王肇鈞，盛連喜，張 剛，王 詠，肖婷婷，毛晟儀

(1.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130117； 2.東北師范大學(xué)國家環(huán)境保護濕地生態(tài)系統(tǒng)與植被恢復(fù)重點實驗室，吉林 長春 130117)

硅藻土礦開采區(qū)顆粒物濃度特征分布及環(huán)境健康風(fēng)險評價研究

王肇鈞1，2，盛連喜1，2，張 剛1，王 詠1，肖婷婷1，毛晟儀1

(1.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130117； 2.東北師范大學(xué)國家環(huán)境保護濕地生態(tài)系統(tǒng)與植被恢復(fù)重點實驗室，吉林 長春 130117)

選擇位于白山市六道溝鎮(zhèn)山區(qū)典型的硅藻土礦點及晾坯場，采用野外現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)合健康風(fēng)險評價的分析方法，研究了硅藻土礦點和晾坯場內(nèi)工況條件下PM2.5和PM10的濃度特征，依據(jù)WHO環(huán)境空氣準(zhǔn)則值、美國和中國AQI指數(shù)對硅藻土礦點和坯場進行了健康風(fēng)險評估.結(jié)果表明：靜態(tài)工況時，礦點內(nèi)PM2.5濃度均值是(30.2±0.53) μg/m3，PM10的濃度均值是(152.47±0.46) μg/m3；坯場PM2.5濃度均值是(32.4±0.32) μg/m3，PM10濃度均值是(79.7±0.69) μg/m3.動態(tài)工況時，礦點PM2.5 和PM10的均值分別為(197.4±32.5) μg/m3和(3 055.4±205.6) μg/m3；坯場PM2.5和PM10的均值分別為(139±44.6) μg/m3和(2 195.4±135.2) μg/m3.礦區(qū)顆粒物暴露水平，靜態(tài)工況時，礦點PM2.5和PM10分別為30.2 μg/m3和152.5 μg/m3，坯場PM2.5和PM10分別為32.4 μg/m3和79.7 μg/m3；動態(tài)條件時，礦點PM2.5和PM10分別為98.7 μg/m3和1 527.7 μg/m3，坯場PM2.5和PM10分別為69.5 μg/m3和1 097.7 μg/m3.環(huán)境健康風(fēng)險評價結(jié)果表明：動態(tài)工況時(短期暴露)，礦點和坯場PM10和PM2.5濃度遠超IT-1目標(biāo)；礦點和坯場PM10的AQI指數(shù)均已超出指數(shù)上限(爆表)，而PM2.5的AQI指數(shù)也依次為很不健康和不健康、重度污染和中度污染.靜態(tài)工況時(較長期暴露)，礦點和坯場PM2.5濃度實現(xiàn)IT-3目標(biāo)，礦點PM10小于IT-2，坯場PM10高于IT-1；礦點和坯場PM2.5和PM10的AQI指數(shù)分別為二級(適中)和三級(輕度污染)、二級(良).

硅藻土；PM2.5；PM10；人體暴露；空氣質(zhì)量指數(shù)

世界范圍內(nèi)，硅藻土主要分布在中國、法國、丹麥、美國、羅馬尼亞等國家.依據(jù)探明儲量，我國硅藻土儲量僅次于美國位居世界第二位，而吉林省白山市硅藻土儲量占全國的51%以上.[1-2]天然的硅藻土主要以白色、綠色、黃色和黑色為主，[3]是由以硅藻體為主體的古代低等單細胞植物及微體水生生物硅質(zhì)遺骸組成，其中的化學(xué)成分主要是SiO2，此外還含有少量的Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，TiO2，MgO，Na2O等.硅藻體型微小，一般為幾微米至幾十微米，孔隙半徑50～800 nm[4-5].硅藻土開采后，露天存放，經(jīng)搬運、運輸?shù)韧緩?，在地表與大氣間反復(fù)揚起與沉降，導(dǎo)致環(huán)境空氣中以PM2.5和PM10等為代表的顆粒物濃度飆升，危害礦區(qū)周邊人群和生態(tài)系統(tǒng)及局域環(huán)境.PM2.5和PM10均可經(jīng)呼吸系統(tǒng)進入人體，而PM2.5可長時間停留在空氣環(huán)境中，更易于進入人體并沉積在上呼吸道，引起呼吸系統(tǒng)以及心血管系統(tǒng)等疾病.國內(nèi)外關(guān)于PM2.5和PM10對人體健康的危害及可能產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險問題已經(jīng)進行了大量的研究[6-14]，但國內(nèi)關(guān)于硅藻土礦區(qū)開采及保存等過程中產(chǎn)生的環(huán)境空氣問題及區(qū)域人群暴露影響等方面的研究報道尚少.

