彭州市本地化環(huán)境空氣質(zhì)量健康指數(shù)(AQHI)構(gòu)建

賴長邈，田曉剛，姜 濤，劉思瑤，王志凱，周美君

(四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，成都 610041)

引 言

大氣污染導(dǎo)致的環(huán)境和人群健康風(fēng)險(xiǎn)已成為全球性環(huán)境問題。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)2016年數(shù)據(jù)顯示，全球每年約有420萬人因大氣污染死亡，91%的人口仍居住在空氣質(zhì)量超標(biāo)的地區(qū)[1]。在中國，仍有一半以上的城市環(huán)境空氣質(zhì)量遠(yuǎn)低于WHO關(guān)于環(huán)境空氣質(zhì)量的推薦值。相關(guān)研究表明，大氣顆粒物(PM10、PM2.5)污染在國內(nèi)人群疾病負(fù)擔(dān)歸因危險(xiǎn)因素中高居第4位[2]；大氣污染物濃度的增加與城市居民發(fā)病就診人數(shù)(呼吸系統(tǒng)、心肺功能等)、死亡等健康結(jié)局的增加有密切聯(lián)系[3-4]。因此，構(gòu)建出能準(zhǔn)確且綜合反映空氣污染對(duì)人群健康影響的評(píng)估方法顯得尤為迫切。

環(huán)境空氣質(zhì)量健康指數(shù)(Air Quality Health Index，AQHI)是一種新型評(píng)估和衡量空氣質(zhì)量與人體健康風(fēng)險(xiǎn)之間相互聯(lián)系的指數(shù)，基于暴露(污染濃度)-反應(yīng)(健康效應(yīng))關(guān)系而建立，可以表征短期環(huán)境空氣質(zhì)量的健康風(fēng)險(xiǎn)。該指數(shù)最早由加拿大提出，并于2008年正式發(fā)布[5]，并被普遍認(rèn)可和推廣。國際上，南非[6]、法國[7]、瑞典[8]曾相繼開展過此方面的研究。在國內(nèi)，中國香港[9]已于2014年正式啟用AQHI，而上海市[10]、廣州市[11]、蘭州市[12]、天津市[13]、麗水市[14]也已相繼開展本地化AQHI研究，其中麗水市更是制定和發(fā)布國內(nèi)首個(gè)地方性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量健康指數(shù)(AQHI)技術(shù)規(guī)定》(DB3311/T 147-2020)。相較于國內(nèi)現(xiàn)行的空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index，AQI)，AQHI能夠體現(xiàn)并突顯多種污染物的協(xié)同復(fù)合作用對(duì)人群構(gòu)成的短期健康風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)化對(duì)人群健康的不利預(yù)期，從而有效及時(shí)開展防護(hù)。

鑒于大氣污染和人群健康顯著的地域性特征，而AQHI構(gòu)建必須遵從本地化原則，使其符合區(qū)域內(nèi)實(shí)際狀況，以便準(zhǔn)確表征暴露-反應(yīng)關(guān)系。彭州市，是成都市西北方向上重要的生態(tài)屏障和石油化工產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢發(fā)展基地。一方面，坐擁白水河自然保護(hù)區(qū)、龍門山國家森林公園等優(yōu)質(zhì)生態(tài)資源；另一方面，又布局有石油化工、金屬加工、建材造紙等污染型企業(yè)，兼具良好生態(tài)環(huán)境本底、典型污染排放企業(yè)，是一個(gè)公眾健康風(fēng)險(xiǎn)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題并存的典型耦合開放系統(tǒng)，是探究環(huán)境質(zhì)量與人群健康的相互關(guān)系的典型研究對(duì)象。目前，國內(nèi)尚未有在西南片區(qū)開展相關(guān)研究的報(bào)道，四川省內(nèi)則以開展飲用水水源健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為主[15-16]。因此，本研究基于彭州市大氣污染物濃度和呼吸系統(tǒng)疾病就診人數(shù)數(shù)據(jù)，通過建立暴露-反應(yīng)關(guān)系構(gòu)建本地化AQHI，為當(dāng)?shù)鼐用窠】党鲂泻驼h(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐，是一項(xiàng)有前瞻性和探究性的工作。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)均采用2020年1月1日～2021年9月14日(共623天)逐日數(shù)據(jù)。

