空氣質(zhì)量健康指數(shù)構(gòu)建及與現(xiàn)有評(píng)價(jià)體系的比較：以麗水市為例

郭 云， 王建生， 留瑩瑩， 黃炳昭， 蔣玉丹， 韋正崢*

1.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境與經(jīng)濟(jì)政策研究中心， 北京 100069

2.麗水市生態(tài)環(huán)境局， 浙江 麗水 323000

當(dāng)前我國(guó)采用空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)來評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量狀況，以首要污染物反映空氣污染程度[1]，但對(duì)于評(píng)價(jià)復(fù)合型大氣污染，AQI可能會(huì)掩蓋其他污染物對(duì)空氣質(zhì)量的影響；另外，我國(guó)在制定《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)時(shí)，各污染物濃度標(biāo)準(zhǔn)參考世界衛(wèi)生組織(WHO)在空氣質(zhì)量準(zhǔn)則中的第一階段過渡目標(biāo)(WHO IT1指導(dǎo)值)，對(duì)比歐盟、美國(guó)、日本等國(guó)家或地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)限值，我國(guó)大部分污染物濃度限值較為寬松，處于與國(guó)際接軌的初級(jí)階段[2-3].

環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)方式在大氣質(zhì)量管理中發(fā)揮重要作用，標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級(jí)是空氣質(zhì)量改善的持續(xù)推動(dòng)力[4]. “十三五”以來我國(guó)空氣質(zhì)量總體改善明顯，2020年我國(guó)337個(gè)地級(jí)及以上城市平均優(yōu)良天數(shù)比例為87.0%. 337個(gè)地級(jí)及以上城市PM2.5平均濃度為33 μg/m3，小于GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(35 μg/m3)[5]，具備修訂標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ). 2018年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《城市環(huán)境空氣質(zhì)量排名技術(shù)規(guī)定》中提出了環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)(簡(jiǎn)稱“綜合指數(shù)”)，該指數(shù)包含SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O3六項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)更為全面. 目前，加拿大[6]和中國(guó)香港[7]采用環(huán)境空氣質(zhì)量健康指數(shù)(air quality health index, AQHI)評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量，揭示多種空氣污染物和人體健康之間的關(guān)系，為公眾提供健康風(fēng)險(xiǎn)信息. 我國(guó)上海市、天津市、蘭州市、廣州市均已開展AQHI的研究[8-11].

按綜合指數(shù)評(píng)價(jià)，2020年浙江省麗水市在我國(guó)168個(gè)地級(jí)及以上城市中空氣質(zhì)量排名第7位，在2019年和2020年AQI優(yōu)良率均高于98%，目前的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)麗水市約束力較弱. 該研究擬構(gòu)建麗水市AQHI，分析麗水市空氣質(zhì)量與健康效應(yīng)的關(guān)系，評(píng)估麗水市環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)，并比較AQHI、調(diào)整后的環(huán)境空氣質(zhì)量健康指數(shù)(AQHI_a)、AQI和綜合指數(shù)等4種空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，以期為改進(jìn)環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)提出相應(yīng)的政策建議.

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及質(zhì)量評(píng)估

2013—2018年麗水市大氣污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM2.5及PM10)的日均濃度數(shù)據(jù)來自麗水市生態(tài)環(huán)境局，2013—2018年麗水市日均溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)來自麗水市氣象局. 2013—2018年麗水市日非意外總死亡(國(guó)際疾病分類編碼ICD-10：A00-R99)、心血管系統(tǒng)疾病(ICD-10：I00-I99)、呼吸系統(tǒng)疾病(ICD-10：J00-J99)死亡數(shù)據(jù)來自麗水市疾病預(yù)防控制中心. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，麗水市常住人口在200萬(wàn)人以上，人口規(guī)模符合WHO開展相關(guān)研究的要求[12]. 麗水市總體死亡率為6.47‰，高于全國(guó)死亡率6‰的質(zhì)控要求，并且年度差異在0.25‰內(nèi)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，質(zhì)量較高.

