安全因子，然后把所得数据作为该有毒物质对人体健康 危害的标准值。可以说，在整个实验过程中，动物是受试者，而真正受 到有健康危害影响的却是人类。尽管在外推的过程中附加了一定的安全 因子，但确切地说，有毒物质在人体内的反应机理、对人体健康的影响 及影响程度是不清楚的，也无法用语言准确地加以描述。对于第一类不 确定性，又可进一步分为两类：由于自然界本身所固有的不确定性;在风 险分析的过程中所引起的不确定性（如模型不确定性、参数不确定性等） 和自然界随机变化引起的不确定性。其中，模型的不确定性又包括方程 形式错误及边界条件设置不合理等引起的不确定性; 参数不确定性包括 监测过程中和推导过程中引起的不确定性。从统计学的角度来看，不确定性也可分为两种：自然界所固有的随 机性所致。如在监测某河流，在一定样本容量内，DO值超标概率为70%, 换言之，该河流的DO值基本上可以认为是超标的，但是在具体某一次监 测过程中，DO值不一定超标，这就是由于其它外界因素引起河流中DO值 变化所引起的不确定性，这也是统计规律本身的一种不确定性即概率为 1 的不一定是必然事件，而概率为 0 的事件不一定是不可发生事件;纯属 偶然原因所引起的不确定性。其本身隶属于统计规律之外，换言之，无 法用统计分布或概率予以描述，如上面的例子中除河流本身的随机变化 造成监测结果的不确定性外，还可能会由于在监测的过程中监测者本身 的实验技巧以及心理情绪等一系列外在的无法用统计规律描述的因素， 从而造成监测结果的不确定性。1.2 不确定性影响因素不确定性本身就是一种十分复杂的自然现象，因而其影响因素也十 分复杂。正确区分和认识这些影响因素是研究不确定性问题的关键和基 础。Haimes,Leom 与 Eisel 认为，影响不确定性的因素可分为以下两类7， 10：物理量观测值存在测量误差，以及自然现象、社会因素、经济发展 的复杂性都对不确定性有一定的影响；人口增长、经济发展、水文气象 变化本身具有一定的随机特征是造成不确定性的主要原因。Benjamin与 Cornell 将影响不确定性的原因分为 3 类11：自然界本身固有的因素引 起的不确定性；统计引起的不确定性，因为用于参数估计的样本容量有 限，所以免不了会带来计算结果的不确定性；模型引起的不确定性，由 于所选择的数学模型可能仅仅是原型的一个同构，所以存在不确定性影 响。总结各种观点，可以将影响风险率与不确定性的主要原因概括为以 下3 点。1.2.1 人类活动引起的不确定性 如人口变迁、经济发展、社会进步等 社会现象引起的不确定性，并且无数事实证明这种不确定性随着人类社 会的进一步发展而加剧，如正处于建设中的三峡大坝对长江流域生物群 落的分布、物种的迁移以及对整个生态环境系统的影响相当程度上还是 一片空白，该坝对未来生态环境的影响的不确定性是不言而喻的。1.2.2 自然现象引起的不确定性 如水文、地理、气温、降水量、风向、 风速、日照辐射量等自然现象的不确定性，特别是一些自然灾害事件， 如飓风、暴雨以及洪水等随机性引起的不确定性。1.2.3 人类认识客观世界能力的局限性 使得对风险评价领域的一些 问题存在着一些不确定性和模糊性，这种局限性具体表现在以下几个方 面：对复杂的环境系统，重要的因果关系缺乏了解; 模型不符合实际情 况; 在评价过程中作了一些必要的假设;在参数的获取过程中和对未知 参数的推导过程中的参数不确定性。总之，环境风险评价过程中的不确定现象是客观存在的。在评价过 程中由于不确定性问题而导致风险性也是显而易见的，问题的关键是正 确地去认识它、把握它；正确地认识不确定性的存在并尽量通过各种合 适的途径减少其影响，降低风险评价中的风险度。2 不确定性问题分析目前，处理不确定性的定量方法较少或还不够成熟。通过对相关领 域内有关不确定性问题的研究成果进行分析和归纳，并联系环境风险评 价，总结出针对不确定性问题的定量分析方法。