楊淑英,孫娟,沈浩松,冷艷秋
(山東省環境保護科學研究設計院,山東 濟南250013)
鑒定科學
ResearchPaper
大氣估算模型在我國環境污染損害司法鑒定中的應用
楊淑英,孫娟,沈浩松,冷艷秋
(山東省環境保護科學研究設計院,山東 濟南250013)
目的 針對大氣環境污染損害鑒定評估中的溯源技術難點,根據《環境損害鑒定評估推薦方法(第 II版)給出的環境損害因果關系適用判定方法,為環境管理、環境司法等提供技術支撐。方法 以某氟材料制品公司火災事故損害鑒定為例,研究提出了科學嚴謹的過火失重-環境預測-因果關系的鑒定評估技術方案,根據確定的失重源強,采用國家環境保護部發布的SCREEN3估算模型進行數值模擬。結果從模擬結果可見,在假定最大源強下,火災產生的氟化物最大影響距離不超過500 m,該范圍內沒有受損果園,可以確定果木減產與公司火災不存在明顯的因果關系。結論表明應用SCREEN3大氣估算模型可實現保守科學定量化的污染損害溯源,對大氣環境污染損害鑒定評估領域的因果關系判定具有重要的指導意義。
大氣估算模型;環境污染損害鑒定;因果響應
環境污染損害鑒定評估是綜合運用經濟、法律、技術等手段,對環境污染導致的損害范圍、程度等進行合理鑒定、測算,出具鑒定意見和評估報告,為環境管理、環境司法等提供技術支撐。根據《環境損害鑒定評估推薦方法(第 II版)》,環境損害鑒定評估的主要工作內容包括污染物屬性鑒別、損害確認、因果關系判定和損害數額量化。本文結合實際案例給出了運用大氣預測模型判定污染損害空間范圍與因果關系的技術方法。
2013年6月2日17時許,山東某氟材料制品公司生產車間發生火災,事后消防、安監和環保等職能部門均到場進行了現場調查,認定該火災為普通事故,火災當時及事后未開展環境應急方面的監測工作。
事故發生3天后,該公司北向直線距離為1.5 km附近的果園有落果現象,受損的33戶果農以火災產生有毒煙氣導致果樹樹葉和果實脫落造成果園大部分減產為由,向該公司提出賠償事宜,并于2014年6月起訴至當地法院。果農提供的舉證材料未證實農作物受損是否是由受到氟化物污染引起,而該公司認為其主要物料具有耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、不粘附和無毒害等特性,受損農戶的果木減產與公司無任何關系,并向當地人民法院提交書面鑒定申請一份,申請法院對公司發生的火災與原告果木減產之間是否存在因果關系進行鑒定。
火災事故發生于2013年6月2日,當地法院委托鑒定受損因果關系的時間為2015年1月30日,時間跨度大,現場踏勘時,果園已無法看出當時的受損情況,而火災事故現場也已清理完畢。果木受損后,糾紛兩方均未進行任何受損作物氟化物含量監測,且受損果園和蘑菇大棚均已跨越了至少近兩個生長季,已無法通過作物氟化物含量檢測給出因果關系判定。
根據環境保護部2014年發布的《環境損害鑒定評估推薦方法》(第II版)[1],可綜合利用現場調查、環境監測、生物監測、模型預測或遙感分析等方法初步確定人身損害、財產損害或生態環境損害的可能范圍。在本次因果關系鑒定過程中,引入模型預測對火災事故產生的二次污染物影響范圍進行模擬,計算其最大落地濃度及影響距離,從而確定其影響范圍及對果園區的貢獻值,進而確定火災事故是否影響果園。
1.1事故企業概況
1.1.1企業概況
事故公司位于山東某鎮級工業園,除該公司外,周圍1 km范圍內沒有其他氟制品企業。公司產品為聚四氟乙烯模壓級粉料和粒料,年生產能力為300t。主要原料為聚四氟乙烯,輔料為玻璃纖維、石墨、青銅粉,另涉及少量乙醇作濕潤劑。造粒時,不同產品,輔料添加比例不同,添加范圍為15%~40%不等。生產工藝為粉碎、篩選、造粒、烘干等過程,產品屬于本身無毒害的塑料制品,造粒和烘干最高溫度為380℃左右。該公司環保手續齊全。
1.1.2廠區布置及聯合車間布置
