工業(yè)園區(qū)及周邊氮氧化物人群暴露場景分析研究*

劉鴻志 王紅梅 李宇婷 王 琛 趙 慈 劉曉宇

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2.中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會，北京 100082； 3.北京交通大學(xué)理學(xué)院，北京 100044)

氮氧化物(NOx)包括N2O、NO、NO2、N2O3和N2O5等，NOx的工業(yè)排放源主要有燃煤、化肥生產(chǎn)、冶煉等。過量NOx會造成大氣污染、酸雨和健康效應(yīng)，給生態(tài)環(huán)境和人體健康帶來一定損害。我國政府高度重視控制NOx排放，“十二五”期間將NOx納入控制性約束指標(biāo)[1]。然而，目前環(huán)境風(fēng)險評價實踐中對NOx的污染空間分布判斷主要以占標(biāo)率(即預(yù)測濃度與標(biāo)準(zhǔn)值的比值)來衡量[2]。占標(biāo)率評價的前提是將所有區(qū)域的土地利用功能視為同一類，忽視了不同土地利用類型下人群活動模式的暴露差異，無法精準(zhǔn)識別健康風(fēng)險控制區(qū)。最新《規(guī)劃環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則》(2018年征求意見稿)明確要求“評價指標(biāo)應(yīng)符合評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境特征，體現(xiàn)社會公眾對環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)功能不斷改善的要求”?？梢姡_展區(qū)域NOx的暴露情景分析對完善現(xiàn)有規(guī)劃環(huán)境影響評價的指標(biāo)設(shè)計具有重要意義。暴露評價是對人群暴露于環(huán)境介質(zhì)中有害因子的強(qiáng)度、頻率、時間、暴露的途徑和方式進(jìn)行測量、估算或預(yù)測的過程，是進(jìn)行風(fēng)險評價的定量依據(jù)[3]。

傳統(tǒng)暴露評價方法是通過暴露監(jiān)測結(jié)合接觸污染物頻次開展的暴露計量[4]。然而，對于區(qū)域集中排放的工業(yè)園區(qū)而言，暴露監(jiān)測具有一定時效性，只能反映特定時間范圍內(nèi)企業(yè)綜合排放對環(huán)境的影響，在行業(yè)企業(yè)常規(guī)管理時并不適用。從產(chǎn)能、削減控制等管理目的出發(fā)，應(yīng)考慮到已獲排放許可企業(yè)在不同排放強(qiáng)度時產(chǎn)生的健康影響。為探索建立暴露場景下的健康風(fēng)險區(qū)識別技術(shù)，本研究以西部某典型工業(yè)園區(qū)NOx的健康風(fēng)險區(qū)識別為例，按現(xiàn)有企業(yè)以滿負(fù)荷排放為暴露場景，探索基于土地利用類型的情景暴露量估算方法。

1 研究對象與方法

選取西部某典型NOx排放的工業(yè)園區(qū)為研究對象，對其大氣排放源、產(chǎn)能負(fù)荷、項目環(huán)境風(fēng)險評估情況、監(jiān)測數(shù)據(jù)及周邊土地利用類型等進(jìn)行調(diào)研，并對園區(qū)及其周邊的人群開展暴露參數(shù)調(diào)研，用于確定不同土地利用類型對應(yīng)的暴露參數(shù)。

1.1 大氣排放源調(diào)研

共調(diào)研含有相關(guān)大氣排放源的企業(yè)28家，其中包括石油化工廠10家、油脂廠4家、機(jī)械廠3家、食品廠2家、塑業(yè)管業(yè)類企業(yè)2家、棉花廠1家、木材加工廠1家、化肥廠1家、黏合劑廠1家、混凝土廠1家、危險廢物處理廠1家、貨物存儲場1家。統(tǒng)計NOx排放源共54個。通過現(xiàn)場訪談、現(xiàn)場勘察、項目環(huán)境風(fēng)險評價報告、監(jiān)測報告等獲取大氣排放源數(shù)據(jù)。

1.2 NOx空間分布預(yù)測

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

研究對象所在地區(qū)2015、2016、2017年氣象數(shù)據(jù)較為類似，因此本研究預(yù)測時僅采用2017年的氣象數(shù)據(jù)，起止日期為2017年1月1日至2017年12月31日。氣象站站點(diǎn)坐標(biāo)為(82.618°E，41.575°N)。

