基于LCA理論半剛性基層瀝青路面人體健康損害評價

邊亞東，豆康健，李 力，王克儉

（中原工學(xué)院，鄭州 450007）

隨著城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，帶動了城市道路建設(shè)爆發(fā)性增長。“十三五”規(guī)劃提出2020年城鎮(zhèn)化率達(dá)到60%，人均擁有道路面積15.6 m2，較2010年同比增長18.2%[1]。半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)是城市道路工程主要的路面形式，路面工程生命周期過程中排放的SO2、NO2和PM10等，進(jìn)入呼吸系統(tǒng)時刺激呼吸道，造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。長期吸入吸附在顆粒物上的SO2，可促使肺組織發(fā)生纖維性病變，導(dǎo)致肺氣腫、支氣管哮喘[2]。

當(dāng)前，關(guān)于人體健康損害評價的研究主要集中于環(huán)境毒理學(xué)領(lǐng)域，建筑、化工、煤礦行業(yè)健康損害研究評價體系已經(jīng)開展[3-5]。道路工程人體健康損害評價研究較少，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)地域性差異大，難以為多數(shù)研究者借鑒。

本文依據(jù)LCA理論，采用定額法、SimaPro軟件定量評價路面工程生命周期中的環(huán)境污染排放，分析其對人體健康損害的社會支付意愿值，結(jié)合鄭州市工程實(shí)例，針對性地提出改善的建議和方法。

1　基于LCA理論人體健康損害評價

1.1　目標(biāo)和范圍的確定

本文將路面工程中的基層和面層作為一個完整的產(chǎn)品生命周期進(jìn)行研究，分為原材料生產(chǎn)、建造、養(yǎng)護(hù)拆除三個階段，對各階段中產(chǎn)生的污染物對人體健康損害做評價。廢棄物資源的重復(fù)利用、日常維護(hù)產(chǎn)生的能耗和排放不在研究范圍之內(nèi)。

道路幾何尺寸指道路的長度、寬度和行車道數(shù)，反映道路實(shí)際的規(guī)模，在施工機(jī)械設(shè)備配合使用、原材料組成分析等方面，匹配相應(yīng)的實(shí)際工程項目規(guī)格和規(guī)模進(jìn)行數(shù)值模擬。依據(jù)實(shí)例項目情況規(guī)定鋪筑長度1 km、寬3.75 m路面結(jié)構(gòu)為5 cm AC-16+8 cm AC-25面層+34 cm基層+18 cm底基層為1功能單位，路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。道路翻修方案是將原有瀝青路面銑刨，并重新鋪筑新的瀝青面層。路面養(yǎng)護(hù)方案為銑刨5 cmAC-16面層，并重新鋪筑，道路拆除時舊路基、路面全部刨除，日常維護(hù)、廢棄材料再生技術(shù)、新路面鋪筑不在考慮范圍內(nèi)。

圖1　道路結(jié)構(gòu)

1.2　清單分析

清單分析是生命周期評價的重要環(huán)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)研究目的對所需數(shù)據(jù)的收集，本研究材料生命周期時效清單數(shù)據(jù)采用狄向華、丁寧、劉夏璐、徐小寧、歐洲瀝青協(xié)會和SimaPro軟件數(shù)據(jù)庫等，經(jīng)計算得出非金屬資源開采、化石能源供應(yīng)、電力能源模塊、瀝青、水泥、砂子、不同粒徑規(guī)格碎石、柴油的研究數(shù)據(jù)，為下文軟件模擬、人體健康損害評價提供定量化數(shù)據(jù)支持[6-10]。

1.3　影響評價

依據(jù)目標(biāo)和范圍，確定影響類型并進(jìn)行定義，將清單分析中的污染物排放劃分到相應(yīng)影響類型中，并應(yīng)用評估工具將污染物潛在的影響進(jìn)行分析，量化成相同形態(tài)或單位比較。本文研究人體健康損害主要分析呼吸系統(tǒng)疾病損害，路面工程生命周期過程中排放的SO2、NO2和PM10，導(dǎo)致人體健康損害，進(jìn)而誘發(fā)心腦血管等疾病。為確定污染物與損害終端的當(dāng)量關(guān)系，采用歸宿、效應(yīng)、損害分析過程，將污染物量轉(zhuǎn)化為健康損害類型指標(biāo)值，最終通過貨幣化分析，對比污染物健康損害大小[3]。

