基于概率風險分析的填埋場安全防護距離研究

徐 亞,劉玉強,能昌信,王 琪,3,黃啟飛,董 路*(1.中國環境科學研究院, 環境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 100012；2.中國環境科學研究院,固體廢物污染控制技術研究所,北京 100012；3.北京師范大學,地下水污染控制與修復教育部工程研究中心,北京 100875；4.北京師范大學水科學學院,北京 100875)

基于概率風險分析的填埋場安全防護距離研究

徐 亞1,2,3,4,劉玉強1,2,能昌信1,2,王 琪1,2,3,黃啟飛1,2,董 路1,2*(1.中國環境科學研究院, 環境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 100012；2.中國環境科學研究院,固體廢物污染控制技術研究所,北京 100012；3.北京師范大學,地下水污染控制與修復教育部工程研究中心,北京 100875；4.北京師范大學水科學學院,北京 100875)

針對危險廢物填埋場(HWL)的建設運行現狀和環境事故發生特點,確定以防滲層事故性破損為最大可信事故,以破損后滲濾液滲漏導致的人體健康危害為目標,提出了基于概率風險的HWL安全防護距離(SPD)確定的基本原則、方法和流程.對中部地區某HWL的安全防護距離進行了計算和不確定性分析,結果表明:考慮不同防護對象(污染物)情形下,計算得到的SPD值有所差異:以Cr的致癌危害,Cr、無機氟化物和Zn的非致癌危害為防護對象時,SPD值分別等于620、448、355和0m;不確定性分析表明受降雨量、水文地質參數不確定性的影響,SPD值存在較大的不確定性,經過P95校正的SPD為990m,大于GB 18598-2001中規定的800m的防護距離;最后文章指出安全防護距離的確定受場區降雨和蒸發條件、水文地質條件、填埋場接納和填埋廢物類型及其防滲系統配置等諸多因素影響,因此應該針對不同填埋場及其特征劃定其SPD值,不宜采用一刀切的方法,統一規定HWL的安全防護距離.

概率風險；安全防護距離；滲濾液；健康風險

近年來,我國固體廢物填埋尤其是危險廢物填埋產業迅速發展[1-2].基于收集和運輸成本考慮,多數危險廢物填埋場均建立在城市周邊等人口密集區域[3],公眾反對意見不絕,企業布局環境風險凸顯[4].如2011年,已啟動環境影響評價的北京阿蘇衛垃圾填埋場附屬工程(焚燒廠)在周邊居民激烈反對下一度擱淺,最終停止建設[5].公眾反對的主要原因是該項目離居民點太近,而爭論的焦點則是“多遠才算足夠遠？”.

針對這一問題,我國固體廢物填埋場相關標準中曾給出明確規定,如《一般工業固體廢物貯存、處置場污染控制標準》(GB18599-2001)[6]規定廠界應距居民集中區500m以外;《危險廢物填埋污染控制標準》(GB 18598-2001)[7].規定場界應位于居民區800m以外然而一方面我國土地資源緊張、用地矛盾突出,500m(800m)的選址要求導致很多填埋場一址難求;另一方面,某些填埋場防滲層破損嚴重,運營管理不規范,存在嚴重的環境安全隱患,目前的防護距離設置難以起到安全防護的目的.為此,環境保護部2013年第36號公告[8]明確規定不再統一劃定危險廢物填埋場(HWL)的安全防護距離(SPD),而應根據環境影響評價結論確定HWL場址的位置及與周圍人群的距離.

然而文獻研究表明國內迄今尚無專門的填埋場 SPD確定方法或相關技術標準.筆者針對我國HWL建設運行現狀和環境事故發生特點,確定以防滲層事故性破損為最大可信事故,以破損后滲濾液滲漏導致的人體健康危害為目標,提出了危險廢物填埋場SPD確定的基本原則和方法.

1 SPD確定的原則和方法

安全防護距離(SPD)是指在發生火災、爆炸、泄漏等環境安全事故時,防止和減少對人員傷亡、中毒、鄰近裝置和財產破壞所需要的最小的安全距離.目前常用方法包括三種[9]:經驗距離法(Experience Distance, ED)、基于后果的方法(Consequence Based Distance, CBD)和基于風險的方法(Risk Based Distance, RBD). ED法為定性方法,通過參考專家經驗,或者類比同類項目確定,科學性較差[10];CBD和RBD均為定量方法,其中CBD考慮最不利事故[11],以保護周圍人群在最不利事故條件下不受傷害為依據;RBD同時考慮事故的發生概率及其后果,以保護周圍人群在“最大可信事故(MCA)”條件下不受傷害為依據[12-13].