1.2.2 預(yù)測方法

采用EIA Pro軟件對NOx空間分布進(jìn)行預(yù)測，為了模型簡化，預(yù)測時不考慮地形高程，將研究區(qū)域視作為平坦地形；將預(yù)測點(diǎn)設(shè)在地面，不考慮煙囪出口下洗情況；預(yù)測不涉及NOx的沉積，面源計算不考慮干去除損耗；不考慮建筑物下洗與城市效應(yīng)；不考慮NOx化學(xué)反應(yīng)；對全部排放源速度優(yōu)化；不考慮擴(kuò)散過程的衰減，忽略夜間城市邊界層到白天對流邊界層的轉(zhuǎn)換。按各NOx排放源滿負(fù)荷生產(chǎn)計算NOx排放強(qiáng)度，以此進(jìn)行NOx空間分布預(yù)測。

1.3 基于土地類型的人群暴露情景分析

對工業(yè)園區(qū)及周邊不同土地利用類型的人群活動模式開展調(diào)研，調(diào)研范圍為園區(qū)內(nèi)及其邊界外延伸5 km，假定預(yù)測年內(nèi)的人群暴露方式與調(diào)研時類似。

1.3.1 人群活動模式調(diào)研

人群活動模式調(diào)研采用派駐調(diào)查員入村入戶隨機(jī)發(fā)放問卷、協(xié)助填寫的方式進(jìn)行。本調(diào)查共發(fā)放問卷800份，經(jīng)最終審核，回收有效問卷779份。問卷對象包含各類社會人員，包括辦公室人員、車間工人、農(nóng)民、學(xué)生、教師、家庭婦女等。問卷調(diào)查的內(nèi)容主要包括人群基本信息(年齡、性別、體重等)、職業(yè)類型、暴露方式、暴露時間等。對不同土地利用類型暴露參數(shù)采用平均水平基礎(chǔ)上的風(fēng)險假定最大化原則設(shè)定。

1.3.2 人群情景暴露劑量

不同土地利用類型的人群情景暴露劑量計量方法借鑒國際通用的大氣暴露評價方法(見式1)。

(1)

式中：ADD為NOx日均暴露劑量，mg/(kg·d)；c為大氣中NOx質(zhì)量濃度，mg/m3；IR為日呼吸量，m3/d；ET為每天暴露的持續(xù)時間占比；EF為暴露頻次，d/a；ED為暴露持續(xù)時間，a；BW為暴露人群平均體重，kg；AT為預(yù)期暴露總時間，d。

2 結(jié)果與分析

2.1 人群暴露信息調(diào)研結(jié)果

經(jīng)分析，園區(qū)周邊村莊的居民主要從事家庭式個體經(jīng)營、種植、養(yǎng)殖等活動。參與問卷的男性占比53.6%，女性占比46.4%。問卷對固定職業(yè)人員的工作年限進(jìn)行調(diào)研，其中工作年限在1年以內(nèi)的占14.9%，工作1～3年的占23.5%，工作3～5年的占7.1%，工作5年以上的占54.5%。調(diào)研結(jié)果顯示，該地大部分人員職業(yè)比較固定，本研究對工業(yè)企業(yè)場地暴露評價時以工人最大工作年限計算。

體重信息為評價日均暴露劑量的一個重要參數(shù)，進(jìn)行問卷調(diào)查時現(xiàn)場記錄受訪者體重。經(jīng)統(tǒng)計，男性平均體重為70.44 kg，女性平均體重為56.73 kg。其中，年齡小于20歲的受訪者平均體重為58.20 kg，年齡在20～60歲的受訪者平均體重為63.93 kg，年齡大于60歲的受訪者平均體重為62.44 kg。

對不同土地利用類型的人群活動模式進(jìn)行調(diào)研。對工業(yè)企業(yè)類土地活動人群假定為上班時間的室外暴露情景為主，考慮到其可能存在的加班因素，從最大暴露情景出發(fā)，將每天暴露時間設(shè)定為12 h。對周邊農(nóng)用類土地的人群活動模式調(diào)研，獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者農(nóng)耕時間(見表1)。