1.2 暴露-反應(yīng)關(guān)系建立

采用時(shí)間序列分析將日死亡數(shù)據(jù)、大氣污染物濃度數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)通過日期鏈接，把基于對(duì)數(shù)線性的半?yún)?shù)廣義可加模型作為核心統(tǒng)計(jì)模型，以半泊松回歸模型控制分散數(shù)據(jù)，計(jì)算公式：

ln[E(Yt)]=βZt+ns(day,df)+DOW+

ns(Xt,df)+intercept

(1)

式中:E(Yt)為t日居民死亡數(shù)期望值；Zt為t日污染物的濃度水平，μg/m3；β為暴露-反應(yīng)關(guān)系系數(shù)，即污染物每單位濃度的升高引起的日死亡率的增長(zhǎng)；ns為自然平滑樣條函數(shù)；df為其自由度；day為日期變量；DOW為星期幾的指示變量；Xt為t日的氣象因素，包括平均溫度和相對(duì)濕度；intercept表示截距.

模型建立由R3.5.3軟件中的mgcv軟件包完成.

1.3 兩種超額死亡率的計(jì)算方法

假設(shè)空氣污染與人類健康效應(yīng)的劑量-效應(yīng)關(guān)系是線性且無(wú)閾值的,以時(shí)間序列分析中估算的多污染物濃度增加所導(dǎo)致的劑量-效應(yīng)關(guān)系系數(shù)為基礎(chǔ)，計(jì)算一定時(shí)段內(nèi)相對(duì)于每種污染物以零濃度為基線增加10 μg/m3的超額死亡率〔見式(2)〕. 結(jié)合已有研究成果[13]，考慮到PM2.5和PM10濃度共線性極強(qiáng)，且PM2.5增加單位濃度導(dǎo)致的健康效應(yīng)更強(qiáng)，僅選取PM2.5納入超額死亡率公式進(jìn)行計(jì)算. 另外，由于CO對(duì)人體健康危害的閾值較高[14]，大氣中CO濃度遠(yuǎn)低于閾值，因此也不納入多污染物超額死亡率公式進(jìn)行計(jì)算.

(2)

式中:ERt為多種污染物(包括PM2.5、O3、NO2和SO2)在t日導(dǎo)致的超額死亡率，%；Pi為第i個(gè)污染物的濃度，μg/m3.

將各污染物導(dǎo)致的超額死亡率用自然對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行調(diào)整，構(gòu)建調(diào)整后的每日超額死亡率〔見式(3)〕. 若單污染物導(dǎo)致的超額死亡率對(duì)數(shù)為負(fù)值，則將其調(diào)整為0后再進(jìn)行加和.

(3)

式中，ER_at為多種污染物在t日導(dǎo)致的調(diào)整后的超額死亡率，%.

1.4 麗水市AQHI的構(gòu)建

根據(jù)式(2)得到的超額死亡率將AQHI分為11個(gè)指數(shù)區(qū)間、4個(gè)等級(jí)(見表1)，AQHI范圍為0～3為一級(jí)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)，4～6為二級(jí)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)，7～10為三級(jí)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)，10以上為四級(jí)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn). 參考我國(guó)GB 3095—2012及WHO《環(huán)境戶外空氣質(zhì)量與健康》[15]，將WHO制定的空氣質(zhì)量準(zhǔn)則值(AQG)中推薦的污染物濃度日均值(PM2.5、O3、SO2、NO2濃度日均值分別為25、100、20、40 μg/m3)代入式(2)得到超額死亡率(見表1)，將其作為一級(jí)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)超額死亡率的上限；將GB 3095—2012一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(PM2.5、O3、SO2、NO2濃度一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值分別為35、100、50、40 μg/m3)代入式(2)得到超額死亡率，將其作為二級(jí)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)超額死亡率的上限；將GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(PM2.5、O3、SO2、NO2濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值分別為75、160、150、40 μg/m3)代入式(2)得到超額死亡率，將其作為三級(jí)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)超額死亡率的上限. 將各環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)數(shù)值區(qū)間進(jìn)行均分，得到對(duì)應(yīng)的超額死亡率分級(jí)范圍.

表1 麗水市AQHI分級(jí)及其對(duì)應(yīng)的超額死亡率限值

由于麗水市空氣質(zhì)量較好，為使指數(shù)更具有敏感性，將AQHI保留兩位有效數(shù)字，對(duì)照表1查找其所屬區(qū)間，AQHI計(jì)算公式：

(4)

式中:AQHI為環(huán)境空氣質(zhì)量健康指數(shù)，根據(jù)超額死亡率進(jìn)行計(jì)算；ERLo為超額死亡率所屬區(qū)間的低位值，%；ERHi為超額死亡率所屬區(qū)間的高位值，%；AQHILo為AQHI所屬區(qū)間的低位值.

