垂直綠化對工業園區PM2.5污染防治的健康經濟效益評估*

王 鵬 梅 丹 熊尚琳 劉 蘋#

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院,湖北 武漢 430081;2.武漢科技大學湖北省工業安全工程技術研究中心,湖北 武漢 430081)

隨著我國工業化的快速發展,工業污染物大量排放,導致空氣污染日益嚴重[1]。當前的城市大氣環境逐步轉化為以細顆粒物(PM2.5)作為首要污染物,不僅對城市大氣能見度造成巨大影響,還能直接進入人體呼吸器官,危害人體健康[2]。據全球疾病負擔項目估算,2016年PM2.5暴露的致死人數為410萬,傷殘調整壽命年(DALYs)為1.06億年,分別占全球死亡人數的7.5%和DALYs的4.4%[3]。大量環境流行病學研究表明,許多城市和工業環境中PM2.5污染是心血管疾病和死亡的重要風險因素,且有顯著的因果關系[4]。

綠化是有效降低空氣污染的手段之一。首先,綠化植物能夠降低風速使顆粒物(PM)沉降到植被葉表或地面;其次,植物葉片表面絨毛和分泌性物質能夠滯留大量的PM2.5,也可在光合作用中通過葉片氣孔和皮孔吸收PM2.5,形成滯塵效應,凈化空氣[5-6]。因此,利用植物減輕環境中的PM污染被認為具有很大的潛力[7]。毛敏等[8]通過研究發現,綠化可減少街道峽谷內排放至外界大氣中的PM含量。閆珊珊等[9]比較了綠化墻面與無綠化墻面對周邊PM2.5的影響,發現有綠化墻面PM2.5平均濃度較無綠化墻面低10%左右。

在當前城市用地緊張的情形下,工業園區建設因建筑廠房高密度布局,很難實現大面積種植植物形成綠地。垂直綠化作為一種新型的綠化技術,不僅可以緩解城市熱島效應、營造城市景觀、提升工人視覺舒適感、緩解疲勞、提高工作效率,還可以降低PM濃度、改善空氣質量、降低人群健康風險,而且對土地或建設空間的要求較低,可以通過模塊化快速形成,避免了大型植物栽種生長周期長等問題,便于實現。目前垂直綠化技術的發展較為成熟,主要由構造、基質、灌溉3方面組成,對于各類型工業建筑有模塊化植生墻系統種植、直壁容器式培植、草坪毯式掛植等多種方式。因此,垂直綠化在綠色工業園區建設中具有巨大的潛力,然而受污染源和垂直綠化相對高度的影響,不同垂直綠化高度對工業園區PM2.5污染的改善效果尚需結合實例進一步探討研究。

ENVI-met是研究植被結構、綠帶規劃、植物配置等綠化模式對PM2.5控制效果的常見方法,但多應用于城市道路、公園綠地、街道峽谷、居住小區等微環境場景[10-13],且以交通污染因子為污染源。由于受工業園區建筑排列布局以及垂直方向上氣流交換的影響,不同高度的污染源污染物擴散運動有所不同[14],然而利用ENVI-met分析垂直綠化模式對工業園區PM2.5污染改善效果的研究鮮有報道,且尚無量化評估垂直綠化對工業園區PM2.5污染的健康經濟效益研究。因此,本研究以蘭州地區蘭石工業園區為例,利用ENVI-met模擬得到現狀下和垂直綠化模式下工業園區內PM2.5濃度的變化情況,基于泊松回歸相對風險度模型,結合流行病學研究中的暴露—反應關系及支付意愿法,量化評估垂直綠化對工業園區PM2.5污染防治的健康經濟效益,研究結果對綠色工業園區建設及其PM2.5污染防治具有參考借鑒意義。

1 研究區域與幾何模型

1.1 研究區概況

蘭石工業園區位于甘肅省蘭州新區東南部(103°29′22″E～103°49′56″E,36°17′15″N～36°43′29″N),屬于典型的溫帶半干旱大陸性季風氣候。蘭石工業園區是以能源裝備研發制造為主要產業的高端裝備制造產業園,主要涉及鑄鍛、焊接、換熱等加工工藝,日間8～10 h的正常生產過程中會連續排放大量煙塵,年均煙塵排放量可達10萬m3左右,其中含有大量以PM2.5為主的PM污染物。

1.2 幾何模型及參數設置

根據研究區域的基本情況,在ENVI-met軟件中建立相應模型,區域模型尺寸約為129 600 m2,研究區內建筑高度集中在18～22 m,污染源距地面高度為4 m、水平間距為6 m,且在靠近污染源的位置布置垂直綠化,模型平面視圖見圖1。