表1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者年均暴露時間

由表1分析可知，該地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者年農(nóng)耕時間在5個月及以上者達(dá)60.3%，占絕大多數(shù)，年農(nóng)耕時間在3～<5個月者占23.1%，在1～<3個月者占10.1%，小于1個月者占6.4%。經(jīng)現(xiàn)場問詢，農(nóng)耕時間小于1個月者屬于臨時采摘人員，此類人員占比較少。調(diào)查顯示，農(nóng)耕時間內(nèi)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者在農(nóng)業(yè)區(qū)地里停留時間在3～5 h/d的占43.4%；停留時間在5 h/d以上的占29.9%；停留時間在1～3 h/d的占20.5%。本研究采用情景風(fēng)險最大化設(shè)定原則，將農(nóng)耕時間的暴露時間設(shè)定為5 h/d。

本研究同時對其他大氣暴露源進(jìn)行了調(diào)查，研究區(qū)域內(nèi)超過94%的受訪者表示經(jīng)常打掃家中衛(wèi)生，家中不存在過多積塵。因此，室內(nèi)空氣污染源不作為考慮對象。據(jù)調(diào)查，研究區(qū)域的主要采暖方式有煤爐、集中供暖和生物質(zhì)(木柴等)燃燒供暖，平均采暖期為4個月。市區(qū)以集中供暖為主流，周邊農(nóng)村則以煤爐、生物質(zhì)燃燒為主。本研究在計算NOx空間分布時將園區(qū)內(nèi)供熱類鍋爐均納入其中，因農(nóng)村人口稀疏，其家庭供暖產(chǎn)生的廢氣源可忽略不計。

據(jù)地方疾病統(tǒng)計信息調(diào)查，該地目前不屬于腫瘤高發(fā)地，不屬于有特殊地方病地區(qū)。

2.2 基于土地利用類型的人群暴露參數(shù)

園區(qū)及其周邊的地塊根據(jù)土地利用類型分為學(xué)校區(qū)、工業(yè)區(qū)、辦公區(qū)、商業(yè)區(qū)、居住區(qū)、農(nóng)用區(qū)、空白用地等?，F(xiàn)場調(diào)研確定不同地塊的土地利用類型及人群活動模式，成人及兒童的日呼吸量取值參考文獻(xiàn)[5]，居住區(qū)人群的暴露年限按70年計，日暴露時間按最大量24 h計算，學(xué)校區(qū)在校學(xué)生平均年齡為12歲，按在校時間為6年，日暴露時間按8 h計算，工業(yè)企業(yè)土地一般使用年限為40年，則假定工業(yè)區(qū)、辦公區(qū)及商業(yè)區(qū)工作人群暴露年限為40年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者按20歲開始從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，生產(chǎn)暴露年限按40年計，本研究對空白用地暫時按農(nóng)用區(qū)的暴露情景設(shè)定，不同土地利用類型的人群暴露參數(shù)匯總見表2。

2.3 NOx空間分布預(yù)測

將調(diào)研獲取的大氣排放源相關(guān)數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)等輸入EIA Pro軟件，對研究區(qū)NOx空間分布進(jìn)行預(yù)測，得到研究區(qū)內(nèi)大氣NOx預(yù)測值超出0.2 mg/m3的高污染區(qū)域，結(jié)果見表3。

從表3可以看出，如果僅考慮NOx空間疊加分布濃度，WZ鎮(zhèn)、SY駕校、WZ財政所是工業(yè)園區(qū)NOx排放的高污染區(qū)。

2.4 基于土地利用類型的人群暴露水平預(yù)測

將不同土地利用類型的人群活動模式暴露參數(shù)輸入EIA Pro軟件，得到了基于不同土地利用類型的人群暴露水平預(yù)測，在毒性因子固定的情況下，該結(jié)果直接反映了人群健康風(fēng)險程度。人群NOx日均暴露劑量≥0.05 mg/(kg·d)的高暴露區(qū)預(yù)測結(jié)果見表4。

表2 不同土地利用類型的人群暴露參數(shù)

表3 NOx高污染區(qū)信息1)

表4 基于土地利用類型的NOx高暴露區(qū)信息

由表4可見，在考慮土地利用類型的暴露水平預(yù)測下，NOx高暴露區(qū)與NOx高污染區(qū)存在一定差異，更多的居住區(qū)(GKARG村、SGSG一村、SGSG二村、YQKL村和KMQRG村)成為情景暴露潛在的健康風(fēng)險區(qū)。

