大气估算模型在我国环境污染损害司法鉴定中的应用

杨淑英，孙娟，沈浩松，冷艳秋

（山东省环境保护科学研究设计院，山东 济南250013）

鉴定科学
ResearchPaper

大气估算模型在我国环境污染损害司法鉴定中的应用

杨淑英，孙娟，沈浩松，冷艳秋

（山东省环境保护科学研究设计院，山东 济南250013）

目的 针对大气环境污染损害鉴定评估中的溯源技术难点，根据《环境损害鉴定评估推荐方法（第 II版）给出的环境损害因果关系适用判定方法，为环境管理、环境司法等提供技术支撑。方法 以某氟材料制品公司火灾事故损害鉴定为例，研究提出了科学严谨的过火失重-环境预测-因果关系的鉴定评估技术方案，根据确定的失重源强，采用国家环境保护部发布的SCREEN3估算模型进行数值模拟。结果从模拟结果可见，在假定最大源强下，火灾产生的氟化物最大影响距离不超过500 m，该范围内没有受损果园，可以确定果木减产与公司火灾不存在明显的因果关系。结论表明应用SCREEN3大气估算模型可实现保守科学定量化的污染损害溯源，对大气环境污染损害鉴定评估领域的因果关系判定具有重要的指导意义。

大气估算模型；环境污染损害鉴定；因果响应

环境污染损害鉴定评估是综合运用经济、法律、技术等手段，对环境污染导致的损害范围、程度等进行合理鉴定、测算，出具鉴定意见和评估报告，为环境管理、环境司法等提供技术支撑。根据《环境损害鉴定评估推荐方法（第 II版）》，环境损害鉴定评估的主要工作内容包括污染物属性鉴别、损害确认、因果关系判定和损害数额量化。本文结合实际案例给出了运用大气预测模型判定污染损害空间范围与因果关系的技术方法。

2013年6月2日17时许，山东某氟材料制品公司生产车间发生火灾，事后消防、安监和环保等职能部门均到场进行了现场调查，认定该火灾为普通事故，火灾当时及事后未开展环境应急方面的监测工作。

事故发生3天后，该公司北向直线距离为1.5 km附近的果园有落果现象，受损的33户果农以火灾产生有毒烟气导致果树树叶和果实脱落造成果园大部分减产为由，向该公司提出赔偿事宜，并于2014年6月起诉至当地法院。果农提供的举证材料未证实农作物受损是否是由受到氟化物污染引起，而该公司认为其主要物料具有耐高温、耐低温、耐腐蚀、不粘附和无毒害等特性，受损农户的果木减产与公司无任何关系，并向当地人民法院提交书面鉴定申请一份，申请法院对公司发生的火灾与原告果木减产之间是否存在因果关系进行鉴定。

火灾事故发生于2013年6月2日，当地法院委托鉴定受损因果关系的时间为2015年1月30日，时间跨度大，现场踏勘时，果园已无法看出当时的受损情况，而火灾事故现场也已清理完毕。果木受损后，纠纷两方均未进行任何受损作物氟化物含量监测，且受损果园和蘑菇大棚均已跨越了至少近两个生长季，已无法通过作物氟化物含量检测给出因果关系判定。

根据环境保护部2014年发布的《环境损害鉴定评估推荐方法》（第II版）［1］，可综合利用现场调查、环境监测、生物监测、模型预测或遥感分析等方法初步确定人身损害、财产损害或生态环境损害的可能范围。在本次因果关系鉴定过程中，引入模型预测对火灾事故产生的二次污染物影响范围进行模拟，计算其最大落地浓度及影响距离，从而确定其影响范围及对果园区的贡献值，进而确定火灾事故是否影响果园。

1　事故企业及受损果园情况

1.1事故企业概况

1.1.1企业概况

事故公司位于山东某镇级工业园，除该公司外，周围1 km范围内没有其他氟制品企业。公司产品为聚四氟乙烯模压级粉料和粒料，年生产能力为300t。主要原料为聚四氟乙烯，辅料为玻璃纤维、石墨、青铜粉，另涉及少量乙醇作湿润剂。造粒时，不同产品，辅料添加比例不同，添加范围为15%～40%不等。生产工艺为粉碎、筛选、造粒、烘干等过程，产品属于本身无毒害的塑料制品，造粒和烘干最高温度为380℃左右。该公司环保手续齐全。

