基于混沌系统的不确定性风险评价方法

基于混沌系统的不确定性风险评价方法

虽然回收水回收具有很大的潜力，但回用过程中对人体的风险尚不清楚。人们对再生水回收的安全性有很高的担忧，阻碍了废水回收的发展。在国内,再生水的回用对人体的风险影响还没有得到系统的研究,运用风险评价技术研究再生水回用对人体的影响是一个新的研究领域。风险评价中存在一定的不肯定性因素或误差来源,一般来说,风险评价都是从确定性风险评价开始。目前,确定性风险评价结果存在一个很大的局限性,只能定性的分析评价过程中的不确定性。近年来越来越多的研究者采用模糊数学、贝叶斯理论以及随机理论等新理论和新方法,积极探索因模型结构以及参数估计方法所带来的不确定性。在目前可靠性分析中,蒙特卡罗模拟法(MonteCarlo)是一种相对精确的方法,其受问题条件限制的影响较小,适应性强,但在随机数的生成和联合分布过多地依赖假设好的分布及模型,在分析可靠度时,必须先形成系列可靠的随机数系列。如何采用简单、有效的方法产生随机数,是蒙特卡罗法模拟计算的关键,在传统的MonteCarlo程序中广泛采用线性同余法随机数发生器。但所有线性同余法随机数发生器存在不能通过调整参数而消除的缺陷(“晶格”特性)。即假如把由线性同余法随机数发生器(LCGs)连续产生的N个随机数作为N维单位立体空间内点的坐标,则这些点将落在少数相关的平行的N-1维超平面上。为此本研究利用Logistic混沌迭代序列改进蒙特卡罗算法,与健康风险评价理论相结合,对西安市某污水处理厂的再生水进行风险评价。1造成不期望事件发生的影响因素风险评价是判断风险是否可以被接受,对不良结果或不期望事件发生的机率进行描述及定量的系统过程。风险评价可以定义为对人类活动或自然灾害的不利影响和可能性的评价,是对不良结果或不期望事件发生几率的描述及定量分析。就污水再生利用而言,风险评价可定义为对通过各种暴露途径暴露于回用水中化学物质和病原微生物的人群和环境所造成的不良影响发生的几率及程度、时间或性质进行定量描述的系统过程。作为近20年来发展起来的新兴学科,风险评价技术已广泛应用于环保、石油、食品、药品、化工、航天工业等众多领域,国外对风险评价技术的研究已有一定基础。2风险评价方法的研究2.1混沌系统的lyapunov指数混沌理论的理论依据是混沌动力系统对于初值和参数的敏感性。即使Logistic系统处于混沌状态,在不同的初值和参数下所产生的伪随机序列的随机性也有很大差别,本文考虑具有以下形式的Logistic系统:xn+1=f(xn)−μx2n(1)xn+1=f(xn)-μxn2(1)式中,xn是状态,f把当前状态xn映射到下一个状态xn+1,μ为参数,若选择参数的范围在(0,2]区间内,则式(1)将是从线段I=[-1,1]到它本身的一个非线性映射。Logistic系统仅当初值和参数取某些特定范围内的值时才是混沌的,Lyapunov指数能够刻画混沌系统的主要特征,在混沌系统的Lyapunov指数为正的条件下它才具有混沌的特性。Logistic系统的Lyapunov指数表达式为:λ=limn→∞1n∑i=0n−1ln|2μxn|(2)λ=limn→∞1n∑i=0n-1ln|2μxn|(2)取参数μ∈(0,4]中的10000个采样点,利用Matlab软件计算Logistic系统的Lyapunov指数,在参数区间为[1.869,4]的条件下,初值取0.28或0.36时,其Lyapunov指数均大于0。因此,Logistic系统是混沌的。对参数和初始值的敏感性是混沌动力系统的重要特征,同时,沿着混沌运动的轨迹对某一函数的平均等于其集合的平均,由于混沌动力系统在迭代中的信息损失,使得混沌序列的信息量渐近趋于零,因此对混沌序列不可能进行正确的长期预测。产生Logistic混沌序列的算法具有速度快、效率高的优点,图1是Logistic混沌序列的算法流程图。其中,变换u=1πarccosxu=1πarccosx将x∈[-1,1]映射到u∈。