基于概率风险分析的填埋场安全防护距离研究

徐 亚,刘玉强,能昌信,王 琪,3,黄启飞,董 路*(1.中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 100012；2.中国环境科学研究院,固体废物污染控制技术研究所,北京 100012；3.北京师范大学,地下水污染控制与修复教育部工程研究中心,北京 100875；4.北京师范大学水科学学院,北京 100875)

基于概率风险分析的填埋场安全防护距离研究

徐 亚1,2,3,4,刘玉强1,2,能昌信1,2,王 琪1,2,3,黄启飞1,2,董 路1,2*(1.中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 100012；2.中国环境科学研究院,固体废物污染控制技术研究所,北京 100012；3.北京师范大学,地下水污染控制与修复教育部工程研究中心,北京 100875；4.北京师范大学水科学学院,北京 100875)

针对危险废物填埋场(HWL)的建设运行现状和环境事故发生特点,确定以防渗层事故性破损为最大可信事故,以破损后渗滤液渗漏导致的人体健康危害为目标,提出了基于概率风险的HWL安全防护距离(SPD)确定的基本原则、方法和流程.对中部地区某HWL的安全防护距离进行了计算和不确定性分析,结果表明:考虑不同防护对象(污染物)情形下,计算得到的SPD值有所差异:以Cr的致癌危害,Cr、无机氟化物和Zn的非致癌危害为防护对象时,SPD值分别等于620、448、355和0m;不确定性分析表明受降雨量、水文地质参数不确定性的影响,SPD值存在较大的不确定性,经过P95校正的SPD为990m,大于GB 18598-2001中规定的800m的防护距离;最后文章指出安全防护距离的确定受场区降雨和蒸发条件、水文地质条件、填埋场接纳和填埋废物类型及其防渗系统配置等诸多因素影响,因此应该针对不同填埋场及其特征划定其SPD值,不宜采用一刀切的方法,统一规定HWL的安全防护距离.

概率风险；安全防护距离；渗滤液；健康风险

近年来,我国固体废物填埋尤其是危险废物填埋产业迅速发展[1-2].基于收集和运输成本考虑,多数危险废物填埋场均建立在城市周边等人口密集区域[3],公众反对意见不绝,企业布局环境风险凸显[4].如2011年,已启动环境影响评价的北京阿苏卫垃圾填埋场附属工程(焚烧厂)在周边居民激烈反对下一度搁浅,最终停止建设[5].公众反对的主要原因是该项目离居民点太近,而争论的焦点则是“多远才算足够远？”.

针对这一问题,我国固体废物填埋场相关标准中曾给出明确规定,如《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》(GB18599-2001)[6]规定厂界应距居民集中区500m以外;《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598-2001)[7].规定场界应位于居民区800m以外然而一方面我国土地资源紧张、用地矛盾突出,500m(800m)的选址要求导致很多填埋场一址难求;另一方面,某些填埋场防渗层破损严重,运营管理不规范,存在严重的环境安全隐患,目前的防护距离设置难以起到安全防护的目的.为此,环境保护部2013年第36号公告[8]明确规定不再统一划定危险废物填埋场(HWL)的安全防护距离(SPD),而应根据环境影响评价结论确定HWL场址的位置及与周围人群的距离.

然而文献研究表明国内迄今尚无专门的填埋场 SPD确定方法或相关技术标准.笔者针对我国HWL建设运行现状和环境事故发生特点,确定以防渗层事故性破损为最大可信事故,以破损后渗滤液渗漏导致的人体健康危害为目标,提出了危险废物填埋场SPD确定的基本原则和方法.

1 SPD确定的原则和方法

安全防护距离(SPD)是指在发生火灾、爆炸、泄漏等环境安全事故时,防止和减少对人员伤亡、中毒、邻近装置和财产破坏所需要的最小的安全距离.目前常用方法包括三种[9]:经验距离法(Experience Distance, ED)、基于后果的方法(Consequence Based Distance, CBD)和基于风险的方法(Risk Based Distance, RBD). ED法为定性方法,通过参考专家经验,或者类比同类项目确定,科学性较差[10];CBD和RBD均为定量方法,其中CBD考虑最不利事故[11],以保护周围人群在最不利事故条件下不受伤害为依据;RBD同时考虑事故的发生概率及其后果,以保护周围人群在“最大可信事故(MCA)”条件下不受伤害为依据[12-13].

RBD方法是建立在区域定量风险评价(QRA),或称概率风险评价(PRA)之上的,该方法最初由美国核管会(NRC)提出[12]用于核设施的风险评估,此后该方法被迅速推广到其他行业[1,14-16].