圖1 研究區域模型平面視圖Fig.1 Model plan view of study area

由于垂直綠化植物多為藤本類或中小型草本類,選取葉面積指數(LAI)為1.5 m2/m2的蛇舌草作為垂直綠化植物[15]。園區內污染物經布袋除塵器處理后排放,除塵器處理量約36 m3/h,PM2.5排放標準為30 mg/m3,排放速率為300 μg/s,模型基本參數設置見表1。

表1 基本參數設置Table 1 Basic parameter settings

2 研究方法

2.1 垂直綠化滯塵率

基于現狀下和垂直綠化模式下園區內PM2.5濃度的變化量,選取1.6 m行人呼吸高度作為模擬高度,根據式(1)計算滯塵率。

(1)

式中:P為滯塵率,%;Cm為現狀下的PM2.5質量濃度,μg/m3;Cs為垂直綠化模式下的PM2.5質量濃度,μg/m3。

2.2 健康終端基準參數

參照健康終端的選擇原則和國內流行病學研究現狀,本研究選取全因死亡、心血管疾病死亡、呼吸系統疾病死亡、慢性阻塞肺病死亡4個健康終端開展垂直綠化模式下PM2.5污染防治的健康經濟效益評估。根據CHEN等[16]對中國272個城市PM2.5空氣污染和每日死亡的全國性分析數據以及YANG等[17]對PM2.5污染的健康評估結果,不同健康終端與PM2.5暴露—反應關系系數(β)和基線健康風險(H0)取值匯總于表2。

氣控系統由氣源、操作控制系統、執行機構等組成。操作控制系統安裝在司鉆控制房內，控制壓力氣進入或排出氣胎離合器，實現離合器的嚙合和脫開。

表2 不同健康終端的β及H0Table 2 β and H0 of different health terminals

2.3 健康經濟效益評估模型

基于PM2.5污染健康風險評估的泊松回歸相對風險度模型[18],將垂直綠化模式下工業園區PM2.5濃度的變化量與人群健康終端的健康風險相關聯,評估模型見式(2)。

H=H0·exp(-β·ΔC)

(2)

式中:H為垂直綠化對健康風險的矯正值;ΔC為因垂直綠化滯塵效應產生的相對于基準質量濃度的PM2.5滯塵量,μg/m3。其中,PM2.5基準質量濃度選取《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)規定的二級限值(35 μg/m3)。

根據研究區域內的暴露人口,計算各健康終端的發病人數變化量,具體見式(3):

ΔQ=N·ΔH=N·(H-H0)

(3)

式中:ΔQ為各健康終端的發病人數變化量;ΔH為健康風險變化量;N為研究區域內的暴露人口。

進一步采用支付意愿法對所選取的4種健康終端進行健康經濟效益評估。支付意愿法基于統計學意義上的生命價值(VOSL),實質上是用來衡量個體對降低或規避死亡風險所愿意支付的成本[19]。由于目前缺乏蘭州地區居民VOSL預估值,本研究以2012年北京市VOSL研究結果(936 000元)為基準[20],采用效益轉換法推導特定地區的VOSL,具體推導方法見式(4)。

V=Vbase·(I/Ibase)α

(4)

式中:V為研究區域的統計VOSL,元;Vbase為基準統計VOSL,元;I為研究區域的人均可支配收入,元;Ibase為基準人均可支配收入,元;α為收入彈性系數,取0.8[21]。

根據《2020年蘭州市國民經濟和社會發展統計公報》,蘭州地區居民人均可支配收入為43 244元[22],基準人均可支配收入取2012年北京市的人均可支配收入36 469元[23],根據式(4)計算可得研究區2020年的VOSL為1 072 698元。

ΔE=ΔQ·V

(5)

3 結果與討論

3.1 現狀下PM2.5濃度分布特征

對園區內現狀條件下行人呼吸高度(1.6 m)的PM2.5濃度進行模擬,結果見圖2。由圖2可見,在建筑狹縫之間存在6個PM2.5濃度較高的公共空間區域,分別標記為A、B、C、D、E、F,這是由于在建筑物背風側及建筑狹縫之間PM2.5擴散被阻擋,使得PM2.5濃度較高,而在建筑物迎風側及通風條件良好的部位,PM2.5濃度相對較低。

圖2 現狀下1.6 m高度PM2.5質量濃度分布Fig.2 Distribution of PM2.5 mass concentration at 1.6 m height under the current situation