1.1.1 環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)

NO2、PM10、PM2.5采用24h平均值，O3采用日最大8h平均值。數(shù)據(jù)來源于彭州市延秀小學(xué)環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測站(省控站點(diǎn))。彭州市CO、SO2因其監(jiān)測濃度值低，遠(yuǎn)低于可能造成人體健康危害的閾值[17]，故不納入AQHI計(jì)算。

1.1.2 氣象數(shù)據(jù)

采用氣溫、氣壓、相對(duì)濕度三項(xiàng)指標(biāo)。數(shù)據(jù)通過查詢專業(yè)氣象網(wǎng)站(https：//rp5.ru)中彭州市歷史氣象數(shù)據(jù)獲取。

1.1.3 人群健康數(shù)據(jù)

呼吸系統(tǒng)是大氣污染物靶器官，大氣污染會(huì)引發(fā)急慢性呼吸系統(tǒng)疾病[18]，而呼吸系統(tǒng)疾病急診、門診人數(shù)相較于死亡人數(shù)可更好地體現(xiàn)環(huán)境空氣對(duì)人群健康的短期效應(yīng)[19]，也可以較為準(zhǔn)確的評(píng)估急性暴露引起疾病發(fā)生的情況[20]。研究共統(tǒng)計(jì)彭州市區(qū)域內(nèi)醫(yī)院、鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生所(共33家醫(yī)療機(jī)構(gòu))每日呼吸系統(tǒng)疾病門診、急診總?cè)藬?shù)資料，該統(tǒng)計(jì)人數(shù)不包含新冠疫情的人數(shù)。

1.2 方法

1.2.1 統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用Original Pro 2017軟件數(shù)據(jù)分析功能對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性分析，采用Spearman檢驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)性分析，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.01(雙側(cè))。

1.2.2 時(shí)間序列分析

廣義相加時(shí)間序列分析模型(Generalized Additive Models，GAM)，可運(yùn)用非參數(shù)平滑函數(shù)引入和控制與因變量之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系的混雜因素(如日歷效應(yīng)、氣象條件、長期趨勢等)，以不同函數(shù)加和的形式擬合模型，模擬污染物與人群健康效應(yīng)的相關(guān)性。其基礎(chǔ)模型為：

logE(Yt)=α+DOW+β·Xt+s(time，df)+s(Zt，df)

(1)

式中，Yt—第t日呼吸系統(tǒng)疾病就診人數(shù)；E(Yt)—第t日呼吸系統(tǒng)疾病就診人數(shù)期望值；α—截距；DOW—day of week，即確定數(shù)據(jù)日期對(duì)應(yīng)星期幾，以便在建模分析時(shí)突出星期幾之間不同的效應(yīng)；β—回歸系數(shù)；Xt—第t日某種大氣污染物濃度；s—平滑樣條函數(shù)；time—時(shí)間；Zt—第t日氣象要素；df—自由度。

模型建立與擬合由R2.11.1軟件中的mgcv拓展包實(shí)現(xiàn)[21]。

1.2.3 AQHI構(gòu)建

1.2.3.1 相對(duì)危險(xiǎn)度(Relative Risk，RR)

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)論[9～12]，選擇利用GAM模型建立單污染物暴露-反應(yīng)關(guān)系得到回歸系數(shù)(β值)，可計(jì)算出大氣污染物濃度改變一個(gè)四分位間距(Inter-Quartile Range，IQR)時(shí)，人群呼吸系統(tǒng)疾病每日就診人數(shù)自然對(duì)數(shù)的相應(yīng)改變量，同時(shí)計(jì)算其95%置信區(qū)間(95%CI)。

RR=exp(β·IQR)

(2)

95%CI=exp[(β±1.96SE)·IQR]