事故公司廠區呈長方形,南北長200 m,東西寬100 m。生產車間位于廠區中央偏南,尺寸為88 m× 42 m,鋼結構,車間高度為3 m~4 m不等,以3 m高為主,局部為3.8 m和4.2 m。車間將整個廠區一分為二,北部空余用地種植了小麥,廠區南部從西向東分別種植了蔬菜和景觀草皮,蔬菜種類以西紅柿、蕓豆和黃瓜為主,輔以其他季節性綠葉菜。廠內沿路種植了一些行道樹或景觀樹。踏勘現場期間,聯合廠房已拆除,車間地面及附近草叢中仍有少量遺留的聚四氟乙烯產品或原料的焚燒剩余物。
據保險公司存貨殘骸查勘信息,存貨區包括倉庫和生產區,具體為大廳倉庫存貨區(含原料、半成品和成品)、東倉庫存貨區、烘箱內半成品區、東冷庫存貨、粉碎車間、西冷庫區域。事發時儲存的原料、半成品和成品均為不同性狀的聚四氟乙烯,輔料材料為玻璃纖維、石墨和青銅粉,并有少量的溶劑乙醇。廠區及車間信息見圖1。
1.1.3物料損毀情況
據保險公司損毀名細,原料、半成品和成品儲存量分別為24931.04kg、20543.53kg和17140kg。原料、成品均采用紙板桶儲存,規格為25 kg/桶,尺寸以Φ40cm×高35cm為主,其他少量尺寸為Φ50cm×高35 cm或Φ45 cm×高35 cm,桶內均內襯PE塑料袋2層,塑料袋尺寸為80cm×90cm。半成品大廳區包裝為紙板桶,桶規格以Φ40cm×高35cm為主,還有少量規格為Φ50 cm×高35 cm的紙板桶,桶內均內襯PE塑料袋2層,塑料袋尺寸為80 cm×90 cm;烘箱內半成品為不銹鋼烘盤儲存,未損毀;東冷庫內的半成品包裝形式為鍍鋅鐵桶,鐵桶標準規格為Φ60 cm×高80 cm,內襯兩層塑料袋,塑料袋尺寸為160cm×100cm,每桶物料裝存量不一。
1.2企業周圍農作物分布及果園信息
1.2.1果園及食用菌大棚分布信息
與公司火災事故產生環境污染糾紛為兩個村莊,其糾紛場地為兩處果園和一處食用菌大棚。根據第三方某測繪公司出具的測繪證明,兩處果園距離火災事故車間分別為740m和1673m,方向為NNW向;食用菌大棚距離為905m,方向為NNW偏北。

1.2.2周圍其他農作物分布
氟制品公司廠界外側分布有大量農田,事發時主要作物為冬小麥,尚未收割。根據當地公眾媒體的報道,2013年度當地小麥收割時間約為6月20日之后,火災事發時小麥已進入成熟期。
另據公司現場照片,公司廠區內聯合車間外側北部約10 m之外種植了兩塊麥田,占地面積約為9500m2。廠區車間南側為菜地和草坪,菜地面積約為900 m2,種植作物以西紅杮、蕓豆和黃瓜為主,還有少量其他季節性蔬菜。從照片來看,火災發生后,廠內蔬菜生長勢頭仍保持原狀,未見其受火災影響。
2.1糾紛事故發生后利害關系人訴求
火災事故發生3天后,兩個糾紛村莊農民反映有其果園出現了落葉、落果和葉片邊緣焦黃現象,懷疑是火災企業產生的有毒氣體導致了落葉、落果和葉片邊緣焦黃的發生。當地農業部門于事故發生日6天后介入,針對兩個村莊各出具了一份測產報告,當地受損農戶依據測產報告,委托第三方出具了資產評估報告,而后受損農戶以火災產生有毒煙氣導致果樹樹葉脫落和果實脫落造成果園大部分減產為由,向涉事公司提出賠償事宜。涉事公司認為,落葉落果原因是極端天氣,且農業部門出具的測產報告和第三方出具的資產評估報告均為受損報告,未進行任何受損作物氟化物含量監測。
受損農戶以“環境污染責任糾紛”為由訴訟至當地法院后,第一次庭審階段,雙方主要圍繞火災事故是否產生含氟有毒氣體展開。
2.2火災事故遺存現場踏勘結果
火災發生時,各種涉及聚四氟乙烯的物料以不同形式貯存于車間內,從火災存留照片來看,公司火災損毀物質以紙桶、紙桶內襯PE袋為主,存放的少量酒精全部燒毀,不同的存放形式,導致火災后物料堆存形態不一。從保險公司現場拍攝的照片和錄像來看,紙制原料或成品包裝桶基本燒掉,兩層PE袋燒結,上沾有白色聚四氟乙烯粉料;周轉鐵桶內兩層PE袋內襯過火區燒結,但周轉鐵桶未燒化,上面沾有聚四氟乙烯粉料。