為考察ENVI-met模擬效果,在14:00—19:00時段每隔1 h對園區內6個PM2.5濃度較高的公共空間區域進行實測,將PM2.5模擬平均值與實測平均值進行對比,結果見圖3。從空間分布來看,現狀下園區內PM2.5濃度分布差異顯著,E區域濃度總體最高,PM2.5模擬平均值為32.57 μg/m3,實測平均值為35.31 μg/m3;F區域PM2.5模擬平均值為24.46 μg/m3,實測平均值為26.53 μg/m3。B、D區域PM2.5濃度相對較低,模擬平均值分別為21.20、19.59 μg/m3,實測平均值分別為21.51、21.38 μg/m3。A、C區域PM2.5濃度相對最低,模擬平均值分別為18.92、17.99 μg/m3,實測平均值分別為21.16、18.01 μg/m3。由于實測環境為復雜的園區建設環境,而模型的模擬環境相對簡單,各監測點PM2.5實測平均值略高于模擬平均值,但兩者PM2.5濃度空間分布和各監測點的PM2.5濃度變化趨勢基本一致,說明模擬結果基本可靠。

3.2 垂直綠化對PM2.5污染的改善效果

為了進一步分析垂直綠化的滯塵效果,用ENVI-met軟件模擬不同垂直綠化高度下A、B、C、D、E、F 6個區域的PM2.5濃度,并計算滯塵率,結果見圖4。

圖4 不同垂直綠化高度下的滯塵率Fig.4 Dust retention rate under different vertical greening heights

由圖4可見,不同垂直綠化高度下園區內各觀測點的滯塵效果差異較大,在垂直綠化高度分別為2、4、6 m時,6個區域的平均滯塵率分別為6.49%、18.60%、42.09%,即垂直綠化高度從2 m增加到4 m時,平均滯塵率增加了12.11百分點,垂直綠化高度從4 m增加到6 m時,平均滯塵率增加了23.49百分點。隨垂直綠化高度的增加,PM向上擴散時與植物葉表的接觸面積變大,且本研究中污染源高度為4 m,垂直綠化高于污染源高度時能夠更充分發揮滯塵效應,使得垂直綠化在污染源以上的改善效果優于污染源以下的改善效果。因此,在該工業園區垂直綠化建設過程中應將垂直綠化高度設置在污染源以上。

3.3 垂直綠化對PM2.5污染的健康經濟效益評估

模擬不同高度的垂直綠化對園區PM2.5的滯塵量,結果見圖5。在2、4、6 m的垂直綠化高度下,園區內平均滯塵量分別為1.35、4.92、10.80 μg/m3,可以看出,隨垂直綠化高度的增加,植物發揮滯塵效應的能力越強、效果越好,且當垂直綠化高度高于污染源高度時,植物能夠更充分地發揮滯塵效應。

圖5 不同垂直綠化高度下的PM2.5滯塵量Fig.5 PM2.5 dust retention quantity under different vertical greening heights

將PM2.5滯塵量、各健康終端的基線健康風險、暴露—反應關系系數代入式(2)至式(5),計算得到垂直綠化對工業園區PM2.5污染防治的健康效益(以健康風險變化量表征)及其經濟價值。本研究以全因死亡、呼吸系統疾病死亡、心血管疾病死亡、慢性阻塞肺病死亡4個健康終端進行垂直綠化對PM2.5污染防治的健康經濟效益評估,結果如表3、表4所示。

表4 垂直綠化模式健康經濟效益Table 4 Economic and health benefits under vertical greening mode 萬元

由表3、表4可知,當垂直綠化高度為2 m時,園區內垂直綠化模式下PM2.5帶來的全因死亡、心血管疾病死亡、呼吸系統疾病死亡和慢性阻塞肺病死亡的健康風險分別降低1.84×10-5(95%CI:1.26×10-5～2.35×10-5)、9.82×10-6(95%CI:6.57×10-6～1.31×10-5)、2.74×10-6(95%CI:1.61×10-6～3.97×10-6)、5.12×10-7(95%CI:3.11×10-7～7.17×10-7),植物發揮滯塵效應帶來的各健康終端健康經濟效益分別為15.001萬元(95%CI:10.248萬～19.133萬元)、8.006萬元(95%CI:5.355萬～10.720萬元)、2.234萬元(95%CI:1.311萬～3.243萬元)、0.417萬元(95%CI:0.253萬～0.585萬元);當垂直綠化高度為4 m時,園區內垂直綠化模式下PM2.5帶來的全因死亡、心血管疾病死亡、呼吸系統疾病死亡和慢性阻塞肺病死亡的健康風險分別降低6.67×10-5(95%CI:4.59×10-5～8.59×10-5)、3.56×10-5(95%CI:2.40×10-5～4.82×10-5)、9.93×10-6(95%CI:5.88×10-6～1.46×10-5)、1.85×10-6(95%CI:1.14×10-6～2.64×10-6),植物發揮滯塵效應帶來的各健康終端健康經濟效益分別為54.377萬元(95%CI:37.420萬～70.030萬元)、29.023萬元(95%CI:19.566萬～39.295萬元)、8.095萬元(95%CI:4.794萬～11.903萬元)、1.508萬元(95%CI:0.929萬～2.152萬元);當垂直綠化高度為6 m時,園區內垂直綠化模式下PM2.5帶來的全因死亡、心血管疾病死亡、呼吸系統疾病死亡和慢性阻塞肺病死亡的健康風險分別降低1.46×10-4(95%CI:1.01×10-4～1.90×10-4)、7.76×10-5(95%CI:5.30×10-5～1.07×10-4)、2.16×10-5(95%CI:1.30×10-5～3.24×10-5)、4.02×10-6(95%CI:2.52×10-6～5.89×10-6),植物發揮滯塵效應帶來的各健康終端健康經濟效益分別為119.027萬元(95%CI:82.500萬～155.140萬元)、63.263萬元(95%CI:43.200萬～87.230萬元)、17.609萬元(95%CI:10.570萬～26.470萬元)、3.277萬元(95%CI:2.050萬～4.870萬元)。