本文通過實地考察和實驗監(jiān)測，研究了硅藻土礦區(qū)開采活動導(dǎo)致的大氣環(huán)境顆粒物濃度的異常變化，并基于我國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012)、世界衛(wèi)生組織(WHO)環(huán)境空氣準(zhǔn)則、美國環(huán)保局(USEPA)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(air quality index，AQI)和我國環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(HJ 633-2012)技術(shù)規(guī)定(試行)對硅藻土礦區(qū)開采活動導(dǎo)致的潛在環(huán)境健康風(fēng)險進行了評價，旨在為我國綠色礦山設(shè)計和建設(shè)等工作提供參考，尤其是硅藻土礦業(yè)有序健康的發(fā)展提供借鑒.

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 區(qū)域概況

吉林省地處東北亞地理中心，地勢東高西低，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季，四季分明.年平均氣溫為2℃～6℃，冬季的平均氣溫一般在-11℃以下，夏季平原的平均氣溫一般在23℃以上.全省日照時數(shù)多年平均為2 259～3 016 h.全年平均降水量為400～600 mm，東部降雨量最多[15].

白山市位于吉林省東部長白山西側(cè)，是我國東北東部地區(qū)重要的節(jié)點城市及吉林省東南部較為重要的中心城市[16].本研究涉及的硅藻土礦區(qū)(礦點和坯場)位于吉林省白山市臨江市六道溝一帶(見圖1).該礦區(qū)1993年開始開采持續(xù)至今，已探明的礦床面積超過200 km2，其工業(yè)儲量約6億t，占世界總儲量的四分之一.

圖1 吉林省臨江市六道溝鎮(zhèn)位置

1.2 研究方法

選擇位于白山市六道溝鎮(zhèn)東某典型礦點和附近晾坯場作為研究對象，于2016年春季(3—5月)進行了實地考察和實驗監(jiān)測.

圖2為所研究硅藻土礦點(以下簡稱礦點)場區(qū)平面圖.場區(qū)內(nèi)共設(shè)置10處采樣點：1#、2#、3#采樣點位于硅藻土礦土堆存儲點周圍；4#、5#、6#、7#、8#、10#采樣點則在礦區(qū)車輛工作的運輸線路上；9#采樣點位于場區(qū)辦公區(qū).礦點一般工況時，洞采的硅藻礦土堆置于場區(qū)北側(cè)1#和2#附近，因新采礦土含水率一般高于50%，需要進行風(fēng)干及自然瀝水處置，故暫以堆土形式存放；而外運時，運輸車輛從8#礦區(qū)大門向北駛?cè)氲V區(qū)，經(jīng)過7#向西行駛到堆料區(qū)裝料土，然后車輛沿10#所在道路駛出礦區(qū)，到達公路后離開.

圖2 某硅藻土礦點場區(qū)平面圖

圖3為與上述硅藻土礦點毗鄰的晾坯場區(qū)(以下簡稱坯場)平面圖，場內(nèi)共設(shè)13處采樣點：12#、8#、1#、2#采樣點與公路相鄰；13#、3#、5#、7#、9#采樣點在土堆和坯塊中間；4#、6#、10#、11#采樣點與場區(qū)南側(cè)河流相鄰.坯場一般工況時，車輛由12#采樣點附近的場區(qū)大門進入晾坯場區(qū)裝卸硅藻土以及運送晾曬好的坯塊，完畢后再原路返回駛出場區(qū).

現(xiàn)場實驗監(jiān)測顆粒物PM2.5和PM10使用YT-HPC3000C(中國成都)型便攜粉塵儀，分辨率為1 μg/m3，示數(shù)為每分鐘均值，并同步可獲得氣濕、氣溫等環(huán)境參數(shù).監(jiān)測時，兩個場地同步展開，共計4部儀器，監(jiān)測員按照點位循環(huán)監(jiān)測，手持儀器距離地表1.5 m，每次各點連續(xù)監(jiān)測時長>20 min，記錄數(shù)據(jù)取均值.使用DEM5-1型便攜氣象觀測儀同步記錄風(fēng)向、風(fēng)速等參數(shù).使用合眾思壯GPS76記錄各采樣點經(jīng)緯度及海拔高程信息.

圖3 某晾坯場場區(qū)平面圖

2 結(jié)果與討論

2.1 無運輸車輛時(靜態(tài)工況)礦點和坯場內(nèi)顆粒物濃度特征

2.1.1 礦點場區(qū)靜態(tài)工況顆粒物濃度特征

野外實地監(jiān)測所得礦點場區(qū)內(nèi)環(huán)境空氣中PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)見表1.靜態(tài)工況時(本文內(nèi)將場區(qū)內(nèi)無車輛、工程機械等運行時稱為靜態(tài)工況時段，相應(yīng)的有車輛運行時稱為動態(tài)工況時段)，礦點場區(qū)內(nèi)PM2.5濃度均值分布范圍為25.7～44.0 μg/m3，均值為(30.2±0.53) μg/m3.

PM2.5最低濃度出現(xiàn)在9#處.9#為場區(qū)辦公區(qū)，是場區(qū)集中辦理公務(wù)和工人休息的場所，生產(chǎn)性活動較少，且有經(jīng)常性的清掃，辦公區(qū)前水泥地表較為清潔缺乏直接顆粒物貢獻源，所以該處環(huán)境空氣中顆粒物濃度水平較低.