(3)

式中，RR—相對(duì)危險(xiǎn)度；IQR—四分位間距，即P75-P25；SE—標(biāo)準(zhǔn)誤。

1.2.3.2 超額風(fēng)險(xiǎn)率(Extra-risk Rate，ER)

本研究超額風(fēng)險(xiǎn)率是指彭州市因空氣污染誘發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病，從而新增到醫(yī)院就診的人數(shù)的比率。以各污染物的監(jiān)測濃度為基準(zhǔn)，用自然對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行調(diào)整，依據(jù)暴露-反應(yīng)關(guān)系回歸系數(shù)β，即可分別計(jì)算出污染物造成的呼吸系統(tǒng)疾病超額風(fēng)險(xiǎn)率。

ERit=100×[exp(β×Pit)-1]

(4)

式中，ERit—污染物i在第t天所導(dǎo)致的呼吸系統(tǒng)疾病超額就診率；Pit—污染物i在第t天的日均濃度。

1.2.3.3 AQHI分級(jí)分類

為了便于AQHI的計(jì)算和應(yīng)用，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)代入法進(jìn)行AQHI的分級(jí)分類，以便與國內(nèi)外環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)銜接，使其具有可比性[22]。將各級(jí)對(duì)應(yīng)的污染物濃度限值帶入公式(4)，即可得到該污染物對(duì)應(yīng)的ERit上下限值；再相加得到總體ERt上下限值，從而建立ER分級(jí)分類表。至此，利用各污染物實(shí)時(shí)或歷史濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出相應(yīng)的呼吸系統(tǒng)疾病超額就診率ERt，最終利用公式(5)計(jì)算得到彭州市當(dāng)日或歷史環(huán)境空氣質(zhì)量健康指數(shù)(AQHI)。

(5)

式中，AQHI—環(huán)境空氣質(zhì)量健康指數(shù)；ERt—彭州市總體人群非意外呼吸系統(tǒng)疾病超額就診率；ERL—查找ER所在區(qū)間對(duì)應(yīng)的低位值；ERH—查找ER所在區(qū)間對(duì)應(yīng)的高位值；AQHIL—查找ER所在區(qū)間對(duì)應(yīng)的健康指數(shù)低位值。

2 結(jié) 果

2.1 描述性分析

由表1可知，研究期間，彭州市NO2、PM10、PM2.5、O3指標(biāo)的24h濃度值分別為27±13、57±35、33±23、102±49μg/m3，對(duì)照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)樣本超標(biāo)率分別為0.2%、3.0%、5.6%、13.0%，最大值超標(biāo)倍數(shù)分別為0.03、1.40、1.64、0.85。氣溫、氣壓、相對(duì)濕度的平均值與中位值均差異不大，分別為17.4℃與18.2℃、759.9Pa與759.8Pa、79.1%與79.5%。全人群呼吸系統(tǒng)疾病就診人數(shù)在425～2399之間，低值和高值分別出現(xiàn)在2020年4月4日(春季)和2020年1月6日(冬季)，與環(huán)境空氣質(zhì)量波動(dòng)趨勢一致。

表1 2020～2021年彭州市環(huán)境空氣污染物指標(biāo)、氣象因素及呼吸系統(tǒng)疾病就診人數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)Tab.1 Descriptive statistics of air pollutants and meteorological factors and daily counts of patients with respiratory diseases in Pengzhou in 2020-2021

2.2 相關(guān)性分析

根據(jù)Spearman相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果(見表2)，在極顯著(ρ<0.01)的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義下，呼吸系統(tǒng)疾病就診人數(shù)與污染物指標(biāo)及氣象因素的相關(guān)性(β絕對(duì)值)由大到小依次為：NO2>O3>平均氣溫>平均氣壓>PM2.5>PM10>相對(duì)濕度，其中，除O3和平均氣溫呈負(fù)相關(guān)性外，其余均呈正相關(guān)性，且NO2相關(guān)性最佳，這與喬明利等人[12]構(gòu)建蘭州市AQHI的相關(guān)性結(jié)果保持一致。值得注意的是，PM10與PM2.5相關(guān)性極強(qiáng)(R=0.94795)，NO2與PM10(R=0.66011)、PM2.5(R=0.59300)之間也呈強(qiáng)相關(guān)性；而O3與氣溫(R=0.72134)、氣壓(R=-0.6326)的相關(guān)性則要明顯強(qiáng)于其他污染物指標(biāo)。