1.1.2厂区布置及联合车间布置

事故公司厂区呈长方形，南北长200 m，东西宽100 m。生产车间位于厂区中央偏南，尺寸为88 m× 42 m，钢结构，车间高度为3 m～4 m不等，以3 m高为主，局部为3.8 m和4.2 m。车间将整个厂区一分为二，北部空余用地种植了小麦，厂区南部从西向东分别种植了蔬菜和景观草皮，蔬菜种类以西红柿、芸豆和黄瓜为主，辅以其他季节性绿叶菜。厂内沿路种植了一些行道树或景观树。踏勘现场期间，联合厂房已拆除，车间地面及附近草丛中仍有少量遗留的聚四氟乙烯产品或原料的焚烧剩余物。

据保险公司存货残骸查勘信息，存货区包括仓库和生产区，具体为大厅仓库存货区（含原料、半成品和成品）、东仓库存货区、烘箱内半成品区、东冷库存货、粉碎车间、西冷库区域。事发时储存的原料、半成品和成品均为不同性状的聚四氟乙烯，辅料材料为玻璃纤维、石墨和青铜粉，并有少量的溶剂乙醇。厂区及车间信息见图1。

1.1.3物料损毁情况

据保险公司损毁名细，原料、半成品和成品储存量分别为24931.04kg、20543.53kg和17140kg。原料、成品均采用纸板桶储存，规格为25 kg/桶，尺寸以Φ40cm×高35cm为主，其他少量尺寸为Φ50cm×高35 cm或Φ45 cm×高35 cm，桶内均内衬PE塑料袋2层，塑料袋尺寸为80cm×90cm。半成品大厅区包装为纸板桶，桶规格以Φ40cm×高35cm为主，还有少量规格为Φ50 cm×高35 cm的纸板桶，桶内均内衬PE塑料袋2层，塑料袋尺寸为80 cm×90 cm；烘箱内半成品为不锈钢烘盘储存，未损毁；东冷库内的半成品包装形式为镀锌铁桶，铁桶标准规格为Φ60 cm×高80 cm，内衬两层塑料袋，塑料袋尺寸为160cm×100cm，每桶物料装存量不一。

1.2企业周围农作物分布及果园信息

1.2.1果园及食用菌大棚分布信息

与公司火灾事故产生环境污染纠纷为两个村庄，其纠纷场地为两处果园和一处食用菌大棚。根据第三方某测绘公司出具的测绘证明，两处果园距离火灾事故车间分别为740m和1673m，方向为NNW向；食用菌大棚距离为905m，方向为NNW偏北。

1.2.2周围其他农作物分布

氟制品公司厂界外侧分布有大量农田，事发时主要作物为冬小麦，尚未收割。根据当地公众媒体的报道，2013年度当地小麦收割时间约为6月20日之后，火灾事发时小麦已进入成熟期。

另据公司现场照片，公司厂区内联合车间外侧北部约10 m之外种植了两块麦田，占地面积约为9500m2。厂区车间南侧为菜地和草坪，菜地面积约为900 m2，种植作物以西红杮、芸豆和黄瓜为主，还有少量其他季节性蔬菜。从照片来看，火灾发生后，厂内蔬菜生长势头仍保持原状，未见其受火灾影响。

2　事故溯源及污染源强确定

2.1纠纷事故发生后利害关系人诉求

火灾事故发生3天后，两个纠纷村庄农民反映有其果园出现了落叶、落果和叶片边缘焦黄现象，怀疑是火灾企业产生的有毒气体导致了落叶、落果和叶片边缘焦黄的发生。当地农业部门于事故发生日6天后介入，针对两个村庄各出具了一份测产报告，当地受损农户依据测产报告，委托第三方出具了资产评估报告，而后受损农户以火灾产生有毒烟气导致果树树叶脱落和果实脱落造成果园大部分减产为由，向涉事公司提出赔偿事宜。涉事公司认为，落叶落果原因是极端天气，且农业部门出具的测产报告和第三方出具的资产评估报告均为受损报告，未进行任何受损作物氟化物含量监测。

受损农户以“环境污染责任纠纷”为由诉讼至当地法院后，第一次庭审阶段，双方主要围绕火灾事故是否产生含氟有毒气体展开。

2.2火灾事故遗存现场踏勘结果

火灾发生时，各种涉及聚四氟乙烯的物料以不同形式贮存于车间内，从火灾存留照片来看，公司火灾损毁物质以纸桶、纸桶内衬PE袋为主，存放的少量酒精全部烧毁，不同的存放形式，导致火灾后物料堆存形态不一。从保险公司现场拍摄的照片和录像来看，纸制原料或成品包装桶基本烧掉，两层PE袋烧结，上沾有白色聚四氟乙烯粉料；周转铁桶内两层PE袋内衬过火区烧结，但周转铁桶未烧化，上面沾有聚四氟乙烯粉料。