1.3.1歸宿分析

歸宿因子FF是指研究空間范圍內(nèi)污染物濃度增加量與污染物排放量的比值，如式（1）所示。

式中，Ci為污染物i在空間中的濃度增加值，μg/m3；Mi為污染物i年排放量，μg/a。

據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站和鄭州市環(huán)境統(tǒng)計年報數(shù)據(jù)可得，SO2、NO2和PM10的FF值如表1所示。

表1　SO2、NO2和PM10的FF值

1.3.2效應(yīng)分析

效應(yīng)因子指研究空間內(nèi)污染物單位濃度增加造成某種損害效應(yīng)發(fā)病例數(shù)的增加值，如式（2）所示。

式中，EFij為污染物i導(dǎo)致效應(yīng)終端j的效應(yīng)因子，case/（μg/（m3/a））；Pd為空間內(nèi)人口密度，P/m2；S為空間內(nèi)面積，m2；URij為單位風(fēng)險因子，人一生（70 a）暴露于單位濃度污染物i增加造成效應(yīng)終端j的病例增加數(shù)，case/（μg/m3）；Lt為空間內(nèi)人群的平均壽命，a。

損害效應(yīng)的發(fā)病率的本底值（Incidence Rate，IR）與發(fā)病率的相對增加率（Relative Risk，RR）乘積是損害效應(yīng)發(fā)病率的年增加值，單位風(fēng)險因子（Unit Rate，UR）計算如式（3）所示[3]。

污染物濃度和病例增加值的關(guān)系已得到衛(wèi)生學(xué)研究證明[11-12]。根據(jù)鄭州市統(tǒng)計年鑒，鄭州市轄區(qū)總面積7 446 km2，人口密度1 306人/km2，則SO2、NO2和PM10的EF值如表2所示。

表2　SO2、NO2和PM10的EF值

1.3.3損害分析

本文為表示損害因素對人體健康的損害而選用傷殘調(diào)整健康損失年（Disability Adjusted Life Years，DALY）指標(biāo)，將不同的損害終端發(fā)病例數(shù)轉(zhuǎn)化為同一量綱、同一類型指標(biāo)表示的健康效應(yīng)[13]。

DALY包括因早逝所致壽命損失年（Years of Life Lost，YLL）和失能或病后傷殘所致的健康生命損失年（Years of Life with Disability，YLD），如式（4）所示，單位為a/case。

YLD由傷殘持續(xù)時間L和傷殘權(quán)重D確定，傷殘權(quán)重取值范圍為0～1，以評估不同傷殘狀態(tài)健康損害程度，0表示健康，1表示死亡，如式（5）所示。

YLL取決于標(biāo)準(zhǔn)期望壽命損失年，即研究區(qū)域一年中受損害效應(yīng)終端導(dǎo)致各年齡組預(yù)期生命損失年總和除以受損害效應(yīng)終端導(dǎo)致的死亡人數(shù)，如式（6）所示。

式中，DRij為年齡組i的死亡率；PRi為年齡組i人口占總?cè)丝诒戎兀籐Ei為年齡組i期望壽命。

根據(jù)現(xiàn)有病理學(xué)研究成果，呼吸系統(tǒng)疾病住院傷殘權(quán)重及發(fā)病具體持續(xù)時間為0.050 0、0.002 7，則YLD值為1.35E-04a，呼吸系統(tǒng)疾病急性死亡YLL值為13.70 a[14]。

1.3.4貨幣化分析

本文路面工程生命周期健康損害評價體系采用貨幣化法確定健康損害類型的權(quán)重，能直觀地反映出人體健康損害水平。

依據(jù)人力資本法成果，采用購買力平價法（Purchasing Power Parity，PPP）間接地計算出我國居民單位DALY的WTP值（Value of Life Year，VLY）[15]。據(jù)世界銀行數(shù)據(jù)顯示，美國居民生命價值為500萬～1 200萬美元，2016年中美兩國按PPP衡量人均國民總收入為15 470美元和58 700美元。據(jù)此得出中國居民生命價值為132.8萬～316.2萬美元，取中間值224.5萬美元，推算出中國居民VLY值為3.207萬美元，即1.924E+05元。