表2 2020～2021年彭州市環(huán)境空氣污染物指標(biāo)、氣象因素及呼吸系統(tǒng)疾病就診人數(shù)的Spearman統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)Tab.2 Spearman statistics of air pollutants and meteorological factors and daily counts of patients with respiratory diseases in Pengzhou in 2020-2021

2.3 時(shí)間序列分析

根據(jù)彭州市本地化環(huán)境空氣污染物濃度特征，以當(dāng)?shù)睾粑到y(tǒng)疾病就診人數(shù)作為健康結(jié)局，同時(shí)，考慮空氣污染誘發(fā)人群健康效應(yīng)的滯后性，利用GAM模型分別擬合出不同滯后天數(shù)(lag0～lag7、lag10)與各個(gè)污染物濃度對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)(β)，并計(jì)算RR及其95%CI區(qū)間。

從結(jié)果可知(見表3)，不同滯后天數(shù)擬合條件下，當(dāng)NO2、PM10、PM2.5、O3每增加一個(gè)IQR濃度時(shí)，其RR值范圍分別為1.040～1.068、1.015～1.025、1.001～1.023、0.992～1.028，而其最大RR值對(duì)應(yīng)的最佳滯后天數(shù)分別為lag0(1.068)、lag7(1.025)、lag7(1.023)、lag1(1.028)，均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明彭州市因各污染物濃度增加而導(dǎo)致人群產(chǎn)生最大健康風(fēng)險(xiǎn)的滯后時(shí)間存在差異，也是構(gòu)建本地化AQHI時(shí)選取β值的重要依據(jù)。

表3 彭州市不同滯后天數(shù)GAM模型擬合β值和RR(95%CI)值統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical values of β and RR calculated with GAM in case of different lag days

2.4 本地化AQHI構(gòu)建

依據(jù)各污染物最佳滯后天數(shù)，選擇其對(duì)應(yīng)的β值帶入公式(4)，即可構(gòu)建彭州市本地化AQHI計(jì)算公式。

(6)

式中，ERt—因人群暴露而可能發(fā)生的健康風(fēng)險(xiǎn)，即呼吸系統(tǒng)疾病的超額就診率；PPM2.5、SO2、O3、NO2—大氣中相應(yīng)污染物的濃度值，μg/m3。

2.5 AQHI分級(jí)分類

參考中國香港[9]、麗水市[14]等經(jīng)驗(yàn)做法，本研究擬將彭州市本地化AQHI劃分為4類11級(jí)，其中1～3級(jí)歸為低風(fēng)險(xiǎn)類，4～6級(jí)歸為中風(fēng)險(xiǎn)類，7～10級(jí)歸為高風(fēng)險(xiǎn)類，10+級(jí)歸為嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)類。將各級(jí)對(duì)應(yīng)的污染物濃度限值帶入公式(6)，即可得到該污染物對(duì)應(yīng)的ERi上下限值，相加得到總體ERt上下限值，從而建立ER分級(jí)分類表(見表4)。至此，利用各污染物實(shí)時(shí)或歷史濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，先利用公式(6)計(jì)算出相應(yīng)的呼吸系統(tǒng)疾病超額就診率ERt，再利用公式(5)計(jì)算出彭州市當(dāng)日或歷史環(huán)境空氣質(zhì)量健康指數(shù)(AQHI)及其相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

表4 彭州市本地化AQHI污染物濃度限值和ER分級(jí)分類Tab.4 AQHI，pollutant concentration limits and ER classification in Pengzhou (μg/m3)