場區(qū)內(nèi)PM2.5濃度最高點出現(xiàn)在10#.10#點是在運輸車輛必經(jīng)的場內(nèi)道路上，且為土道，坑洼不平.現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，車輛往來運輸硅藻礦土?xí)r，尚未做到對礦料進行全程遮蓋，行進中的車輛顛簸常致礦土灑落路面及道路兩側(cè).硅藻土質(zhì)輕、疏松、多孔，經(jīng)車輪碾壓后粉碎狀附著于路面，在風(fēng)力驅(qū)動下或者往來車輛擾動下，能夠形成二次揚塵并大量進入環(huán)境空氣中，且PM2.5一類細顆粒物一旦揚起進入大氣，就不易再沉降，可長時間懸浮于空氣當(dāng)中[17-18]，導(dǎo)致空氣中顆粒物濃度明顯升高.

表1 六道溝鎮(zhèn)某硅藻土礦點場區(qū)靜態(tài)工況時PM2.5濃度值

由表2可見，靜態(tài)時該礦點PM10濃度均值分布范圍為59～917.3 μg/m3，場區(qū)均值是(152.47±0.46)μg/m3.最低點出現(xiàn)在8#，8#為場區(qū)大門，臨近公路，路面硬化較好，雖坡度較大，但較為平坦，空曠且四面通風(fēng)，大氣擴散條件好；此外，車輛行至此處，可能遇到會車，一般會減速，并緩慢轉(zhuǎn)彎進入南側(cè)公路駛離.由于地形條件、擴散條件相對較好，往來車輛減速慢行通過，相對其他樣點而言，較小的擾動導(dǎo)致PM10濃度水平較低.而PM10最高濃度出現(xiàn)在10#處，原因與本場區(qū)PM2.5濃度最高值出現(xiàn)的原因相同.

表2 六道溝鎮(zhèn)某硅藻土礦點場區(qū)靜態(tài)工況時PM10濃度值

2.1.2 坯場場區(qū)靜態(tài)工況顆粒物濃度特征

實地監(jiān)測的硅藻土晾坯場內(nèi)環(huán)境空氣中PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)見表3.由表3可見，該坯場PM2.5濃度均值分布范圍為22.3～41.3 μg/m3，均值是(32.4±0.32)μg/m3.最低點出現(xiàn)在13#，13#為兩個硅藻土堆中間的位置，現(xiàn)場觀察該土堆長時間堆放，不知為何未用于制坯，堆土表面堅硬，一般干擾不易起塵，因而該處出現(xiàn)最低值；而最高點出現(xiàn)在2#，2#靠近道路，來往車輛較多，實地勘察發(fā)現(xiàn)，此處路面幾乎都是運輸車輛掉落下來的碾壓的極細的硅藻土粉末，在自然風(fēng)和車輛擾動下，地表細塵極易揚起進入環(huán)境空氣中，導(dǎo)致空氣中顆粒物濃度值處于較高水平.另外，與2#毗鄰的1#處PM2.5濃度值也明顯高于其他各點，這也支持了對2#的推理分析.先前得研究表明，礦區(qū)長時間開采后，因往來載重車輛頻繁，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)公路一方面極易損毀，增加了車輛擾動揚塵的概率；另一方面無論破損與否，公路都是礦區(qū)區(qū)域大氣污染包括顆粒物和各類氣態(tài)污染物的重要來源.[19]

表3 六道溝鎮(zhèn)某晾坯場靜態(tài)工況時PM2.5濃度值

由表4可見，該坯場PM10濃度均值分布范圍為54～118.3 μg/m3，均值是(79.7±0.69)μg/m3，其中最低點出現(xiàn)在13#，最高點出現(xiàn)在2#，其濃度分布規(guī)律及原因同PM2.5.

表4 六道溝鎮(zhèn)某晾坯場靜態(tài)工況時PM10濃度值

2.2 有運輸車輛時(動態(tài)工況)礦點和坯場內(nèi)顆粒物濃度特征

硅藻土一般采取洞采的方式，原礦含水率很高(>50%)，因此常采用露天堆存方式，待水分自然瀝干后，由場外的下游企業(yè)利用載重汽車至礦點裝載輸送.一般是運送干土，如用于生產(chǎn)食品助濾劑等；也有運送濕土的情況，如運至周邊空地制成坯塊(類似紅磚)，壘垛(類似磚垛)風(fēng)干后轉(zhuǎn)運.

運送車輛行至礦點場區(qū)內(nèi)硅藻土礦堆，由鉤機或人工裝填后外運(視裝填量多寡選擇填裝方式)，干燥后的硅藻土一經(jīng)碾壓即成粉末狀，裝車過程中干土四處飛散，尤其是工程機械或車輛發(fā)動運轉(zhuǎn)時，地面先前散落的硅藻土二次揚起，空氣中粉塵彌漫，大氣污染顯著，且隨風(fēng)擴散明顯.由車輛駛?cè)雸龅刂裂b填完畢最終駛出，一般耗時0.5～1 h.而晾坯場轉(zhuǎn)運坯塊多采用人工方式裝填，效率較低但裝車過程污染貢獻較小，污染主要是車輛駛?cè)腭偝鲈斐傻亩螕P塵.