通過健康損害評價模型，得到單位質(zhì)量污染物健康損害社會支付意愿值，如表3所示。

2　實(shí)例分析與評價

筆者將已經(jīng)建立的健康損害評價體系、功能單位生命周期清單數(shù)據(jù)、單位質(zhì)量污染物社會支付意愿值、SimPro軟件應(yīng)用到工程實(shí)例分析中，得到實(shí)際工程的呼吸系統(tǒng)健康損害表現(xiàn)。實(shí)例選取鄭州市某道路工程——城市1級道路，全長14.12 km，雙向八車道。基于功能單位清單分析，實(shí)例分析不考慮道路流水施工等影響，工程清單數(shù)據(jù)等同于113個功能單位進(jìn)行分析與評價。

本研究數(shù)據(jù)來源主要采用定額數(shù)據(jù)及工程資料，基于定額量化預(yù)估方法研究道路工程生命周期的資源、能源消耗。道路材料運(yùn)距如表4所示，道路建設(shè)階段能源的使用，參考《公路工程機(jī)械臺班費(fèi)用定額》中機(jī)械設(shè)備臺班消耗數(shù)據(jù)，依據(jù)《公路工程預(yù)算定額》確定資源消耗量，如表5所示，每功能單位建造和養(yǎng)護(hù)拆除階段能源消耗如表6、表7所示。

表3　污染物社會支付意愿值

表4　道路材料運(yùn)距

表5　每功能單位路面結(jié)構(gòu)生命周期原材料消耗

表6　每功能單位建造階段能源消耗

表7　每功能單位養(yǎng)護(hù)拆除階段能源消耗

通過能源折算系數(shù)折算得到，養(yǎng)護(hù)拆除階段能耗為566 211.13 MJ，建造階段能耗為910 295.67 MJ，占比62%。其中，建造階段原材料和固廢運(yùn)輸消耗的資源較大，瀝青混合料拌和階段能耗高于水泥穩(wěn)定混合料能耗，其主要原因在于瀝青混合料加熱消耗大量的能源。

由表3單位質(zhì)量SO2、NO2和PM10造成的WTP分別為0.116 3元/a、0.166 3元/a和0.945 0元/a。污染物造成呼吸系統(tǒng)疾病住院和急性死亡的WTP為6.37E-04和1.227元/a。運(yùn)用SimaPro軟件模擬實(shí)例工程生命周期污染物排放量，如表8所示，則可得各個階段的社會支付意愿值。

社區(qū)矯正將地點(diǎn)設(shè)定在社區(qū)，其初衷是希望犯罪人員能夠通過與社區(qū)人員、環(huán)境的接觸，借助社會的力量盡早融入社區(qū)生活。而實(shí)踐中，社會力量較少參與社區(qū)工作，這與社區(qū)矯正的初衷背道而馳。司法所不僅要對社區(qū)服刑人員加強(qiáng)法制宣傳，更要對廣大社區(qū)居民進(jìn)行社區(qū)矯正宣傳，提高他們對社區(qū)矯正工作的認(rèn)可度，號召大家參與社區(qū)矯正工作，幫助服刑人員盡快回歸社會。

表8　生命周期污染物排放及造成的支付意愿值

評價結(jié)果顯示，該路面結(jié)構(gòu)生命周期健康損害WTP為247 899.56元/a。其中，PM10造成的健康損害最高，為189 000元/a，其次是NO2和SO2。原材料生產(chǎn)階段是生命周期過程中造成健康損害最高的階段，為228 404.96元/a，占全部的92.13%。

因此，在路面工程生命周期過程中，降低原材料生產(chǎn)污染物排放成為重點(diǎn)，水泥穩(wěn)定混合料考慮使用經(jīng)過處理的再生骨料，增加材料循環(huán)次數(shù)，降低污染物排放。在原材料加工制備、道路工程施工等過程中增加揚(yáng)塵污染物抑制設(shè)備，降低顆粒物對人體的健康損害。

3　結(jié)語

對于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)生命周期過程產(chǎn)生的典型污染物SO2、NO2和PM10進(jìn)行呼吸系統(tǒng)健康損害評價，采用定額法結(jié)合工程資料，定義路面結(jié)構(gòu)功能單位，計算每功能單位資源、能源消耗，通過SimPro軟件模擬計算得出各個階段的污染物排放量。通過歸宿、效應(yīng)、損害、貨幣化分析，將污染物對人體呼吸系統(tǒng)造成的潛在影響用貨幣化形式表達(dá)。結(jié)合鄭州市某典型道路，對其路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康損害評價研究，結(jié)果表明，PM10造成的健康損害最高，其次是NO2和SO2；原材料生產(chǎn)階段造成健康損害最高，占比達(dá)92.13%；呼吸系統(tǒng)疾病的最大健康威脅為急性死亡。