另外，將非意外總死亡數(shù)替換為心血管系統(tǒng)疾病死亡數(shù)和呼吸系統(tǒng)疾病死亡數(shù)，利用式(2)分別得到心血管系統(tǒng)疾病超額死亡率(ERcvd)和呼吸系統(tǒng)疾病超額死亡率(ERres)，并計(jì)算心血管系統(tǒng)疾病指數(shù)和呼吸系統(tǒng)疾病指數(shù). 考慮到在空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良地區(qū)使用AQHI時(shí)，可能由于部分污染物濃度極低導(dǎo)致超額死亡率值為負(fù)數(shù)[16]，從而抵消其他污染物導(dǎo)致的健康效應(yīng)，因此根據(jù)式(3)將超額死亡率利用自然對(duì)數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到調(diào)整后超額死亡率(ER_at)，若為負(fù)數(shù)則將其調(diào)整為0后繼續(xù)相加，計(jì)算調(diào)整后的環(huán)境空氣質(zhì)量健康指數(shù)(AQHI_a).

1.5 麗水市AQHI、AQI及綜合指數(shù)的比較

參考《城市環(huán)境空氣質(zhì)量排名技術(shù)規(guī)定》中綜合指數(shù)的計(jì)算方法，利用大氣污染物日均濃度計(jì)算麗水市的綜合指數(shù).

基于WHO空氣質(zhì)量推薦指導(dǎo)值〔由于NO2無(wú)推薦的日均值，選取GB 3095—2012一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(40 μg/m3)〕，將2013—2018年全部日數(shù)劃分為無(wú)任何污染物超標(biāo)、1種污染物超標(biāo)、2種污染物超標(biāo)、3種污染物超標(biāo)和4種污染物超標(biāo)共五類，比較在復(fù)合污染天氣下不同評(píng)價(jià)指數(shù)對(duì)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的敏感性.

基于2013—2018年麗水市每日空氣質(zhì)量和死亡數(shù)據(jù)，評(píng)估麗水市AQHI、AQHI_a、AQI及綜合指數(shù)與健康效應(yīng)的關(guān)系，表征各類指數(shù)預(yù)測(cè)健康效應(yīng)的能力.

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物濃度以及AQI、AQHI、綜合指數(shù)的季節(jié)性變化

2013—2018年，麗水市SO2、NO2和O3濃度年均值均小于GB 3095—2012一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，空氣質(zhì)量總體較好. 由表2可見：利用AQI和綜合指數(shù)評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量的結(jié)果較為一致，秋冬季(10月—翌年3月)麗水市大氣污染以PM2.5和PM10為主，其次為O3；春夏季(4—9月)大氣污染以O(shè)3污染為主，其次為PM10和PM2.5. 如利用AQHI來評(píng)價(jià)麗水市空氣質(zhì)量，無(wú)論是秋冬季還是春夏季，O3導(dǎo)致的超額死亡率均最高，其次為NO2.

表2 麗水市2013—2018年污染物濃度及AQI、AQHI、綜合指數(shù)的季節(jié)性變化

2.2 不同空氣質(zhì)量條件下3種指數(shù)的比較

按照WHO發(fā)布的空氣質(zhì)量準(zhǔn)則值(AQG)來評(píng)價(jià)，麗水市2013—2018年33.49%的天數(shù)無(wú)任何污染物超標(biāo)，近50%的天數(shù)有2種及以上污染物超過AQG(見圖1). 其中，2種污染物超標(biāo)的天數(shù)中主要以PM2.5和PM10超標(biāo)為主，3種污染物超標(biāo)的天數(shù)中主要以PM2.5、PM10和O3超標(biāo)為主(見表3). 多種污染物同時(shí)存在的情況下，AQHI較AQI敏感性更高. 隨著AQI的增加，AQHI也隨之增加，且AQHI的增幅隨超標(biāo)污染物種類的增加而增加(見圖2). AQHI與綜合指數(shù)的相關(guān)性比與AQI的相關(guān)性更好，二者無(wú)論在單污染物和多種污染物超標(biāo)時(shí)均保持較高的一致性.