RBD方法是建立在區域定量風險評價(QRA),或稱概率風險評價(PRA)之上的,該方法最初由美國核管會(NRC)提出[12]用于核設施的風險評估,此后該方法被迅速推廣到其他行業[1,14-16].

1.1 RBD方法的原理和方法

RBD方法的原則是保證在MCA發生的條件下,周圍居民不受健康危害的最小距離. 因此其計算流程可概述如下:

首先,確定MCA及其發生概率;

第二步為后果計算,給出 MCA條件下的傷害等值線;

第三,確定健康危害可接受水平,并結合健康危害等值線圖確定SPD;

最后,進行不確定性分析,給出經過不確定性校正的安全防護距離(CSPD).

1.2 MCA及其后果計算

1.2.1 MCA確定 HWL可能發生的環境安全事故,及其后果和可能性分析見表1.

表 1表明防滲層破損導致的滲濾液滲漏是危險廢物填埋場中發生概率較大,且污染后果較為嚴重的事故,因此取其為 MCA,這與文獻[17-18]的研究結果也是一致的.

1.2.2 MCA概率計算 采用統計分析法確定防滲層破損的概率及大小.采用偶極子方法對國內 80家填埋場(包括生活垃圾填埋場和一般工業固廢填埋場)進行的防滲層破損檢測,經過統計分析得到其漏洞面積的累計頻率曲線,見圖 1.參考水利、氣象災害等領域取累計頻率為99%(大于等于該面積漏洞出現的概率是 1%,即百年一遇)的破損面積為 MCA下的破損面積[19-20].根據圖 1,確定 MCA 下的破損面積為7.8m2/hm2,大于等于該面積的概率為1%.

表1 HWL主要環境風險事故分析Table 1 Analysis on the main environmental accidents in the HWL

1.2.3 MCA后果計算 后果計算對防滲層破損條件下滲濾液滲漏的人體健康危害進行計算,確定健康危害的等值線圖.包括兩個部分,首先計算滲濾液滲漏條件下的地下水污染物濃度,其次根據污染物濃度及其毒性參數計算人群飲用被污染地下水的健康危害值.

滲濾液滲漏條件下的地下水中污染物濃度采用下式計算:

式中:Cj表示地下水中第j種污染物的濃度,mg/L; A=a1, a2, a3,……, ai,代表與滲濾液產生量有關的參數,包括場區降雨量和蒸發量、封場后地表坡度和植被類型等參數;B=b1, b2, b3,……, bi,代表與滲濾液滲漏量有關的參數,包括防滲系統結構、導排系統特性、庫底坡度和防滲層破損面積等參數;D=d1, d2, d3,……, di,代表與滲濾液中污染物在包氣帶和地下水中運移有關的參數,包括包氣帶和含水層厚度、包氣帶和含水層滲透系數,以及包氣帶和含水層水動力彌散系數等參數;x、y和t分別代表x坐標、y坐標和時間軸坐標;f1代表滲濾液滲漏條件下地下水中污染物濃度計算模型,詳情參見文獻[1].

人群飲用被污染地下水的健康危害值,分別考慮污染物的致癌效應和非致癌效應,采用劑量-效應模型進行計算其致癌風險值和非致癌危害商,相關公式及所需參數見文獻[1].

1.3 SPD確定

1.3.1 健康危害可接受水平 對于非致癌危害,取非致癌危害商等于1為健康危害可接受水平;對于致癌危害,取致癌風險等于 10-6為健康危害可接受水平.

1.3.2 SPD確定 根據1.2.3計算得到的健康危害為距離(與填埋場)的單調遞減曲線(圖 2),結合

1.3.1確定的健康危害可接受水平,就可以確定HWL的SPD值.

當存在多種污染物,且不同污染物計算得到的安全防護距離不同時,取其最大值最為SPD值.

1.3.3 CSPD計算 在進行地下水污染物濃度計算時,需要輸入降雨量、包氣帶和含水層厚度、包氣帶和含水層滲透等諸多參數,這些參數在時間和空間上均存在變異性[17],即不確定性.參數的不確定性會導致地下水中污染物濃度計算的不確定,進而影響安全防護距離的確定.為此,采用Monte Carlo方法模擬參數的不確定性,結合后果計算模型得到 SPD的累計概率分布,取其 95%分位值(P95)作為校正后的 SPD,即CSPD.