2016年3—5月，對硅藻土礦點及鄰近的晾坯場進行了持續(xù)多天的現(xiàn)場監(jiān)測，獲得了轉(zhuǎn)運裝填過程環(huán)境空氣中PM2.5 和PM10的濃度變化規(guī)律，結(jié)果見表5和表6.礦區(qū)在動態(tài)工況下的PM2.5均值為(197.4±32.5) μg/m3，PM10均值為(3 055.4±205.6) μg/m3；晾坯場在動態(tài)工況下的PM2.5均值為(139±44.6) μg/m3，PM10均值為(2 195.4±135.2) μg/m3.

表5 硅藻土采礦區(qū)車輛運輸過程中PM2.5和PM10濃度

表6 硅藻土晾坯場區(qū)車輛運輸過程中PM2.5和PM10濃度

據(jù)我國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012)，PM2.5日均值一級標(biāo)準(zhǔn)為35 μg/m3，二級標(biāo)準(zhǔn)為75 μg/m3；PM10日均值一級標(biāo)準(zhǔn)為50 μg/m3，二級標(biāo)準(zhǔn)為150 μg/m3.為了掌握硅藻土采礦點和晾坯場動態(tài)工況時場區(qū)環(huán)境空氣中顆粒物濃度特征，將表5和表6與上述標(biāo)準(zhǔn)進行對比，可知研究時段場區(qū)內(nèi)PM2.5 和PM10均明顯超過國家標(biāo)準(zhǔn)中的二級標(biāo)準(zhǔn)限值，采礦場內(nèi)PM2.5 和PM10質(zhì)量濃度分別達到二級標(biāo)準(zhǔn)限值的2.6倍和20.4倍，而晾坯場內(nèi)PM2.5 和PM10質(zhì)量濃度分別達到二級標(biāo)準(zhǔn)限值的1.9倍和14.6倍.顯然，動態(tài)工況下裝運物料時使用工程機械和運輸車輛以及工人操作均會導(dǎo)致地表散落的硅藻土碎屑二次揚起，引起環(huán)境空氣中顆粒物濃度值飆升，甚至超標(biāo)20倍以上；晾坯場相對擾動程度弱于采礦點，因此其場區(qū)內(nèi)顆粒物濃度超標(biāo)情況也小于前者.此外，有研究[20]表明：柴油機尾氣中碳粒粒徑一般分布在0.5～20 μm范圍內(nèi)；機動車尾氣可導(dǎo)致道路兩側(cè)公交站點處PM2.5和PM10質(zhì)量濃度分別提升至46 μg/m3和47 μg/m3(均值)水平(研究組尚未發(fā)表的研究數(shù)據(jù))，對比可發(fā)現(xiàn)，機動車尾氣顆粒物對環(huán)境空氣中顆粒物質(zhì)量濃度提升有一定貢獻，但不是決定因素.

實地考察發(fā)現(xiàn)，白山地區(qū)硅藻土礦點多分布于山嶺間，采礦周期內(nèi)在山腰林帶間辟出空地，形成1 000～2 000 m2的場區(qū)，用于堆存礦土、轉(zhuǎn)運、場區(qū)辦公等，工作人員從數(shù)十人到百余人不等.頻繁密集的揚塵在相對空曠的場區(qū)雖然可以較好地稀釋擴散，但仍會對場內(nèi)人員和周邊人群產(chǎn)生暴露影響，并持續(xù)影響周邊生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境要素.尤為明顯的是降水時，距離礦點尤其是晾坯場較遠的路邊低洼處積水也呈現(xiàn)出灰白色、青綠色等與硅藻土礦土一致的顏色，表明開采的硅藻土礦土已通過大氣擴散、地表徑流等過程向周圍遷移輸送，并影響和威脅區(qū)域內(nèi)土壤、地表水等環(huán)境和森林生態(tài)系統(tǒng)安全，由采礦所引起的環(huán)境問題和生態(tài)破壞亟待引起關(guān)注.

3 硅藻土礦區(qū)人體暴露水平及環(huán)境健康風(fēng)險評價

3.1 硅藻土礦區(qū)PM2.5和PM10人體暴露水平

基于表1—6，選用礦點和坯場兩種工況下場區(qū)內(nèi)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度均值計算礦區(qū)內(nèi)人體暴露水平，計算所用的暴露濃度公式[21]為

Ci=C×T/24.

(1)

式中：Ci為暴露濃度；C為微環(huán)境的平均濃度；T為人體在污染環(huán)境中活動的時間；24為常量，表示一天24 h.結(jié)果見表7.

表7 礦點和坯場兩種工況下PM2.5和PM10濃度均值 μg/m3

經(jīng)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)和晾坯場內(nèi)均有員工宿舍和食堂等生活設(shè)施，標(biāo)準(zhǔn)工作人員一天工作8 h，并按照生產(chǎn)需求量進行必要的倒班輪換(4～8 h/班)，而且絕大部分工作人員非公休日內(nèi)全天停留在礦區(qū)內(nèi)，因此參數(shù)T選用24 h作為靜態(tài)工況參與暴露計算；而礦土和坯塊轉(zhuǎn)運則一般在白天進行，參數(shù)T選用12 h作為動態(tài)工況參與暴露計算.