当输入初始值x0=0.28或0.36,而μ∈[1.869,4]时输出的序列即为所要求的Logistic混沌序列。2.2再生水回用风险评价蒙特卡罗方法的一般过程可分为三步。首先构造或描述问题的概率过程,其次实现从已知概率分布的抽样,最后建立各种统计量的估计。针对传统传统模特卡罗随机数过多地信赖于假定好的分布和模型的问题,利用混沌Logistic迭代序列改进蒙特卡罗算法,以期提高随机数输入的可靠性程度。本研究以再生水回用的风险评价为研究内容,采用改进模特卡罗算法模拟,其流程见图2。第一步确定风险变量。确定影响评价结果的风险因素,对于再生水风险评价而言,吸收速率、暴露时间、再生水中的污染物浓度、暴露频率、暴露持续时间、体重和平均暴露寿命周期是敏感的因素。第二步构造风险变量的概率分布模型。通过专家打分或历史数据的统计分析,确定风险变量的概率分布,计算期望值和方差,构造概率分布模型。第三步抽取输入风险变量的随机数。利用Logistic混沌序列的算法,结合Matlab软件计算各输入风险变量的随机数。第四步将所得到的随机数转化为各输入风险变量确定不同的抽样值,把抽样值组成一组评价基础数据,计算评价指标值。第五步整理模拟结果所得评价指标的期望值、方差、标准差和它的概率分布及累积概率,绘制累积概率图,计算再生水回用风险评价的概率。将评价指标值按由小到大的顺序排列,计算累积概率和绘制累积概率图,并计算评价指标的期望值、方差,最后进行各风险变量的灵敏性分析。2.3参考的生物效应模型化学物质的非致癌毒性存在阈值,即低于某一剂量,不会产生可观察到的不良反应。非致癌毒性评估即为如何估计化学物质的致毒阈值,并根据阈值确定计算非致癌风险的标准建议值即参考值(RfV)。非致癌效应阈值的表征方法主要有三种:不可见有害作用水平(NOAEL)、最低可见有害作用水平(LOAEL)和基准剂量(BMD),NOAEL为不能观察到不良反应的受试物的最高剂量,LOAEL指可观察到不良反应的受试物的最低剂量,BMD指对应于所定义的效应水平(某一不良效应发生率,通常为1%~10%)的有效剂量。参考值定义为根据暴露期和暴露途径估计的预期不会对人群一生中产生不良效应的暴露剂量,由BMDL、NOAEL/LOAEL或其他出发点经过不确定性因子修正得出。根据人体摄取化学物质的方式,参考剂量分为经口摄取方式的参考剂量(oralRfD,RfD0)、呼吸摄取方式的参考浓度(RfC)和皮肤接触方式的参考剂量(dermalRDf,RfD4)。根据暴露时间的长短,可分为急性、短期、长期和慢性参考值。参考值以NOAEL/AOAEL或BMD为依据,经过安全系数和不确定因素的校正,采用以下公式进行计算:RfD=NOAEL/(UF1×UF2×UF3×UF4×MF)(3)RfD=ΝΟAEL/(UF1×UF2×UF3×UF4×ΜF)(3)式中,UF为不确定因子,MF为修正因子。对于影响效应,其生物效应常通过寿命概率来描述,尽管其暴露有可能不在其整个生命周期内发生。吸收剂量一般表示为寿命平均每日吸入剂量LADD,本研究暴露剂量通过下式计算:LADD=CA×IR×ET×EF×EDBW×LT(4)LADD=CA×ΙR×EΤ×EF×EDBW×LΤ(4)式中,LADD为人体平均每日吸入剂量(mg/(kg·d)),IR为吸收速率(m3/d),ET为暴露时间(h/d),CA为再生水中的污染物浓度(mg/m3),EF为暴露频率(d/a),ED为暴露持续时间(a),BW为体重(kg),LT为平均暴露寿命周期(a)。1污染物经口入途径风险大小非致癌风险评价模式为:Pi=di×10−6/RfDi(5)Pa=Pi/70(6)Ρi=di×10-6/RfDi(5)Ρa=Ρi/70(6)式中,Pi为污染物经口入途径产生的个人终生风险,Pa为个体风险,di为污染物经口食入途径进入人体的单位体重日均暴露剂量(mg/(kg·d)),RfDi为污染物的参考剂量,i为污染物的种类。