圖2 SPD確定示意Fig.2 Sketch of SPD computation

2 案例研究

案例研究中的危險廢物填埋場位于中部某內陸省份,填埋場設計庫容為 27.4萬 m3,庫底面積約2.5hm2,填埋高度約11m(地面以下6m地面以上 5m).根據該填埋場設計規劃,擬處理的危險廢物主要為:含鋅廢物、無機氟化物和含鉻廢物,因此將Zn、F和Cr作為安全防護的目標污染物,以其健康危害作為填埋場安全防護距離的確定依據.

根據該填埋場的水文地質勘測報告,場區地質穩定性好,無活動斷裂,地質條件較為簡單.填埋場庫底下方依次為13m左右的非飽和土層、15m左右的潛水含水層以及隔水層.潛水含水層為附近居民的供水水源,因此以其作為地下水污染濃度和健康危害程度評估的對象.

表2 模型計算所需的主要參數Table 2 Summary of main input parameters

2.1 模型參數

1.2.3節中后果計算所需參數及其來源如表1所示,來源一欄中:“實測”表示通過現場實測得到的數據;“設計資料”表示根據該填埋場的工程設計報告確定;“地勘數據”表示根據填埋場的水文地質勘測報告確定;“文獻”表明缺少實測數據,通過參考文獻確定,其中滲濾液中污染物濃度取HWL入場浸出濃度限值[7].

2.2 SPD計算結果

防滲層事故性破損條件下滲濾液滲漏污染地下水導致的人體健康危害計算結果見圖 3.從圖 3中可以看出,考慮不同防護對象條件下的安全防護距離不同.如圖3(a)所示,以Cr及其致癌危害為防護對象,SPD值為620m;以Cr的非致癌危害為防護對象,SPD值為 355m;以無機氟化物的非致癌危害為防護對象SPD值為448m;而若只考慮 Zn的健康危害,那么可以不設置防護距離(即防護距離等于0).如需全面考慮所有污染物的危害及防護效果,應該選擇最大值,即620m作為安全防護距離.

圖3 健康風險的空間分布Fig.3 Spatial distribution of health risk value

2.3 分析與討論

2.3.1 不確定性分析-SPD值校正 為分析降雨量、水文地質參數等不確定性對安全防護距離計算的影響,采用1.3.3節所述的Monte Carlo方法對分析復合因素不確定性影響下SPD的概率分布. 主要考慮的參數包括降雨量、包氣帶厚度和滲透系數、含水層厚度和滲透系數,其取值見表3,計算得到的SPD的頻率分布見圖4.從圖中可知P95值等于990m,即CSPD等于990m.

表3 模型不確定性參數及取值Table 3 Uncertain parameters and their value

圖4 不確定性條件下的SPD頻率分布Fig.4 Frequency distribution of SPD with the consideration of uncertainties

需要說明,采用P95值對SPD進行校正是考慮較不利情形下的安全防護要求,即場區連年出現豐雨年份、包氣帶存在局部滲透系數偏大、厚度較薄等有利于滲濾液產生、滲漏和擴散的氣象和水文地質條件.當認為CSPD值較大,難以滿足選址要求時,可以對場區降雨和水文地質條件進行進一步調查分析,若調查結果表明場區不會出現上述不利情形,則可直接取SPD值作為實際的安全防護距離.

2.3.2 GB 18598—2001中防護距離的探討 國家環境保護部2001年頒布的《危險廢物填埋場污染控制標準》[7]中對HWL的SPD值做了明確規定,即“填埋場場界應位于居民區800m以外”.然而根據本文的案例研究,該填埋場廠界與最近居民點(或地下水取水點)距離只要大于620m即可滿足防滲層事故性破損情況下,周邊居民安全用水的要求,即SPD值等于620m.另外,根據上文計算,當主要防護污染物為無機氟化物時,SPD等于448m即可滿足要求;而當污染物為Zn時,甚至無需設置 SPD.因此可以推斷對于主要接納廢物為含Zn或含無機氟化物的HWL,其SPD值可以大幅減小.進一步可以推斷,即使對于主要接納廢物為含Cr廢物的HWL,當其實行更嚴格的防滲要求,所選廠址的包氣帶具有更強的截污能力,含水層具有更強的自凈能力時,其SPD值也可以適當減小.