圖2 麗水市AQHI與AQI、綜合指數(shù)的相關(guān)性

表3 2013—2018年麗水市不同種類污染物超標(biāo)天數(shù)

圖1 2013—2018年麗水市不同種類污染物超標(biāo)天數(shù)占比

2.3 麗水市各類污染物對(duì)健康效應(yīng)的影響

基于時(shí)間序列分析，得到各類污染物在不同滯后模式下的暴露-反應(yīng)關(guān)系系數(shù)(見表4)，各類污染物對(duì)健康效應(yīng)的影響均有一定的滯后作用. 在單日滯后模式下，PM2.5、O3、NO2及SO2分別在滯后1 d、滯后 2 d、當(dāng)天和滯后3 d時(shí)暴露-反應(yīng)關(guān)系系數(shù)最大，分別為 0.001 091 8、0.000 916 6、0.002 324 4 和0.003 533 0；在多日移動(dòng)平均滯后模式下，除NO2外，其余污染物均在平均移動(dòng)6～8 d時(shí)暴露-反應(yīng)關(guān)系系數(shù)最大，健康效益最強(qiáng)，且O3每增加四分位間距的濃度導(dǎo)致相對(duì)危險(xiǎn)度(RR)的增幅最高，其次是NO2和PM2.5.

表4 各類污染物暴露-反應(yīng)關(guān)系系數(shù)及其對(duì)健康效應(yīng)的影響

由表5可見，各類大氣污染物對(duì)患有心血管系統(tǒng)疾病和呼吸系統(tǒng)疾病人群的影響較普通人群大，其中，PM2.5和O3對(duì)呼吸系統(tǒng)疾病患者的健康影響較對(duì)心血管系統(tǒng)患者大，NO2對(duì)心血管系統(tǒng)疾病患者的健康影響較對(duì)呼吸系統(tǒng)疾病患者大.

表5 污染物每上升1 μg/m3對(duì)不同疾病患者健康效應(yīng)的影響

2.4 AQHI、AQHI_a、AQI和綜合指數(shù)預(yù)測(cè)健康效應(yīng)的能力

由圖3可見：秋冬季(10月—翌年3月)PM2.5濃度較高時(shí)，單日滯后模式下4種指數(shù)均在滯后1 d時(shí)與健康效應(yīng)的關(guān)系最強(qiáng)，AQHI、AQHI_a、AQI和綜合指數(shù)增加四分位間距導(dǎo)致相對(duì)危險(xiǎn)度值分別增加1.032 8%、1.060 9%、1.025 6% 和 1.043 7%；多日移動(dòng)平均滯后模式下，AQHI和AQHI_a指數(shù)在平均移動(dòng)1～3 d時(shí)與健康效應(yīng)的關(guān)系逐漸加強(qiáng)，而AQI和綜合指數(shù)的累積效應(yīng)不明顯. 春夏季(4—9月)O3濃度較高時(shí)，單日滯后模式下AQHI、AQHI_a、和AQI均在滯后1 d時(shí)與健康效應(yīng)的關(guān)系最強(qiáng)，綜合指數(shù)則在滯后2 d時(shí)與健康效應(yīng)的關(guān)系最強(qiáng)；多日移動(dòng)平均滯后模式下，4個(gè)指數(shù)均隨滯后天數(shù)的增加導(dǎo)致RR值上升. 在兩種滯后模式下分別選取4類指數(shù)最大的暴露-反應(yīng)關(guān)系系數(shù)進(jìn)行比較(見表6)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是秋冬季還是春夏季，AQHI_a均是4類指數(shù)中預(yù)測(cè)健康效應(yīng)最好的，其次為綜合指數(shù).

注： L1、L2及L3分別代表滯后1、2及3 d；L01、L02及L03分別代表平均移動(dòng)2、3及4 d滯后.

表6 4種指數(shù)在不同滯后模式下對(duì)健康效應(yīng)的預(yù)測(cè)情況

3 討論

麗水市空氣質(zhì)量整體水平較好，O3的AQI分指數(shù)在春夏季較高，PM2.5和PM10的AQI分指數(shù)在秋冬季較高，全年O3導(dǎo)致的超額死亡貢獻(xiàn)率最高，其次為NO2；另外，麗水市O3每增加四分位間距的濃度導(dǎo)致相對(duì)危險(xiǎn)度(RR)的增幅最高，其次為NO2. Tang等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在VOCs未得到有效控制的情況下，隨著NOx的深度減排，O3濃度穩(wěn)定下降，論證了全國(guó)大幅減排NOx對(duì)于控制O3的可行性. 考慮到麗水市大氣污染物對(duì)于健康的影響，NOx深度減排可能同時(shí)降低NOx和O3濃度，可獲得巨大的健康收益.