保險公司在損毀清單中對不同儲存區的物料均進行了詳細標注,包括堆高、包裝方式、內存物質種類、規格、色澤、組分等。源強計算時按照聯合廠房內聚四氟乙烯原料、半成品及成品不同堆放區的過火表面積進行核算,其中原料儲存區過火表面積為338m2,中間成品過火表面積為235m2,成品過火表面積為270m2。依據包裝桶和包裝袋燃燒照片,可認為黑色燃燒層為包裝物燃燒后的殘體,裸露的白色部分為聚四氟乙烯,同時裸露的白色聚四氟乙烯表面未見明顯的熔融現象。為保守起見,本報告的失重量以1mm的燒結層厚度計算失重量,計算結果高于現場實際情況。經計算,燒結的聚四氟乙烯量約為1.632kg。
填充材料石墨粉和青銅粉均為不燃物且難熔,玻璃纖維熔點(680℃左右)低于石墨粉和青銅粉,但玻璃纖維過火后未出現熔化后的玻璃珠狀態,間接說明火場煙溫低于其熔化點。
聚四氟乙烯表面與兩層PE袋接觸部分有分布均勻的黑色燒結層,層厚約1 mm,從性狀來看,主要成分應為PE袋燒結剩余物。其他物質均未參與燃燒,這與各種儲存物質的安全技術參數基本一致。
2.3火災事故中企業污染物排放溯源
2.3.1火災現場煙氣層溫度的確定
聯合廠房為碳素鋼結構(夾層為玻璃巖棉),頂部由外到內依次為彩鋼瓦/巖棉/防火鋁箔錫紙,窗戶鋼塑結構。根據文獻[2]認為可根據火場金屬熔點確定火場溫度,鋼的熔點為1430℃。鋼材強度在0~250℃內基本沒有變化,在250℃時強度略有增加,300℃以上強度開始下降,500℃以上強度為原來的1/2,600℃以上強度為原來的1/6~1/7,強度幾乎為零。另文獻[3]可知,在未采取消防措施的火災中,火場溫度通常會達到800~1 200℃,該溫度下具有較高導熱性能的鋼結構一般會在15min左右,就會出現塑性變形,產生局部損壞,并徹底喪失承載能力導致整體垮塌[2]。公司采用夾芯鋼板作為間隔墻和外墻,內部以具有較高保溫性能巖棉作為填充材料,金屬夾芯板在800~1200℃的耐火極限約10min左右。
從整個火災時間來看,火情持續時間為120min,其中干粉滅火時間約5 min,但未控制火情,消防水槍滅火時間為110min,鋼結構車間垮塌發生在火災2 d后。根據對保險公司、消防人員及公司技術人員口頭詢問,車間頂部未發現明顯變化,車間電線銅線漆膜燒損,但銅線完好。火災后包裝焚毀的玻璃纖維未發現輕微玻璃珠現象,聚四氟乙烯除與PE內襯接觸部分表層呈黑膠狀,內部未發現熔融現象。參照文獻[4]可知,較高處銅線漆膜燒損,但銅線完好,說明較高處溫度小于1100℃;低碳鋼制成的鋼結構支撐扭曲、變形,說明局部溫度可能高于700℃,車間2天后才垮塌說明火災時高溫時間較短;聚四氟乙烯除表面與PE接觸部分呈黑膠狀,內部未發現熔融現象,玻璃纖維未發現燒結后的玻璃珠現象,說明該區域火場溫度應該在680℃以下。
綜上所述,火災過程中溫度呈曲線上升的過程,隨著消防救援的開始,高溫區又呈曲線下降過程,從火場現狀實際情況來看,超過700℃以上的高溫時段持續時間較短,救援過程中的溫度大部分時間應該在700℃以下,部分已滅火區域甚至更低。
2.3.2現場遺跡與模擬試驗對照情況
勘查期間,車間焚燒后的物料基本清理,現場遺存的聚四氟乙烯物料呈分布均勻的黑色燒結層,層厚約1mm。為驗證火災事故發生時聚四氟乙烯的燃燒及熱解情況,本院于2015年5月12日于事故公司進行了焚燒試驗。模擬試驗時間為可燃燒物質點燃起至試驗材料無明火產生,總時長約20min左右。模擬焚燒試驗結果黑色板結層厚度也不足1 mm,從性狀來看,主成分應為PE袋燒結剩余物。
2.3.3焚燒產生的污染物判定
根據文獻[5-6],并經咨詢專家可知:聚四氟乙烯屬于耐熱材料,在260℃以內可長期使用,超過260℃以上開始出現失重,超過500℃熱解反應速率加快。超500℃左右時,熱解反應主要成分為四氟乙烯單體,其占比超過95wt%以上,熱解溫度在800℃左右時,熱解煙氣中成分仍以四氟乙烯單體為主,占比超90%以上。溫度繼續升高至1200℃左右時,熱解煙氣中四氟乙烯單體占比約80%,六氟丙烯、八氟異丁烯、氟光氣等污染量增加,占比約為20%,熱解煙氣在明火情況下可燃。