垂直綠化高度從2 m增加到4 m時,全因死亡風險降低了4.83×10-5,心血管疾病死亡風險、呼吸系統疾病死亡風險和慢性阻塞肺病死亡風險的降低值分別占全因死亡風險降低值的53.37%、14.89%、2.77%;垂直綠化高度從4 m增加到6 m時,全因死亡風險降低了7.93×10-5,心血管疾病死亡風險、呼吸系統疾病死亡風險和慢性阻塞肺病死亡風險的降低值分別占全因死亡風險降低值的52.96%、14.72%、2.74%。由此可見,垂直綠化對各健康終端可獲得的健康經濟效益為全因死亡>心血管疾病死亡>呼吸系統疾病死亡>慢性阻塞肺病死亡,這一規律與相對應健康終端的基線健康風險呈正相關關系,即基線健康風險越高,垂直綠化帶來的健康經濟效益越顯著。同時可以看出,在同一健康終端下,隨著垂直綠化高度的增加,可獲得的健康效益逐漸增加,說明垂直綠化對工業園區PM2.5的改善能夠帶來可觀的健康效益。

3.4 不確定性分析

由于數學模型在使用過程中的不確定性及數據方法研究的局限性,本研究的評估結果存在一定的不確定性,主要體現在:1)本研究采用ENVI-met模擬得出,模擬結果的可靠性在一定程度上影響評估結果的不確定性。2)健康終端的暴露—反應關系系數是泊松回歸相對風險度模型的關鍵,本研究基于我國272個城市的全國性分析數據,通過對95%CI的計算控制評估結果的不確定性在相對合理的范圍內。3)基線健康風險數據來源雖然與西部地區實際基線健康風險存在一定的出入,但卻是根據現有公開資料能夠得出的最為接近的估算結果,定量評估結果可在一定程度上體現垂直綠化對PM2.5污染防治的健康經濟效益。

現狀下PM2.5的ENVI-met模擬值與實測值吻合度良好,本研究使用Kappa值作為響應變量,進行一致性檢驗。根據Kappa值對模擬結果的一致性進行劃分,Kappa值在0～0.20時為極低一致性,在>0.20～0.40時為一般一致性,在>0.40～0.60時為中等一致性,在>0.60～0.80時為高度一致性,在>0.80～1.00時幾乎完全一致。

通過比較同一時段PM2.5模擬值與實測值大小,對模擬值<實測值、模擬值=實測值、模擬值>實測值的個數分別計數,參考張劍波等[24]的方法,計算得到Kappa值為0.64,表示現狀下ENVI-met模擬的PM2.5濃度與實測值具有高度一致性,在一定程度上確保了評估過程的相對可靠,從而降低評估結果的不確定性。

4 結 論

1) 垂直綠化高度從2 m增加到4 m時,平均滯塵率增加了12.11百分點,從4 m增加到6 m時,平均滯塵率增加了23.49百分點。垂直綠化對工業園區PM2.5污染的改善效果受污染源和垂直綠化相對高度的影響,垂直綠化高度超過污染源高度時植物能夠更充分地發揮滯塵效應,使得滯塵效果更優。

2) 垂直綠化模式下不同健康終端可獲得的健康效益及其經濟價值依次為全因死亡>心血管疾病死亡>呼吸系統疾病死亡>慢性阻塞肺病死亡,這一規律與相對應健康終端的基線風險水平呈正相關關系,即基線風險水平越高,垂直綠化帶來的健康經濟效益越顯著。

3) 垂直綠化模式下同一健康終端可獲得的健康效益及其經濟價值隨著垂直綠化高度的增加而增加,垂直綠化對工業園區PM2.5污染的改善能夠帶來可觀的健康經濟效益。