3 討 論

長期過量的NOx暴露易引起支氣管炎和肺氣腫等病變，誘導(dǎo)早衰、支氣管上皮細(xì)胞發(fā)生淋巴組織增生，甚至肺癌等病變[6]。因此，對于NOx排放集中的工業(yè)園區(qū)，開展NOx高暴露區(qū)預(yù)測對源頭污染控制具有重要意義。

目前，對于識別NOx排放影響區(qū)域而言，環(huán)境監(jiān)測法[7]或大氣排放預(yù)測法[8]是比較成熟的方法。環(huán)境監(jiān)測法由于時效性以及設(shè)備、人工等的花費(fèi)的局限，只能在有限的范圍內(nèi)應(yīng)用。對于環(huán)境管理手段，更多要考慮到不同產(chǎn)業(yè)、行業(yè)的產(chǎn)能控制、基于情景-費(fèi)效的健康風(fēng)險削減管理。大氣排放預(yù)測法在區(qū)域多排放源空間疊加預(yù)測時具有一定的優(yōu)勢，已被廣泛地應(yīng)用于區(qū)域環(huán)境風(fēng)險評價中[9]。然而，現(xiàn)有環(huán)境影響評價實踐與土地利用類型脫節(jié)，僅以占標(biāo)率來評估污染物擴(kuò)散時對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，忽視了不同土地利用類型下人群暴露模式的差異，導(dǎo)致在識別健康風(fēng)險區(qū)時顯得不足。為彌補(bǔ)以上缺陷，本研究發(fā)展了基于土地利用類型的NOx情景暴露區(qū)識別技術(shù)，其核心為基于現(xiàn)有企業(yè)排放預(yù)測基礎(chǔ)上，將每塊土地的人群活動模式可能接觸并吸入的污染物量進(jìn)行估算，以其暴露量作為衡量風(fēng)險大小的依據(jù)，該技術(shù)在國際上已有一定應(yīng)用[10]，但在工業(yè)園區(qū)的應(yīng)用實踐較少。

本研究選取我國西部某工業(yè)園區(qū)開展研究，園區(qū)內(nèi)有多種類型的企業(yè)，包括石油化工、精細(xì)化工、化肥生產(chǎn)等。根據(jù)排放源信息，EIA Pro軟件預(yù)測NOx高污染區(qū)在WZ鎮(zhèn)、SY駕校、WZ財政所等居住、駕校、辦公區(qū)域。對研究區(qū)域人群活動模式進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型的人群暴露參數(shù)差異較大，因此在考慮人群暴露參數(shù)的情況下，NOx高暴露區(qū)與NOx高污染區(qū)有一定差異?；谕恋乩妙愋偷腘Ox情景暴露量預(yù)測顯示，NOx最高暴露區(qū)在WZ鎮(zhèn)，與NOx最高污染區(qū)相同，但更多的居住區(qū)被列入NOx高暴露區(qū)，如GKARG村、SGSG一村和SGSG二村等，成為NOx健康風(fēng)險控制的重點(diǎn)區(qū)域。相比于忽視土地利用類型的占標(biāo)率評價，本研究提出的暴露場景可以更加準(zhǔn)確地描述暴露導(dǎo)致的區(qū)域人群健康風(fēng)險。由于人群是大氣污染物的損害對象，為真正體現(xiàn)人體健康風(fēng)險防范，建議在對工業(yè)園區(qū)現(xiàn)狀環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行評價時引入與土地利用類型相關(guān)的人群情景暴露評價指標(biāo)。

4 結(jié)論與展望

以某工業(yè)園區(qū)的NOx污染排放為例，將土地利用類型與其對應(yīng)的人群暴露參數(shù)相結(jié)合，建立了更為科學(xué)的NOx健康風(fēng)險區(qū)識別技術(shù)。該技術(shù)對于調(diào)整土地利用類型，合理安排“生產(chǎn)、生活、生態(tài)”的空間分布具有重要意義。未來，可以嘗試?yán)迷摷夹g(shù)提升工業(yè)園區(qū)情景-費(fèi)效的環(huán)境管理水平，推動大氣資源的精準(zhǔn)定價，為大氣環(huán)境管理的經(jīng)濟(jì)手段提供科學(xué)的依據(jù)。