保险公司在损毁清单中对不同储存区的物料均进行了详细标注，包括堆高、包装方式、内存物质种类、规格、色泽、组分等。源强计算时按照联合厂房内聚四氟乙烯原料、半成品及成品不同堆放区的过火表面积进行核算，其中原料储存区过火表面积为338m2，中间成品过火表面积为235m2，成品过火表面积为270m2。依据包装桶和包装袋燃烧照片，可认为黑色燃烧层为包装物燃烧后的残体，裸露的白色部分为聚四氟乙烯，同时裸露的白色聚四氟乙烯表面未见明显的熔融现象。为保守起见，本报告的失重量以1mm的烧结层厚度计算失重量，计算结果高于现场实际情况。经计算，烧结的聚四氟乙烯量约为1.632kg。

填充材料石墨粉和青铜粉均为不燃物且难熔，玻璃纤维熔点（680℃左右）低于石墨粉和青铜粉，但玻璃纤维过火后未出现熔化后的玻璃珠状态，间接说明火场烟温低于其熔化点。

聚四氟乙烯表面与两层PE袋接触部分有分布均匀的黑色烧结层，层厚约1 mm，从性状来看，主要成分应为PE袋烧结剩余物。其他物质均未参与燃烧，这与各种储存物质的安全技术参数基本一致。

2.3火灾事故中企业污染物排放溯源

2.3.1火灾现场烟气层温度的确定

联合厂房为碳素钢结构（夹层为玻璃岩棉），顶部由外到内依次为彩钢瓦/岩棉/防火铝箔锡纸，窗户钢塑结构。根据文献［2］认为可根据火场金属熔点确定火场温度，钢的熔点为1430℃。钢材强度在0～250℃内基本没有变化，在250℃时强度略有增加，300℃以上强度开始下降，500℃以上强度为原来的1/2，600℃以上强度为原来的1/6～1/7，强度几乎为零。另文献［3］可知，在未采取消防措施的火灾中，火场温度通常会达到800～1 200℃，该温度下具有较高导热性能的钢结构一般会在15min左右，就会出现塑性变形，产生局部损坏，并彻底丧失承载能力导致整体垮塌［2］。公司采用夹芯钢板作为间隔墙和外墙，内部以具有较高保温性能岩棉作为填充材料，金属夹芯板在800～1200℃的耐火极限约10min左右。

从整个火灾时间来看，火情持续时间为120min，其中干粉灭火时间约5 min，但未控制火情，消防水枪灭火时间为110min，钢结构车间垮塌发生在火灾2 d后。根据对保险公司、消防人员及公司技术人员口头询问，车间顶部未发现明显变化，车间电线铜线漆膜烧损，但铜线完好。火灾后包装焚毁的玻璃纤维未发现轻微玻璃珠现象，聚四氟乙烯除与PE内衬接触部分表层呈黑胶状，内部未发现熔融现象。参照文献［4］可知，较高处铜线漆膜烧损，但铜线完好，说明较高处温度小于1100℃；低碳钢制成的钢结构支撑扭曲、变形，说明局部温度可能高于700℃，车间2天后才垮塌说明火灾时高温时间较短；聚四氟乙烯除表面与PE接触部分呈黑胶状，内部未发现熔融现象，玻璃纤维未发现烧结后的玻璃珠现象，说明该区域火场温度应该在680℃以下。

综上所述，火灾过程中温度呈曲线上升的过程，随着消防救援的开始，高温区又呈曲线下降过程，从火场现状实际情况来看，超过700℃以上的高温时段持续时间较短，救援过程中的温度大部分时间应该在700℃以下，部分已灭火区域甚至更低。

2.3.2现场遗迹与模拟试验对照情况

勘查期间，车间焚烧后的物料基本清理，现场遗存的聚四氟乙烯物料呈分布均匀的黑色烧结层，层厚约1mm。为验证火灾事故发生时聚四氟乙烯的燃烧及热解情况，本院于2015年5月12日于事故公司进行了焚烧试验。模拟试验时间为可燃烧物质点燃起至试验材料无明火产生，总时长约20min左右。模拟焚烧试验结果黑色板结层厚度也不足1 mm，从性状来看，主成分应为PE袋烧结剩余物。