目前，對(duì)于AQHI分級(jí)主要有兩種方法：一種是歸一化法，其利用研究地區(qū)最大超額死亡率將每日超額死亡率進(jìn)行歸一化處理，加拿大、美國(guó)紐約以及中國(guó)上海市、天津市、蘭州市、廣州市等國(guó)家或地區(qū)的AQHI分級(jí)均采用該方法[8-11,18-21]，但因不同地區(qū)空氣質(zhì)量的差異性，因此構(gòu)建的AQHI不具有可比性；另一種是標(biāo)準(zhǔn)代入法，中國(guó)香港將WHO的AQG代入每日超額死亡率公式計(jì)算得到的數(shù)值作為二級(jí)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)(AQHI為7)的上限，并將該數(shù)值的0.5倍和1.5倍分別作為一級(jí)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)(AQHI為3)和三級(jí)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)(AQHI為10)的上限. 該研究采用標(biāo)準(zhǔn)代入法，分別將WHO的AQG以及GB 3095—2012一級(jí)和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值分別代入超額死亡率公式計(jì)算得到的AQHI作為一級(jí)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)、二級(jí)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)和三級(jí)環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)的上限，與國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)銜接，具有較好的可比性[22-23]. 考慮到大氣污染會(huì)增加心血管系統(tǒng)[24-27]和呼吸系統(tǒng)疾病的患病和死亡風(fēng)險(xiǎn)[28-30]，該研究構(gòu)建了呼吸系統(tǒng)疾病指數(shù)和心血管系統(tǒng)疾病指數(shù)，具有一定的創(chuàng)新性.

AQI僅考慮最大污染物，綜合指數(shù)考慮了6項(xiàng)污染物，該研究構(gòu)建的AQHI考慮了4項(xiàng)污染物，發(fā)現(xiàn)在多種污染物超標(biāo)的情況下AQHI更為敏感. 目前，我國(guó)仍有超過半數(shù)的城市人口暴露于污染物濃度高于AQG推薦值的空氣下[31-32]，因此在復(fù)合型大氣污染的城市中應(yīng)用AQHI和綜合指數(shù)來評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量更為合適；同時(shí)，考慮到AQHI在空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良地區(qū)使用可能由于部分污染物濃度極低導(dǎo)致超額死亡率為負(fù)數(shù)[21]，從而抵消其他污染物導(dǎo)致的健康效應(yīng)，該研究利用自然對(duì)數(shù)對(duì)超額死亡率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，提出調(diào)整后的環(huán)境空氣質(zhì)量健康指數(shù)(AQHI_a)，結(jié)果表明麗水市AQHI_a對(duì)健康效應(yīng)的預(yù)測(cè)能力較AQHI好. 因此，在空氣質(zhì)量較好、應(yīng)用范圍較大或污染物濃度差異較大時(shí)，需考慮單個(gè)污染物的潛在閾值效應(yīng)，將超額死亡率進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后構(gòu)建的指數(shù)(AQHI_a)可能更為準(zhǔn)確.

2013—2018年，麗水市4種指數(shù)在秋冬季對(duì)健康效應(yīng)的預(yù)測(cè)能力均高于春夏季，可能是由于4種指數(shù)都以GB 3095—2012的標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行分級(jí)，而我國(guó)對(duì)于O3的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較為寬松. 按照GB 3095—2012來評(píng)價(jià)，麗水市空氣質(zhì)量在全國(guó)排名前列，PM2.5和O3濃度均較低，首要污染物多為顆粒物. 但是，該研究發(fā)現(xiàn)麗水市O3引起的人群超額死亡風(fēng)險(xiǎn)是最高的，因此建議在我國(guó)空氣質(zhì)量較好的地區(qū)構(gòu)建AQHI或AQHI_a來反映空氣質(zhì)量，高度重視O3污染問題，降低O3污染物的濃度標(biāo)準(zhǔn).

4 結(jié)論

a) 以AQI和綜合指數(shù)來評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量，麗水市春夏季主要污染物為O3，秋冬季為主要PM2.5；以AQHI來評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量，則O3為麗水市全年最主要的污染物，其次為NO2.

b) 在多種污染物同時(shí)存在的情況下，AQHI比AQI具有更高的敏感性，AQHI與綜合指數(shù)的相關(guān)性比與AQI的相關(guān)性更好.

c) AQHI、AQHI_a、AQI和綜合指數(shù)等4種指數(shù)在秋冬季對(duì)健康效應(yīng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度均高于春夏季，其中AQHI_a預(yù)測(cè)能力最強(qiáng).