1.1 RBD方法的原理和方法

RBD方法的原则是保证在MCA发生的条件下,周围居民不受健康危害的最小距离. 因此其计算流程可概述如下:

首先,确定MCA及其发生概率;

第二步为后果计算,给出 MCA条件下的伤害等值线;

第三,确定健康危害可接受水平,并结合健康危害等值线图确定SPD;

最后,进行不确定性分析,给出经过不确定性校正的安全防护距离(CSPD).

1.2 MCA及其后果计算

1.2.1 MCA确定 HWL可能发生的环境安全事故,及其后果和可能性分析见表1.

表 1表明防渗层破损导致的渗滤液渗漏是危险废物填埋场中发生概率较大,且污染后果较为严重的事故,因此取其为 MCA,这与文献[17-18]的研究结果也是一致的.

1.2.2 MCA概率计算 采用统计分析法确定防渗层破损的概率及大小.采用偶极子方法对国内 80家填埋场(包括生活垃圾填埋场和一般工业固废填埋场)进行的防渗层破损检测,经过统计分析得到其漏洞面积的累计频率曲线,见图 1.参考水利、气象灾害等领域取累计频率为99%(大于等于该面积漏洞出现的概率是 1%,即百年一遇)的破损面积为 MCA下的破损面积[19-20].根据图 1,确定 MCA 下的破损面积为7.8m2/hm2,大于等于该面积的概率为1%.

表1 HWL主要环境风险事故分析Table 1 Analysis on the main environmental accidents in the HWL

1.2.3 MCA后果计算 后果计算对防渗层破损条件下渗滤液渗漏的人体健康危害进行计算,确定健康危害的等值线图.包括两个部分,首先计算渗滤液渗漏条件下的地下水污染物浓度,其次根据污染物浓度及其毒性参数计算人群饮用被污染地下水的健康危害值.

渗滤液渗漏条件下的地下水中污染物浓度采用下式计算:

式中:Cj表示地下水中第j种污染物的浓度,mg/L; A=a1, a2, a3,……, ai,代表与渗滤液产生量有关的参数,包括场区降雨量和蒸发量、封场后地表坡度和植被类型等参数;B=b1, b2, b3,……, bi,代表与渗滤液渗漏量有关的参数,包括防渗系统结构、导排系统特性、库底坡度和防渗层破损面积等参数;D=d1, d2, d3,……, di,代表与渗滤液中污染物在包气带和地下水中运移有关的参数,包括包气带和含水层厚度、包气带和含水层渗透系数,以及包气带和含水层水动力弥散系数等参数;x、y和t分别代表x坐标、y坐标和时间轴坐标;f1代表渗滤液渗漏条件下地下水中污染物浓度计算模型,详情参见文献[1].

人群饮用被污染地下水的健康危害值,分别考虑污染物的致癌效应和非致癌效应,采用剂量-效应模型进行计算其致癌风险值和非致癌危害商,相关公式及所需参数见文献[1].

1.3 SPD确定

1.3.1 健康危害可接受水平 对于非致癌危害,取非致癌危害商等于1为健康危害可接受水平;对于致癌危害,取致癌风险等于 10-6为健康危害可接受水平.

1.3.2 SPD确定 根据1.2.3计算得到的健康危害为距离(与填埋场)的单调递减曲线(图 2),结合

1.3.1确定的健康危害可接受水平,就可以确定HWL的SPD值.

当存在多种污染物,且不同污染物计算得到的安全防护距离不同时,取其最大值最为SPD值.

1.3.3 CSPD计算 在进行地下水污染物浓度计算时,需要输入降雨量、包气带和含水层厚度、包气带和含水层渗透等诸多参数,这些参数在时间和空间上均存在变异性[17],即不确定性.参数的不确定性会导致地下水中污染物浓度计算的不确定,进而影响安全防护距离的确定.为此,采用Monte Carlo方法模拟参数的不确定性,结合后果计算模型得到 SPD的累计概率分布,取其 95%分位值(P95)作为校正后的 SPD,即CSPD.

图2 SPD确定示意Fig.2 Sketch of SPD computation

2 案例研究

案例研究中的危险废物填埋场位于中部某内陆省份,填埋场设计库容为 27.4万 m3,库底面积约2.5hm2,填埋高度约11m(地面以下6m地面以上 5m).根据该填埋场设计规划,拟处理的危险废物主要为:含锌废物、无机氟化物和含铬废物,因此将Zn、F和Cr作为安全防护的目标污染物,以其健康危害作为填埋场安全防护距离的确定依据.