暴露計算結(jié)果見表8.由表8可見，靜態(tài)條件下(較長時段)，礦點PM2.5和PM10暴露水平為30.2 μg/m3和152.5 μg/m3，坯場PM2.5和PM10暴露水平為32.4 μg/m3和79.7 μg/m3；動態(tài)條件下(較短時段)，礦點PM2.5和PM10暴露水平為98.7 μg/m3和1 527.7 μg/m3，坯場PM2.5和PM10暴露水平為69.5 μg/m3和1 097.7 μg/m3.

根據(jù)公式(1)，在微環(huán)境中工作和生活時間越長，暴露水平就越高，即暴露水平與停留時間成正比.靜態(tài)工況時，場區(qū)內(nèi)人群PM2.5暴露水平尚較低，但PM10暴露水平則明顯提高；而動態(tài)工況時，無論PM2.5還是PM10暴露水平均明顯升高，PM10暴露水平更是較靜態(tài)顯著提高10多倍，對處于其中的尤其是長期停留的人群具有極為嚴(yán)重的潛在健康威脅.動態(tài)工況雖然時段較短，屬短期暴露，但高濃度的暴露水平(1 527.7 μg/m3和1 097.7 μg/m3)極易對人體造成急性癥狀[22-23].當(dāng)前，長期的低濃度暴露日益受到重視[24-25]，限于時間和研究條件，本研究未獲得場區(qū)內(nèi)PM2.5和PM10的年均值，故本文未對礦區(qū)長期暴露問題進行分析討論，亟待后續(xù)完善和補充.

表8 硅藻土礦區(qū)兩種工況下PM2.5和PM10人體暴露水平 μg/m3

3.2 環(huán)境健康風(fēng)險評價

3.2.1 基于世界衛(wèi)生組織(WHO)標(biāo)準(zhǔn)的評價

表9為世界衛(wèi)生組織公布的空氣質(zhì)量準(zhǔn)則(2005年版)中顆粒物準(zhǔn)則值、過渡時期目標(biāo)值(interim targets，IT)，即IT-1、IT-2和IT-3.與標(biāo)準(zhǔn)中所列各限值相比，靜態(tài)工況時，硅藻土礦點和晾坯場內(nèi)PM2.5日均值均能滿足IT-3目標(biāo)限值，而礦點PM10則略高于IT-1目標(biāo)限值，而晾坯場PM10則滿足IT-2 目標(biāo)限值.但動態(tài)工況時，無論礦點還是晾坯場內(nèi)PM2.5 和PM10的日均值均遠超IT-1過渡期限值，這說明場區(qū)日常運轉(zhuǎn)必須對顆粒物源進行有效控制，否則將會對暴露人群產(chǎn)生嚴(yán)重的健康威脅.

表9 世界衛(wèi)生組織(WHO)空氣質(zhì)量準(zhǔn)則(AOGs)中顆粒物質(zhì)量濃度限值 μg/m3

在美國(20個)和歐洲(29個)進行的多城市顆粒物污染研究[26]表明，PM10的短期暴露每增加10 μg/m3(24 h均值)，死亡率將增加0.46%和0.62%.對來自西歐和北美之外的29個國家進行的Meta分析[27]發(fā)現(xiàn)，PM10暴露每增加10 μg/m3，死亡率將增加0.5%.上述研究表明，健康風(fēng)險與PM10的短期暴露密切相關(guān)，即無論發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，PM10暴露每增加10 μg/m3，死亡率將增加0.5%.因此，根據(jù)IT-1限值，PM10達到150 μg/m3，死亡率將達到5%；據(jù)此推算，當(dāng)PM10達到1 500 μg/m3時(不嚴(yán)密)，短期暴露死亡率即可達到50%.而硅藻土礦點和晾坯場工況時PM10質(zhì)量濃度值高達3 055.4 μg/m3和2 195.4 μg/m3，雖然上述高濃度值僅僅持續(xù)數(shù)10 min，但仍可對暴露于其中的人員造成致命傷害，這種短期暴露過程非常值得重視和關(guān)注.

3.2.2 基于美國標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險評價

20世紀(jì)70年代，美國最先提出了污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)(pollution standards index，PSI)，將多個污染物的信息整合在一個指標(biāo)體系中，通過發(fā)布污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，指導(dǎo)人們的日常生活行為.[28-29]隨后，世界各國基于各自的空氣質(zhì)量狀況陸續(xù)建立了適合本國特色的空氣質(zhì)量指數(shù)發(fā)布系統(tǒng)，如中國的API ( air pollution index) 和 AQI ( air quality index )、美國的PSI和AQI(air quality index)、英國的每日空氣質(zhì)量指數(shù) ( daily air quality index，DAQI) 等[30].