2再生水回用风险评估微量风险或者风险分界线指普通人群所能接受的风险水平,即可接受风险水平和不可接受的风险水平之间划分的风险临界值。决定可接受的风险水平大小是根据公众利益与可能的社会损失之间的平衡值来确定的。如果评价对象风险水平低于可接受的风险水平,则评价对象的风险水平是可以忽略或者说是可以接受的。采用北石桥污水净化中心2003~2006年历年逐月的总磷和总氮资料,设定蒙特卡罗模拟方法中的模拟次数为5000次,对其不确定性风险进行分析,基本数据资料见表1。风险评价标准是群体或个体可接受的风险水平,可接受风险水平是根据历史的统计数据计算出来的,作为未来风险准则,需要假定计算风险的条件仍适用于未来,对人群风险的计算则设定全部人口承受风险的机会是均等的。对职业性暴露人群中的个体,其风险水平一般在10-4/a范围;人类遭受火灾、溺水、中毒的风险值为10-5/a,是一种可接受风险值;当风险值达到10-4时,则必须采取防范措施;10-3/a风险值属于不可接受风险,必须立即采取改进措施,保护人体安全。灾害对躯体毒害化学污染物,英国皇家协会、瑞典环境保护局及荷兰建设环境部等推荐的化学污染物对人体危害的最大可接受风险水平为10-6/a,因此以10-6/a作为躯体毒害化学污染物的最大可接受年风险水平。如果人的平均寿命以70a计算,则终生可接受风险水平为7×10-5。根据式(1)中的各影响因子确定再生水风险评价的影响变量,以表1中的原始资料为基础,利用CrystalBall模拟软件中FitDiscributiong的功能构造风险变量总磷和总氮的浓度含量概率分布模型,为考虑客观存在的随机性,其余变量按照现场问卷调查数据进行拟合,建立概率分布模型;并按照式(4)~(6)建立预测模型。结合Logistic混沌序列所计算的随机数,在设定模拟次数5000次内,对再生水回用的不确定性风险评价利用CrystalBall软件进行模拟。表2为人体平均每日吸入剂量LADD再生水中各水质的含量概率分布,根据中水用于人体非直接接触的景观水体水质标准中总磷、总氮、BOD和COD的规定,当小于人体非直接接触的水质标准的阈值2.0mg/L,15mg/L,20mg/L和60mg/L时,其概率分别为93.33%,89.94%,95.60%和98.20%,且再生水中总磷、总氮、BOD和COD含量的平均值分别为0.66mg/L,5.91mg/L,1.24mg/L和6.34mg/L,均小于水质标准阈值。因此,再生水完全可以回用于人体非直接接触的景观水体用水,且再生水回用对人体产生的风险影响非常小。表3为再生水中各指标的终生非致癌概率分布,可以看出:总磷、总氮和BOD满足终生可接受风险水平为7×10-5的概率均大于90%,满足总磷、总氮、BOD、COD和NH3-N终生可接受风险水平的概率分别为99.74%、94.81%、92.66%、82.94%和87.93%。表4为再生水中各指标的Monte-Carlo模拟的敏感度分析,可以看出:总磷、总氮、BOD、COD和NH3-N的人体平均每日吸入剂量LADD与吸收速率IR、总磷浓度CA、暴露持续时间ED、暴露频率EF、暴露时间ET成正相关,与体重BW和平均暴露寿命周期LT成反相关。决定总磷、总氮、BOD、COD和NH3-N进入人体单位体重的日均暴露量大小的主要因素为吸收速率、体重和浓度。为验证改进模型的可行性,本研究利用传统的蒙特卡罗模拟算法,对再生水中的总磷和总氮的终生可接受风险水平的概率进行模拟,满足总磷终生可接受风险水平为7×10-5的概率为98.63%;满足总氮终生可接受风险水平为7×10-5的概率为93.57%,其结果与改进的蒙特卡罗模拟模型结果相近。3人体暴露量风险的影响因素利用Logistic混沌系统可简便地产生大量遍历、不重复、分布均匀的随机数,可较好的处理随机数的产生和相依结构的选取;将改进的蒙特卡罗模拟方法应用于再生水回用的风险评价,并对人体平均每日吸入剂量、终生非致癌概率及Monte-Carlo