根據本次火災物質損毀情況及現場照片,并經專家討論,在假定本次火災產生表面熱解的前提下,聚四氟乙烯(PTFE)熱解的基本產物為四氟乙烯(TFE),當反應溫度繼續升高時,TFE會發生二次反應,生成六氟丙烯(HFP)、八氟環丁烷(OFCB)、八氟丁烯(OFB)和八氟異丁烯(OFCB)等小分子化合物。各種熱裂解氣在明火情況下進一步燃燒,遇濕會生成少量氟化氫類氣體。
酒精和PE塑料產生的廢氣主要為CO2和H2O,CO2為空氣中的固有組分,參與植物的光合作用,本次鑒定不作為次生污染物考慮。PE塑料不完全燃燒時還會產生鏈烴和多環芳烴,鑒于本次事件關注污染為氟化物,其他污染因子不再贅述。
火災時廢氣污染物產生情況見表1。
2.3.4火災事故產生的污染物對果樹苗木的影響
根據表1,火災事故產生的污染物主要為氟化物、CO2、H2O,還包括少量不完全燃燒的鏈烴及多環芳烴。其中氟化物以四氟乙烯為主,還有少量的六氟丙烯(全氟丙烯)、全氟異丁烯等混合氣體,還可能產生極少量的氟光氣,裂解氣明火情況下進一步燃燒后產物為CO2和HF。其中CO2、H2O為植物光合作用所需物質,不作為污染物進行討論,其他污染物質對作物的影響文獻查閱結果見表2。
從文獻查閱結果來看,全氟丙烯、四氟乙烯、全氟異丁烯和氟光氣未查到對植物的相關影響,鏈烴未查到對植物的影響,多環芳烴僅查到土壤中多環芳烴對植物的影響。氟化氫對植物的影響文獻較多,對桃、杏、桑樹等經濟作物影響明顯,其中急性毒性初期葉片容易出現典型癥狀。
2.3.5火災事故假定污染物產生量的確定
從公司生產特點來看,車間內儲存的聚四氟乙烯以粉料或造粒料為主,在明火狀態下紙板桶及內襯PE塑料與空氣接觸部分均燒毀,周轉鐵桶內襯PE塑料燒結,車間未發生爆炸事故。從對現場救援人員的身體健康調查來看,所有人員在未著防護服和防毒面具的情況下,均未發生輕、中及重度中毒現象,聚四氟乙烯原料、半成品和成品,除包裝物表面燒結外,內部物料外觀上未發生改變,說明桶內物料除表面溫度略高外,內部溫度較低,未達到相應裂解溫度。
從最不利角度考慮,本次鑒定將PE塑料燒結層假定為聚四氟乙烯熱解,熱解層厚度由現場遺存燒結物和模擬試驗結果確定,即約1 mm,假定該厚度的聚四氟乙烯發生了高溫熱解,熱解產物主要是四氟乙烯及少量的其他裂解氣,裂解氣在超過400℃的明火中進一步燃燒生成氟化氫。
從查閱到的資料來看,聚四氟乙烯可分解成多種產物,多數對植被未見有害報道,其中以氟化氫對植物影響最重。本次按照最不利情況考慮,即燒結后聚四氟乙烯中的氟元素全部生成氟化氫進行考慮。
根據純聚四氟乙烯的分子式,即[C2F4]n,其中氟的比重約為76%,本次聚四氟乙烯燒結量為1.632kg,則參與裂解的氟量為1.240kg。按照摩爾比推算,折算成氟化氫的量為1.305kg。
本報告假定PE焚燒殘體全部為聚四氟乙烯熱解層,以1 mm的燒結層厚度計算,聚四氟乙烯燒結量約為1.632 kg。在假定前提下,火災事故聚四氟乙烯主要熱解氣體以四氟乙烯為主,其次為少量的六氟乙烯、八氟環丁烷及極少量的全氟異丁烯和氟光氣等混合氣體。熱解氣在明火情況下燃燒產生小分子氟化物,遇濕會形成氟化氫等。
從可查閱的文獻看,聚四氟乙烯可分解成多種產物,多數對植被未見有害報道,其中以氟化氫對植物影響最重。本次按照最不利情況考慮,即燒結煙氣中氟化氫排放量為1.305kg。
鑒于目前國際上和國內尚無很適合火災情形下大氣污染物擴散模擬的模型,因此確定采用環境部發布的《環境影響評價技術導則 大氣環境》HJ2.2-2008推薦模式-SCREEN3(2008.1.5 V1.0)[7]。該模型采用了單源高斯煙羽擴散模式,適合模擬小尺度范圍內流場一致的氣態污染物的傳輸與擴散,可用于模擬點源、面源、線源、體源、逆溫、海岸線等的下風向軸線上的最大濃度;一般來說,同等計算參數條件下,SCREEN3模式估算的地面濃度大于等于采用ISC3模型(或AERMOD模式)用全部氣象數據和地形數據計算的濃度,因此計算結果是相對保守的。對于本次火災情形,簡化以經驗理論模型SCREEN3來模擬是保守的、可行的。排放源參數見表3。

表1 損毀物料火災事故廢氣污染物產生表

表2 火災事故廢氣污染物對植物影響研究結果