其中，美國環(huán)保局(USEPA)的AQI分級標(biāo)準(zhǔn)來自美國環(huán)境保護署(EPA) 官網(wǎng)(http://www.epa.gov/)發(fā)布的一系列標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，包括《每日空氣質(zhì)量報告技術(shù)幫助文檔——空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)》《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(NAAQS)》《空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)》等[30].美國標(biāo)準(zhǔn)分為6個等級，采用對應(yīng)的顏色標(biāo)志，詳見表10.

表10 美國AQI分級濃度限值

將表7數(shù)據(jù)按照美國EPA的AQI分級標(biāo)準(zhǔn)進行計算，結(jié)果見表11.由表11可見，靜態(tài)工況時，礦點和坯場空氣質(zhì)量指數(shù)級別均能達到二級，屬適中.而動態(tài)工況時，礦點PM2.5為五級，屬很不健康；坯場PM2.5為四級，屬不健康；礦點和坯場的PM10質(zhì)量濃度值均遠超最高極限值點(breakpoints)，也就是國內(nèi)俗稱的爆表，已經(jīng)超過危險級別，雖然是短期暴露，但是如此高的濃度水平仍會對暴露于其中的人群產(chǎn)生急性致病影響，應(yīng)該給予足夠的關(guān)注.

表11 基于美國EPA的AQI分級計算結(jié)果

3.2.3 基于我國相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的評價

我國AQI標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)來自于國家環(huán)境保護部發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)及《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012).根據(jù)后者，與PM2.5和PM10對應(yīng)的單項污染物的空氣質(zhì)量指數(shù)(individual air quality index，IAQI)列于表12；結(jié)合表7研究區(qū)域兩種工況下硅藻土礦區(qū)PM2.5和PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，計算得到研究區(qū)域硅藻土采礦點和晾坯場環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)，結(jié)果見表13.

表12 空氣質(zhì)量分指數(shù)及對應(yīng)的污染物濃度限值

表13 硅藻土礦區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)統(tǒng)計

由表13可見，研究期間硅藻土礦區(qū)首要污染物均為PM10.當(dāng)?shù)V區(qū)處于靜態(tài)工況時，礦點環(huán)境空氣處于三級標(biāo)準(zhǔn)，屬于輕度污染，對健康影響情況表現(xiàn)為易感人群反應(yīng)癥狀有輕度加劇，健康人群出現(xiàn)刺激癥狀，建議兒童、老年人及心臟病、呼吸系統(tǒng)疾病患者應(yīng)該減少長時間、高強度的暴露.而晾坯場環(huán)境空氣處于二級標(biāo)準(zhǔn)，空氣質(zhì)量為良，空氣質(zhì)量可接受，但某些污染物可能對極少數(shù)異常敏感人群健康有較弱影響，建議極少數(shù)異常敏感人群應(yīng)減少戶外活動.

當(dāng)?shù)V區(qū)處于動態(tài)工況時，礦點和晾坯場的AQI指數(shù)也處于爆表狀態(tài)，為了更好地說明問題，將上述爆表時段比對為AQI指數(shù)中的六級標(biāo)準(zhǔn)，即屬于嚴(yán)重污染，表現(xiàn)為健康人群運動耐受力降低，有明顯強烈的胸悶、呼吸不暢等不適癥狀，出現(xiàn)某些呼吸系統(tǒng)疾病，建議兒童、老年人和病人應(yīng)當(dāng)留在室內(nèi)，避免體力消耗，一般人群應(yīng)該避免戶外活動.由此可見，我國現(xiàn)有的試行技術(shù)規(guī)定尚需完善，其較低的上限設(shè)置無法規(guī)范諸如硅藻土礦區(qū)一類特殊的工況條件下的環(huán)境空氣質(zhì)量.相比較而言，如澳大利亞等國制定的以實測濃度和標(biāo)準(zhǔn)限值的比值進行分級的方法，沒有上限，能夠更好地反映客觀事實.

4 結(jié)論

綜合本文的研究結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

(1) 靜態(tài)工況時，硅藻土采礦區(qū)礦點PM2.5質(zhì)量濃度為25.7～44.0 μg/m3，均值是(30.2±0.53)μg/m3；PM10的質(zhì)量濃度為59～917.3 μg/m3，均值是(152.47±0.46)μg/m3.坯場PM2.5質(zhì)量濃度為22.3～41.3 μg/m3，均值是(32.4±0.32)μg/m3；PM10質(zhì)量濃度為54～118.3 μg/m3，均值是(79.7±0.69)μg/m3.動態(tài)工況時，礦點PM2.5 和PM10的質(zhì)量濃度均值分別為(197.4±32.5)μg/m3，(3 055.4±205.6)μg/m3；坯場PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度均值分別為(139±44.6)μg/m3，(2 195.4±135.2)μg/m3.

(2) 礦區(qū)顆粒物暴露水平：靜態(tài)工況時，礦點PM2.5和PM10質(zhì)量濃度為30.2 μg/m3和152.5 μg/m3，坯場PM2.5和PM10質(zhì)量濃度為32.4 μg/m3和79.7 μg/m3；動態(tài)工況時，礦點PM2.5和PM10質(zhì)量濃度為98.7 μg/m3和1 527.7 μg/m3，坯場PM2.5和PM10質(zhì)量濃度為69.5 μg/m3和1 097.7 μg/m3.