根据该填埋场的水文地质勘测报告,场区地质稳定性好,无活动断裂,地质条件较为简单.填埋场库底下方依次为13m左右的非饱和土层、15m左右的潜水含水层以及隔水层.潜水含水层为附近居民的供水水源,因此以其作为地下水污染浓度和健康危害程度评估的对象.

表2 模型计算所需的主要参数Table 2 Summary of main input parameters

2.1 模型参数

1.2.3节中后果计算所需参数及其来源如表1所示,来源一栏中:“实测”表示通过现场实测得到的数据;“设计资料”表示根据该填埋场的工程设计报告确定;“地勘数据”表示根据填埋场的水文地质勘测报告确定;“文献”表明缺少实测数据,通过参考文献确定,其中渗滤液中污染物浓度取HWL入场浸出浓度限值[7].

2.2 SPD计算结果

防渗层事故性破损条件下渗滤液渗漏污染地下水导致的人体健康危害计算结果见图 3.从图 3中可以看出,考虑不同防护对象条件下的安全防护距离不同.如图3(a)所示,以Cr及其致癌危害为防护对象,SPD值为620m;以Cr的非致癌危害为防护对象,SPD值为 355m;以无机氟化物的非致癌危害为防护对象SPD值为448m;而若只考虑 Zn的健康危害,那么可以不设置防护距离(即防护距离等于0).如需全面考虑所有污染物的危害及防护效果,应该选择最大值,即620m作为安全防护距离.

图3 健康风险的空间分布Fig.3 Spatial distribution of health risk value

2.3 分析与讨论

2.3.1 不确定性分析-SPD值校正 为分析降雨量、水文地质参数等不确定性对安全防护距离计算的影响,采用1.3.3节所述的Monte Carlo方法对分析复合因素不确定性影响下SPD的概率分布. 主要考虑的参数包括降雨量、包气带厚度和渗透系数、含水层厚度和渗透系数,其取值见表3,计算得到的SPD的频率分布见图4.从图中可知P95值等于990m,即CSPD等于990m.

表3 模型不确定性参数及取值Table 3 Uncertain parameters and their value

图4 不确定性条件下的SPD频率分布Fig.4 Frequency distribution of SPD with the consideration of uncertainties

需要说明,采用P95值对SPD进行校正是考虑较不利情形下的安全防护要求,即场区连年出现丰雨年份、包气带存在局部渗透系数偏大、厚度较薄等有利于渗滤液产生、渗漏和扩散的气象和水文地质条件.当认为CSPD值较大,难以满足选址要求时,可以对场区降雨和水文地质条件进行进一步调查分析,若调查结果表明场区不会出现上述不利情形,则可直接取SPD值作为实际的安全防护距离.

2.3.2 GB 18598—2001中防护距离的探讨 国家环境保护部2001年颁布的《危险废物填埋场污染控制标准》[7]中对HWL的SPD值做了明确规定,即“填埋场场界应位于居民区800m以外”.然而根据本文的案例研究,该填埋场厂界与最近居民点(或地下水取水点)距离只要大于620m即可满足防渗层事故性破损情况下,周边居民安全用水的要求,即SPD值等于620m.另外,根据上文计算,当主要防护污染物为无机氟化物时,SPD等于448m即可满足要求;而当污染物为Zn时,甚至无需设置 SPD.因此可以推断对于主要接纳废物为含Zn或含无机氟化物的HWL,其SPD值可以大幅减小.进一步可以推断,即使对于主要接纳废物为含Cr废物的HWL,当其实行更严格的防渗要求,所选厂址的包气带具有更强的截污能力,含水层具有更强的自净能力时,其SPD值也可以适当减小.

上述分析说明,HWL的SPD受场区降雨和蒸发条件、水文地质条件、填埋场接纳和填埋废物类型及其防渗系统配置等诸多因素影响,因此应该根据不同填埋场特征确定其安全防护距离.这与环境保护部 2013年颁布的第 36号公告[8]内容也是一致的-该公告中明确规定“不再统一划定危险废物填埋场的安全防护距离,而应根据环境影响评价结论确定HWL场址的位置及与周围人群的距离”.