表3 火災煙氣污染源參數表
以2013年6月2日17時的氣象資料證明為基礎,確定風速4.8 m/s、氣溫26.8℃為基準,總云量取內插值3、低云量取內插值為0,根據《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》GB/T13201-91規定的大氣穩定度劃分方法,可見當時的大氣穩定度只能為D類。然后設定風速浮動計算4.5 m/s和5.1 m/s情形,大氣穩定度均為D類,設定排放源高度3m、5m和10m,總計9類計算方案見表4。采用國家環境保護環境影響評價數值模擬重點實驗室發布的SCREEN3估算模型,對9類計算方案分別計算最大濃度出現距離、最大可能超標距離、不同下風向距離上的濃度分布情況,并篩選出其中的最大值,作為本次事故的最大影響程度和范圍確定結果。
可見,在最保守的計算方案,最大預測結果的情形下,下風向740~905 m范圍均未出現超標現象,濃度相對較低。
從表5中可以看出,此次火災事故最大落地濃度為139.6 μg/m3,出現在距離車間邊緣80 m處,即位于廠區內,預測至740 m處的果園南邊界,落地濃度為9.538 μg/m3,預測至蘑菇棚90 m米南邊界,落地濃度為6.614 μg/m3,能夠滿足《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)1 h平均濃度限值要求。從預測結果來看,短時間內火災產生的氟化物對下風向作物種植區有一定影響,但達標范圍基本控制在500m以內,且屬于短時間影響,超過500 m,貢獻值較低,基本不會影響其作物生長。

表4 計算方案設定

表5 各計算方案的最大濃度結果
本次鑒定評估采用了過火失重-環境預測-因果關系的鑒定評估技術方案,根據確定的失重源強,采用國家環境保護部認可的SCREEN3程序進行數值模擬,從模擬結果看出,在假定最大源強下,火災產生的氟化物最大影響距離不超過500 m,該范圍內沒有糾紛果園的存在。基于以上因素,根據目前所能收集到的證據和掌握的所有環境數據,上述果木減產事件與某氟材料公司本次火災事故之間不存在明顯因果關系。
大氣環境污染損害因果關系存在取證難、周期長的特點,本次鑒定受理時間發生于事件兩年后,現場存留痕跡無法直接進行因果關系判定,本案例嘗試將預測模型引入損害鑒定,并針對現場情況和當時的氣象條件提出了多種預測方案,并選擇最保守方案確定影響范圍,確保了因果關系判定的科學和嚴謹性。
在鑒定過程中,關鍵物質聚四氟乙烯定損量和物質熱解層厚度依據現場留存照片、遺留物質樣品、模擬焚燒試驗,并對現場參與人員進行回訪后確認,聚四氟乙烯熱解煙氣中物質組分及含量引自文獻,熱解后廢氣成分以影響最大的氟化氫進行認定,污染濃度及影響距離等計算結果應該大于實際情況。
[1]環境保護部環境規劃院.環境損害鑒定評估推薦方法[M].第2版.北京:中國環境科學出版社,2014.
[2]朱小勇.火場勘察中確定火場溫度的幾種方法[J].安徽消防,1998,(8):28.
[3]金仁.鋼結構建筑防火三要領[N].建筑時報,2014-05-05(4).
[4]金立贊.鋼結構廠房火災后檢測評估實例[J].住宅科技,2011,(S1):129-131.
[5]梁翾翾,張小平.聚四氟乙烯熱裂解研究[J].化學工業與工程,1988,(4):314-318.
[6]楊志新.聚四氟乙烯熱解聚反應的應用研究[J].機械工程材料,1998,(4):21-24.
[7]環境保護部.環境影響評價技術導則-大氣環境HJ2.2-2008[S].北京:中國環境科學出版社,2009.
[8]徐麗珊.大氣氟化物對植物影響的研究進展[J].浙江師范大學學報,2004,(1):66-71.
[9]王繼臣.大氣氟化物對植物的傷害及其測試分析方法[J].安徽農業科學,2008,(11):4650-4651.
[10]王茜,石瑛,張猛,等.氟化物的危害及植物去氟作用研究進展[J].現代農業科技,2012,(7):271-273.