(3) 環(huán)境健康風(fēng)險評價結(jié)果表明：動態(tài)工況時(短期暴露)，礦點和坯場PM10和PM2.5質(zhì)量濃度遠超IT-1目標(biāo)；礦點和坯場PM10的AQI指數(shù)均已超出指數(shù)上限(爆表)，而PM2.5的AQI指數(shù)也依次為很不健康和不健康、重度污染和中度污染.靜態(tài)工況時(較長期暴露)，礦點和坯場PM2.5質(zhì)量濃度實現(xiàn)IT-3目標(biāo)，礦點PM10質(zhì)量濃度小于IT-2，坯場PM10質(zhì)量濃度高于IT-1；礦點和坯場PM2.5和PM10的AQI指數(shù)分別為二級(適中)和三級(輕度污染)、二級(良).

[1] 鄭水林，孫志明，胡志波，等.中國硅藻土資源及加工利用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].地學(xué)前緣，2014，21(5)：274-280.

[2] 何云霞，高麗英，王淑君，等.吉林省硅藻土礦基本特征及應(yīng)用[J].吉林地質(zhì)，2008，27(1)：25-29.

[3] 朱健，王平，雷明婧，等.硅藻土理化特性及改性研究進展[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2012，32(12): 61-63.

[4] 姜玉芝，賈嵩陽.硅藻土的國內(nèi)外開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀及進展[J].有色礦冶，2011，27(5): 31-37.

[5] 陳琳.吉林省白山市硅藻土資源可持續(xù)開發(fā)評價與對策研究[D].長春：吉林大學(xué)，2012：13-24.

[6] 張恒，周自強，趙海燕，等.青奧會前后南京PM2.5重金屬污染水平與健康風(fēng)險評估[J].環(huán)境科學(xué)，2016，37(1): 28-34.

[7] 朱健，王平，林艷，等.不同產(chǎn)地硅藻土原位控制土壤鎘污染差異效應(yīng)與機制[J].環(huán)境科學(xué)，2016，37(2): 717-725.

[8] 向華麗，楊俊，仇珍珍，等.隧道工人的PM10職業(yè)暴露特征調(diào)查分析及其健康風(fēng)險評價[J].環(huán)境科學(xué)，2015，36(8): 2768-2774.

[9] 董婷，李天昕，趙秀閣，等.某焦化廠周邊大氣PM10重金屬來源及健康風(fēng)險評價[J].環(huán)境科學(xué)，2014，35(4): 1238-1244.

[10] 殷永文，程金平，段玉森，等.上海市霾期間PM2.5、PM10污染與呼吸科、兒呼吸科門診人數(shù)的相關(guān)分析[J].環(huán)境科學(xué)，2011，32(7): 1894-1898.

[11] CHAN C K，YAO X.Air pollution in mega cities in China [J].Atmospheric Environment，2008，42: 1352-2310.

[12] POPE C A，BURNET R T，THUN M J，et al.Lung cancer，cardiopulmonary，and long-term exposure to fine particular air pollution[J].Journal of the American Medical Association，2002，287(9): 1132-1141.

[13] SILVA R A，WEST J J，ZHANG YUQIANG，et al． Global premature mortality due to anthropogenic outdoor air pollution and the contribution of past climate change [J].Environmental Research Letters，2013，8(3)：1-11.

[14] CROUSE D L，PETERS P A，VAN DONKELAA R A，et al． Risk of non-accidental and cardiovascular mortality in relation to long-term exposure to low concentrations of fine particulate matter: a Canadian national-level cohort study[J]． Environmental Health Perspectives，2012，120(5)：708-714.

[15] 趙欣勝，崔麗娟，李偉，等.吉林省濕地生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)凈化功能分析及其價值評價[J].水生態(tài)學(xué)雜志，2016，37(1): 31-32.

[16] 陳明，陳文芳，陳文萍，等.白山市水文特征[J].東北水利水電，2008，26(293): 36-44.

[17] 田剛，樊守彬，黃玉虎，等.風(fēng)速對人為揚塵源PM10排放濃度和強度的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2008，29(10): 2983-2986.

[18] 蘇彬彬，劉心東，陶俊.華東區(qū)域高山背景點PM10和PM2.5 背景值及污染特征[J].環(huán)境科學(xué)，2013，34(2): 455-461.

[19] 冷菁，張剛，徐曉峰，等.基于Unmix6.0受體模型的區(qū)域環(huán)境大氣汞源解析評價[J].東北師大學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，45(3): 146-151.

[20] 何元，王恒.柴油機排放顆粒物的觀測及分析[J].小型內(nèi)燃機，2000，29(5): 35-38.

[21] 王佳，鄭君瑜.廣州大學(xué)城學(xué)生 PM2.5暴露水平研究[J].中國環(huán)境科學(xué)，2013，33(1): 137-143.