2.3.3焚烧产生的污染物判定

根据文献［5-6］，并经咨询专家可知：聚四氟乙烯属于耐热材料，在260℃以内可长期使用，超过260℃以上开始出现失重，超过500℃热解反应速率加快。超500℃左右时，热解反应主要成分为四氟乙烯单体，其占比超过95wt%以上，热解温度在800℃左右时，热解烟气中成分仍以四氟乙烯单体为主，占比超90%以上。温度继续升高至1200℃左右时，热解烟气中四氟乙烯单体占比约80%，六氟丙烯、八氟异丁烯、氟光气等污染量增加，占比约为20%，热解烟气在明火情况下可燃。

根据本次火灾物质损毁情况及现场照片，并经专家讨论，在假定本次火灾产生表面热解的前提下，聚四氟乙烯（PTFE）热解的基本产物为四氟乙烯（TFE），当反应温度继续升高时，TFE会发生二次反应，生成六氟丙烯（HFP）、八氟环丁烷（OFCB）、八氟丁烯（OFB）和八氟异丁烯（OFCB）等小分子化合物。各种热裂解气在明火情况下进一步燃烧，遇湿会生成少量氟化氢类气体。

酒精和PE塑料产生的废气主要为CO2和H2O，CO2为空气中的固有组分，参与植物的光合作用，本次鉴定不作为次生污染物考虑。PE塑料不完全燃烧时还会产生链烃和多环芳烃，鉴于本次事件关注污染为氟化物，其他污染因子不再赘述。

火灾时废气污染物产生情况见表1。

2.3.4火灾事故产生的污染物对果树苗木的影响

根据表1，火灾事故产生的污染物主要为氟化物、CO2、H2O，还包括少量不完全燃烧的链烃及多环芳烃。其中氟化物以四氟乙烯为主，还有少量的六氟丙烯（全氟丙烯）、全氟异丁烯等混合气体，还可能产生极少量的氟光气，裂解气明火情况下进一步燃烧后产物为CO2和HF。其中CO2、H2O为植物光合作用所需物质，不作为污染物进行讨论，其他污染物质对作物的影响文献查阅结果见表2。

从文献查阅结果来看，全氟丙烯、四氟乙烯、全氟异丁烯和氟光气未查到对植物的相关影响，链烃未查到对植物的影响，多环芳烃仅查到土壤中多环芳烃对植物的影响。氟化氢对植物的影响文献较多，对桃、杏、桑树等经济作物影响明显，其中急性毒性初期叶片容易出现典型症状。

2.3.5火灾事故假定污染物产生量的确定

从公司生产特点来看，车间内储存的聚四氟乙烯以粉料或造粒料为主，在明火状态下纸板桶及内衬PE塑料与空气接触部分均烧毁，周转铁桶内衬PE塑料烧结，车间未发生爆炸事故。从对现场救援人员的身体健康调查来看，所有人员在未着防护服和防毒面具的情况下，均未发生轻、中及重度中毒现象，聚四氟乙烯原料、半成品和成品，除包装物表面烧结外，内部物料外观上未发生改变，说明桶内物料除表面温度略高外，内部温度较低，未达到相应裂解温度。

从最不利角度考虑，本次鉴定将PE塑料烧结层假定为聚四氟乙烯热解，热解层厚度由现场遗存烧结物和模拟试验结果确定，即约1 mm，假定该厚度的聚四氟乙烯发生了高温热解，热解产物主要是四氟乙烯及少量的其他裂解气，裂解气在超过400℃的明火中进一步燃烧生成氟化氢。

从查阅到的资料来看，聚四氟乙烯可分解成多种产物，多数对植被未见有害报道，其中以氟化氢对植物影响最重。本次按照最不利情况考虑，即烧结后聚四氟乙烯中的氟元素全部生成氟化氢进行考虑。

根据纯聚四氟乙烯的分子式，即［C2F4］n，其中氟的比重约为76%，本次聚四氟乙烯烧结量为1.632kg，则参与裂解的氟量为1.240kg。按照摩尔比推算，折算成氟化氢的量为1.305kg。

本报告假定PE焚烧残体全部为聚四氟乙烯热解层，以1 mm的烧结层厚度计算，聚四氟乙烯烧结量约为1.632 kg。在假定前提下，火灾事故聚四氟乙烯主要热解气体以四氟乙烯为主，其次为少量的六氟乙烯、八氟环丁烷及极少量的全氟异丁烯和氟光气等混合气体。热解气在明火情况下燃烧产生小分子氟化物，遇湿会形成氟化氢等。