2.1 传递函数法即根据误差传递理论，由各初始变量的不确定性大小渐次分析计算 结果的不确定。其主要的理论根据是关于随机变量函数的方差计算理论。 2.2 数值模拟法对于某些复杂的模型，分析其不确定性的来源是极其困难的，而借 助 MonteCarlo 方法11则比较方便地处理复杂模型中的不确定性问题。 Barnth Ouse 等15用 MonteCarlo 模拟技术研究由单一物种毒性外推 到生态系统过程中的不确定性问题，较好地将这一过程的不确定性转变 为关于某种效应的不确定状态。从而某一特殊有毒效应水平的风险可以 由一个直接毒性和源于外推过程产生的不确定性函数确定。2.3 置信区间法从置信限与容许限的角度，借助统计分布理论，研究参数值的不确 定性。2.4 二阶矩法根据自变量的前二阶矩取泰勒级数的前 1 项或者前 2 项，即用一次 二阶距方法和二次二阶矩方法分析与计算结果的不确定性。如在环境质 量模型中污染物的分布曲线以f(x)表示，根据f(x)和坐标原点的关系可 以写出污染物浓度的各阶矩-零阶矩、一阶矩及二阶矩。零阶矩表示排放 污染物的总量；一阶矩表示污染物浓度分布重心的位置；二阶矩表示污 染物浓度分布的方差，即浓度分散的离散程度，这样根据二阶矩的泰勒 级数展开即可研究污染物浓度分布的不确定性。在风险评价研究领域中，无论采用上述哪一种方法分析不确定性， 其目的都在于从本质上认识它、把握它，最终找到有效的途径或采取有 效的措施来减少和消除它。目前，虽然出现了许多减少不确定性问题的 方法，但就环境风险评价领域中不确定性问题的主要方法有以下 4 种。 2.4.1 回归分析法 应用回归分析方法可以有效地利用现有的资料，减 少由于资料不足所造成的不确定性。目前所用的方法主要是参数回归分 析方法，模型主要是Probit模型、Logit模型、Weibull模型等。 2.4.2非参数回归法 回归分析中，当(x,y)的分布未知时，估计E(y | x=x)的一种方法，此时对E(y | x=x)只作一般性的要求，而不假定其有 任何特殊的数学形式，这样可以直接从样本的实际统计特征中去研究问 题，避免由于模型假设与实际情况的重大差距或在选择模型的过程中所 造成的不确定性，从而使其适用面广。文献2运用随机理论构造综合 水质风险评价模型便是采用的非参数回归方法。2.4.3 多目标规划法 对于环境风险评价中的不确定性问题采用多目 标规划方法主要是将控制风险水平与不确定性概化为不同的目标函数， 由多目标规划理论进行风险求解。2.4.4 专家意见法 环境风险评价的最终结果对环境或人体健康的影 响，环境学家和毒理学家经常持不同意见，有时甚至会截然相反。主要 原因在于环境学家使用的是较完善的污染物模型，而毒理学家使用的是 毒理学模型(如死亡率模型)，并且由于他们各自所具有的学科背景知 识不同，以及所使用文献资料的迥然差异等，造成了对评价结果的影响 分析不同。如果综合考虑两方面专家的意见将有助于减少在风险评价过 程中的不确定性。3 结语由于客观世界的复杂性, 以及人们认识客观世界能力的局限性, 在 以往认为是确定性的因素和现象中, 究其实质有不少是随机的、不确定 的。总之，不确定性问题是普遍存在的，它直接影响环境风险评价结果 的可靠与否，以及在多大程度上是可靠的。加强对不确定性问题的研究 并尽快与实际应用相结合，将更有助于环境风险评价工作的展开。参考文献1 David Alexander.Book reviews about natural hazards by bryant and environmental hazards:assessing risk and reducing disaster bySmith. 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