[11]徐勝,王慧,陳偉,等.土壤中多環芳烴污染對植物生理生態的影響[J].應用生態學報,2013,(5):1284-1290.
(本文編輯:馬 棟)
Application of Atmospheric Estimation Model in the Forensic Appraisal of Environmental Pollution Damage
YANG Shu-ying,SUN Juan,SHEN Hao-song,LENG Yan-qiu
(Shandong Academy of Environmental Science,Jinan 250013,China)
Objective Tracing the source is difficult in the atmospheric environment damage assessment.Causality identification methods in the Recommended Approach of Environmental Damage Assessment(II)provide technical support for environmental management,environmental forensics,etc.Method According to a fire accident occurred in a fluorine material products company,the proposal includes burnt weightlessness,environmental prediction and causality response. Based on the weightlessness source intensity,the SCREEN3 estimation model released by the Ministry of Environmental Protection was used to simulate the influence.Results According to the simulation results,under the assumed maximum source intensity,the fluoride in fire would not spread more than 500 meters.Within this range,there was no orchard.So the causality between the fruit production and the company fire was not obvious.Conclusion By applying the SCREEN3 atmospheric estimation model,tracing the source of the atmospheric environment damage assessment could be achieved conservatively,scientifically and quantitatively.It provides reference for the causality identification of the atmospheric pollution damage assessment.
atmospheric estimation model;environmental damage assessment;causality response
X197
Adoi:10.3969/j.issn.1671-2072.2016.05.004
1671-2072-(2016)05-0024-08
2016-03-04
國家自然科學基金項目(21277059)
楊淑英(1974—),女,高級工程師,主要從事環境污染控制工作。E-mail:yangyunsi@126.com。