从可查阅的文献看，聚四氟乙烯可分解成多种产物，多数对植被未见有害报道，其中以氟化氢对植物影响最重。本次按照最不利情况考虑，即烧结烟气中氟化氢排放量为1.305kg。

3　受损农户关心污染物氟化物的影响预测

鉴于目前国际上和国内尚无很适合火灾情形下大气污染物扩散模拟的模型，因此确定采用环境部发布的《环境影响评价技术导则 大气环境》HJ2.2-2008推荐模式-SCREEN3（2008.1.5 V1.0）［7］。该模型采用了单源高斯烟羽扩散模式，适合模拟小尺度范围内流场一致的气态污染物的传输与扩散，可用于模拟点源、面源、线源、体源、逆温、海岸线等的下风向轴线上的最大浓度；一般来说，同等计算参数条件下，SCREEN3模式估算的地面浓度大于等于采用ISC3模型（或AERMOD模式）用全部气象数据和地形数据计算的浓度，因此计算结果是相对保守的。对于本次火灾情形，简化以经验理论模型SCREEN3来模拟是保守的、可行的。排放源参数见表3。

表1　损毁物料火灾事故废气污染物产生表

表2　火灾事故废气污染物对植物影响研究结果

表3　火灾烟气污染源参数表

以2013年6月2日17时的气象资料证明为基础，确定风速4.8 m/s、气温26.8℃为基准，总云量取内插值3、低云量取内插值为0，根据《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》GB/T13201-91规定的大气稳定度划分方法，可见当时的大气稳定度只能为D类。然后设定风速浮动计算4.5 m/s和5.1 m/s情形，大气稳定度均为D类，设定排放源高度3m、5m和10m，总计9类计算方案见表4。采用国家环境保护环境影响评价数值模拟重点实验室发布的SCREEN3估算模型，对9类计算方案分别计算最大浓度出现距离、最大可能超标距离、不同下风向距离上的浓度分布情况，并筛选出其中的最大值，作为本次事故的最大影响程度和范围确定结果。

可见，在最保守的计算方案，最大预测结果的情形下，下风向740～905 m范围均未出现超标现象，浓度相对较低。

从表5中可以看出，此次火灾事故最大落地浓度为139.6 μg/m3，出现在距离车间边缘80 m处，即位于厂区内，预测至740 m处的果园南边界，落地浓度为9.538 μg/m3，预测至蘑菇棚90 m米南边界，落地浓度为6.614 μg/m3，能够满足《环境空气质量标准》（GB3095-2012）1 h平均浓度限值要求。从预测结果来看，短时间内火灾产生的氟化物对下风向作物种植区有一定影响，但达标范围基本控制在500m以内，且属于短时间影响，超过500 m，贡献值较低，基本不会影响其作物生长。

表4　计算方案设定

表5　各计算方案的最大浓度结果

4　基本大气预测结果产生的环境暴露与果农落果污染因果关系判定

本次鉴定评估采用了过火失重－环境预测－因果关系的鉴定评估技术方案，根据确定的失重源强，采用国家环境保护部认可的SCREEN3程序进行数值模拟，从模拟结果看出，在假定最大源强下，火灾产生的氟化物最大影响距离不超过500 m，该范围内没有纠纷果园的存在。基于以上因素，根据目前所能收集到的证据和掌握的所有环境数据，上述果木减产事件与某氟材料公司本次火灾事故之间不存在明显因果关系。

5　结论

大气环境污染损害因果关系存在取证难、周期长的特点，本次鉴定受理时间发生于事件两年后，现场存留痕迹无法直接进行因果关系判定，本案例尝试将预测模型引入损害鉴定，并针对现场情况和当时的气象条件提出了多种预测方案，并选择最保守方案确定影响范围，确保了因果关系判定的科学和严谨性。

在鉴定过程中，关键物质聚四氟乙烯定损量和物质热解层厚度依据现场留存照片、遗留物质样品、模拟焚烧试验，并对现场参与人员进行回访后确认，聚四氟乙烯热解烟气中物质组分及含量引自文献，热解后废气成分以影响最大的氟化氢进行认定，污染浓度及影响距离等计算结果应该大于实际情况。

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（本文编辑：马 栋）

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

国家自然科学基金项目（21277059）

杨淑英（1974—），女，高级工程师，主要从事环境污染控制工作。E-mail:yangyunsi@126.com。