上述分析說明,HWL的SPD受場區降雨和蒸發條件、水文地質條件、填埋場接納和填埋廢物類型及其防滲系統配置等諸多因素影響,因此應該根據不同填埋場特征確定其安全防護距離.這與環境保護部 2013年頒布的第 36號公告[8]內容也是一致的-該公告中明確規定“不再統一劃定危險廢物填埋場的安全防護距離,而應根據環境影響評價結論確定HWL場址的位置及與周圍人群的距離”.

3 結論

針對我國HWL建設運行現狀和環境事故發生特點,確定以防滲層事故性破損為最大可信事故,以破損后滲濾液滲漏導致的人體健康危害為目標,提出了基于概率風險的危險廢物填埋場SPD確定原則、方法和流程.在此基礎上,以中部地區某HWL填埋場為例進行了SPD的計算和不確定性分析,得出以下結論:考慮不同防護對象(污染物)情形下,計算得到的SPD值有所差異:以Cr的致癌危害,Cr、無機氟化物和Zn的非致癌危害為防護對象時,SPD值分別等于620、448、355和0m;不確定性分析表明受降雨量、水文地質參數不確定性的影響,SPD值存在較大的不確定性,經過P95校正的SPD(CSPD)為990m,大于GB 18598—2001中規定的800m的防護距離;安全防護距離的確定受場區降雨和蒸發條件、水文地質條件、填埋場接納和填埋廢物類型及其防滲系統配置等諸多因素影響,因此應該針對不同填埋場及其特征劃定其SPD值,不宜采用一刀切的方法,統一規定HWL的安全防護距離.

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[8] 環境保護部.關于發布《一般工業固體廢物貯存、處置場污染控制標準》(GB18599-2001)等 3項國家污染物控制標準修改單的公告 [Z]. 北京:環境保護部, 2013.

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A probabilistic risk-based method to determine the safety protection distance for solid waste landfill.

XU Ya1,2, LIU Yu-qiang1,2, NAI Chang-xin1,2, WANG Qi1,2,3, HUANG Qi-fei1,2, DONG Lu1,2*(1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012；2.Research Institute of Solid Waste Management, Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, China；3.Engineering Research Center for Groundwater Pollution Control and Remediation, Beijing Normal University, Beijing 100085, China；4.College of Water Science, Beijing Normal University, Beijing 100085, China). China Environmental Science, 2017,37(7)：2786～2792

Based on the analysis of hazardous waste landfill (HWL)’s characteristics of construction, operation and environmental accidents, this paper identifies its maximum credible accident as the damage of linear system, and determines the safety protection objective as preventing people around the site free from the harm due to drinking groundwater contaminated by leachate leakage. Furthermore, it proposes a probabilistic-risk based method, as well as principles and procedures underlying, to determining the Safety protection distance (SPD). This method was then applied to calculate the SPD for a HWL in the central China. The result indicates that: with the consideration of different contaminants, the SPD varies from the maximum value of 620m for the protection purpose of Cr’s carcinogenic effect, and the medium value of 448m and 355m for the protection purpose of Cr and inorganic fluoride’s non-carcinogenic effect, to the minimum value of zero for the protection of Zn’ hazardous effect. In addition, being influenced by the uncertainties of precipitation, depth of vandose and aquifer, and saturated permeability of vandose and aquifer, there is great uncertainties in the value of SPD. The corrective SPD is 990m and greater than the value of 800m regulated in the standard of GB 18598—2001. This paper finally pointed out that a specific value for each HWL with the consideration of variance in precipitation, hydrogeological condition, types and toxicities of

waste, and characteristics of linear system, rather than a uniform value for all HWL should be recommend in determining the SPD.

probabilistic risk；safety protection distance；leachate；health risk

X820.4

A

1000-6923(2017)07-2786-07

徐 亞(1985-),男,湖南岳陽人,主要從事固體廢物處置與環境風險控制技術研究.發表論文20余篇.

2016-11-30

國家科技支撐計劃(2014BAL02B03);國家自然科學基金項目(61503219);中央級院所基本科研業務專項重點項目(2016YSKY14);山東省自然科學基金(ZR2014DL008)

* 責任作者, 研究員, donglu@126.com