3 结论

针对我国HWL建设运行现状和环境事故发生特点,确定以防渗层事故性破损为最大可信事故,以破损后渗滤液渗漏导致的人体健康危害为目标,提出了基于概率风险的危险废物填埋场SPD确定原则、方法和流程.在此基础上,以中部地区某HWL填埋场为例进行了SPD的计算和不确定性分析,得出以下结论:考虑不同防护对象(污染物)情形下,计算得到的SPD值有所差异:以Cr的致癌危害,Cr、无机氟化物和Zn的非致癌危害为防护对象时,SPD值分别等于620、448、355和0m;不确定性分析表明受降雨量、水文地质参数不确定性的影响,SPD值存在较大的不确定性,经过P95校正的SPD(CSPD)为990m,大于GB 18598—2001中规定的800m的防护距离;安全防护距离的确定受场区降雨和蒸发条件、水文地质条件、填埋场接纳和填埋废物类型及其防渗系统配置等诸多因素影响,因此应该针对不同填埋场及其特征划定其SPD值,不宜采用一刀切的方法,统一规定HWL的安全防护距离.

[1] 徐 亚,刘玉强,刘景财,等.填埋场渗漏风险评估的三级PRA模型及案例研究 [J]. 环境科学研究, 2014,27(4):447-454.

[2] 席北斗.危险废物填埋场地下水污染风险评估和分级管理技术[M] 北京:中国环境科学出版社, 2012.

[3] 王刊良,徐寅峰,汪应洛.一个有害物品填埋场选址的决策支持系统 [J]. 系统工程理论与实践, 1997,11:60-65.

[4] 蔡木林,王 琪,董 路.危险废物填埋场候选厂址比选方法 [J].环境科学研究. 2005,18(增刊):53-56.

[5] 李东泉,李 婧.从“阿苏卫事件”到《北京市生活垃圾管理条例》出台的政策过程分析:基于政策网络的视角 [J]. 国际城市规划, 2014,29(1):30-35.

[6] 环境保护部. GB18599-2001 一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准 [S]. 北京:中国环境科学出版社, 2001.

[7] GB18598-2001 危险废物填埋场污染控制标准 [S].

[8] 环境保护部.关于发布《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》(GB18599-2001)等 3项国家污染物控制标准修改单的公告 [Z]. 北京:环境保护部, 2013.

[9] Jonkman S N, van Gelder P F. An overview of quantitative risk measures for loss of life and economic damage [J]. Journal of Hazardous Material. 2003,9(1):1-30.

[10] Ale B J. Risk assessment practices in the Netherlands [J]. Safety Science, 2002,(40):105-126.

[11] 魏利军,多英全,于立见,等.化工园区安全规划方法与程序研究[J]. 中国安全科学学报, 2007,(9):45-51.

[12] William K, Mohammad M. A historical overview of probabilistic risk assessment development and its use in the nuclear power industry: a tribute to the late professor Norman Carl Rasmussen [J]. Re1iabi1ity Engineering and System Safety, 2005,(89):271-285.

[13] Bottelberghs P H. Risk analysis and safety policy developments in the Netherlands [J]. Journal of Hazardous Materials, 2000, 71(1-3):59-84.

[14] Ulrich H. A risk-based approach to land-use planning [J]. Journal of Hazardous Materials, 2005,A125:1-9.

[15] Thomas F, Sun P, Scott D, et al. Probabilistic assessment of environmental exposure to the polycyclic musk, HHCB and associated risks in wastewater treatment plant mixing zones and sludge amended soils in the United States [J]. Science of The Total Environment, 2014,493(15):1079-1087.

[16] Chu Y L, Dalaijamts C, Sheen L Y, et al. Probabilistic risk assessment of exposure to leucomalachite green residues from fish products [J]. Food and Chemical Toxicology, 2013,62:770-776.

[17] 徐 亚,颜湘华,董 路,等.基于 Landsim的填埋场长期渗漏的地下水污染风险评价 [J]. 中国环境科学, 2014,34(5):1355-1360.

[18] 于可利,刘华峰,李金惠,等.危险废物填埋设施的环境风险分析[J]. 环境科学研究, 2005,18(sl):43-47.

[19] Li Y F, Guo Y, Yu G. An analysis of extreme flood events during the past 400years at Taihu Lake [J]. Journal of Hydrology, 2013, 500(13):217-225.

[20] Ian C. Fuller. Geomorphic impacts of a 100-year flood: Kiwitea Stream, Manawatu catchment [J]. Geomorphology, 2008,98(1/2): 84-95.

[21] Drury D, Hall D H, Dowle J. The Development of LandSim 2.5.NGCLC Report GW/03/09. Environment Agency, Solihull. 2003.

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 亚(1985-),男,湖南岳阳人,主要从事固体废物处置与环境风险控制技术研究.发表论文20余篇.

2016-11-30

国家科技支撑计划(2014BAL02B03);国家自然科学基金项目(61503219);中央级院所基本科研业务专项重点项目(2016YSKY14);山东省自然科学基金(ZR2014DL008)

* 责任作者, 研究员, donglu@126.com