[22] HUEGLIN C，GEHRIG R，BALTENSPERGER U，et al.Chemical characterization of PM2.5，PM10 and coarse particles at urban，near-city and rural sites in Switzerland[J].Atmospheric Environment，2005，39(4): 637-651.

[23] 李繼，郝吉明，葉雪梅，等.湖南省大氣污染物排放與人體暴露水平研究[J].環(huán)境科學(xué)，2003，24(3): 16-20.

[24] 趙霞，賈光，李秋榮，等.北京市某區(qū)苯及苯系物作業(yè)女工健康狀況調(diào)查分析[J].慢性病學(xué)雜志，2014，15(3): 167-170.

[25] 李秋虹，郭寶萍，冀宏宇，等.某企業(yè)工人砷和砷化鎵暴露水平及其健康狀況[J].環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué)，2016，(33)1: 13-17.

[26] KATSOUYANNI K.Confounding and effect modification in the short-term effects of ambient particles on total mortality: results from 29 European cities within the APHEA2 Project[J].Epidemiology，2001，12: 521-531.

[27] COHEN A.Mortality impacts of urban air pollution[G]// EZZATI M.Comparative quantification of health risks: global and regional burden of disease attributable to selected major risk factors.Geneva：World Health Organization，2004，1353-1434.

[28] CHENG W L，CHEN Y S，ZHANG J F，et al.Comparison of the revised air quality index with the PSI and AQI indices [J].Science of the Total Environment，2007，382(2/3): 191-198.

[29] 王帥，杜麗，王瑞斌，等.國內(nèi)外環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)分析和比較[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2013，29(6): 58-65.

[30] 高慶先，劉俊蓉，李文濤，等.中美空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)對比研究及啟示[J].環(huán)境科學(xué)，2015，36(4): 1141-1146.

Studyonthecharacteristicsofparticlemattersconcentrationdistributioninthediatomaceousearthoreexplorationareaandenvironmentalhealthriskassessment

WANG Zhao-jun1，2，SHENG Lian-xi1，2，ZHANG Gang1，WANG Yong1，XIAO Ting-ting1，MAO Sheng-yi1

(1.School of Environmental，Northeast Normal University，Changchun 130117，China; 2.Key Laboratory of Wetland Ecology and Vegetation Restoration，Northeast Normal University，Changchun 130117，China)

In this study，the typical diatomite mines and blank drying fields situated in the mountain area in Liudaogou Town，Baishan City was chosen in spring of 2016(March to May).Combining the on-the-spot monitoring with risk health evaluation methodology，the researchers indicated the concentration feature of PM2.5 and PM10 (working condition) in diatomite mines and blank drying fields.According to Ambient air standards of WHO，the AQI index of America and China，the researchers have made a health risk evaluation.The results are exhibited as follows: in static condition，the average concentration of PM2.5 in mines is (30.2±0.53) μg/m3；the average concentration of PM10 is (152.47±0.46) μg/m3.The average concentration of PM2.5 in blank fields is (32.4±0.32) μg/m3.The average concentration of PM10 is (79.7±0.69) μg/m3.In working condition，the average concentration of PM2.5 and PM10 in mines is respectively (197.4±32.5) μg/m3and (3 055.4±205.6) μg/m3.The average concentration of PM2.5 and PM10 in blank fields is (139±44.6)μg/m3and (2 195.4±135.2) μg/m3.In static condition，the exposure level of PM2.5 and PM10 in mines is respectively 30.2 μg/m3and 152.5 μg/m3and the same indicator in blank fields is 32.4 μg/m3and 79.7 μg/m3.In working condition，the exposure level of PM2.5 and PM10 in mines is respectively 98.7 μg/m3and 1 527.7 μg/m3and the same indicator in blank fields is 69.5 μg/m3and 1 097.7 μg/m3.In work situation (short-term exposure)，the results of environmental health risk evaluation indicates that the concentration of PM2.5 and PM10 in mines and blank fields is far more than the standard IT-1 and the AQI index of PM10 in mines and blank fields exceeds the upper limit，and the AQI index of PM2.5 shows successively four levels: very unhealthy，unhealthy，heavily polluted and moderately polluted.In static condition (long-term exposure)，the results of environmental health risk evaluation illustrate that the concentration of PM2.5 in mines and blank fields realizes the standard IT-3 and the concentration of PM10 in mines is lower than the standard IT-2，in blank fields higher than the standard IT-1 and the PM2.5 and PM10 AQI index in mines and blank fields is respectively the level 2 (moderate) and the level 3 (mildly polluted)，level 2 (good).

diatomite；PM2.5；PM10；human exposure；air quality index (AQI)

1000-1832(2017)04-0149-09

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.04.027

2016-10-24

國家自然科學(xué)基金面上項目(51478096)；東北師范大學(xué)重點實驗室開放課題(130028692)；吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)項目(JJKH20170922KJ)..

王肇鈞(1983—)，男，博士，講師，主要從事恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究； 通訊作者：張剛(1978—)，男，博士，工程師，主要從事生物地球化學(xué)研究.

X 513學(xué)科代碼610·3015

A

(責(zé)任編輯：方林)