3 討 論

研究期間，彭州市AQHI與AQI數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果見表5。當(dāng)每增加1個(gè)IQR時(shí)，AQHI計(jì)算得到的人群健康風(fēng)險(xiǎn)(RR=4.358)明顯高于AQI(RR=1.033)，從超標(biāo)率方面看，以AQI判定的超標(biāo)天數(shù)(118d)明顯低于AQHI判定的超標(biāo)天數(shù)(189d)，說明AQHI對(duì)大氣污染物濃度變化的敏感性優(yōu)于現(xiàn)行的AQI。這可能是因?yàn)?，AQI只關(guān)注當(dāng)日污染濃度值最大污染物(首要污染物)的環(huán)境影響，而首要污染物的健康危害往往并不是最嚴(yán)重的；而AQHI則充分考慮了多種大氣污染物的協(xié)同聯(lián)合作用對(duì)人群健康效應(yīng)的綜合影響，并能夠傳遞出合理可靠的健康風(fēng)險(xiǎn)信息給予公眾提醒。

表5 彭州市AQI與AQHI對(duì)比分析結(jié)果 (2020年1月～2021年9月)Tab.5 Comparison between AQI and AQHI in Pengzhou (from January 2020 to September 2021)

從健康風(fēng)險(xiǎn)防控角度，AQHI更適宜于全面綜合反映大氣污染狀況對(duì)人群健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)，能挖掘出污染濃度并不大，但其健康效應(yīng)更為顯著的污染物指標(biāo)。以本研究為例，NO2的濃度及超標(biāo)率雖是其他指標(biāo)中最低的，但其RR值大小及其對(duì)AQHI的貢獻(xiàn)是其他指標(biāo)中最大的，這一方面或許與彭州市AQHI的本地化特征密切相關(guān)，即NO2濃度波動(dòng)與呼吸系統(tǒng)疾病就診人數(shù)的波動(dòng)保持較高的一致性；另一方面，說明AQHI比AQI具備更好的預(yù)測污染程度和健康風(fēng)險(xiǎn)的能力，這與Du等人[23]在中國272個(gè)城市開展的AQHI研究結(jié)論保持一致?？傮w而言，AQHI可以提供一個(gè)更為有效的信息機(jī)制，同時(shí)對(duì)大氣污染和健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估預(yù)測，為政府環(huán)境管理、居民生活出行提供科學(xué)指導(dǎo)，尤其對(duì)敏感性人群(嬰幼兒、孕婦、老年人、特殊過敏人群等)起到良好的保護(hù)作用，降低其在重污染天氣下的健康風(fēng)險(xiǎn)。

誠然，本研究構(gòu)建的彭州市本地化AQHI也存在著局限和不確定性。第一，研究數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度有限，可能存在選擇偏差。第二，大氣污染物對(duì)人體造成的健康效應(yīng)是一個(gè)不斷被證實(shí)或證偽的過程，會(huì)受到遺傳、個(gè)人生活習(xí)慣等因素的影響。由于大氣環(huán)境是多種物質(zhì)混合的復(fù)雜環(huán)境，受到多重因素綜合影響，存在多種污染物之間的交互作用；而不同年齡、不同性別的人群對(duì)污染物的耐受性和敏感性存在個(gè)體差異，也會(huì)導(dǎo)致在建立暴露-反應(yīng)關(guān)系時(shí)存在不確定性；第三，本研究僅采用呼吸系統(tǒng)疾病就診人數(shù)作為健康結(jié)局，而其他疾病(如心血管系統(tǒng)疾病)也可能與大氣污染存在相關(guān)性，部分混雜因素的影響機(jī)制尚待進(jìn)一步探究，建議在后期的研究中逐步完善。

4 結(jié) 論

本研究利用GAM模型，基于大氣污染濃度和呼吸系統(tǒng)疾病就診人數(shù)，建立暴露-反應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建彭州市本地化AQHI并分級(jí)分類。AQHI相較于AQI，更適宜于評(píng)估預(yù)測當(dāng)?shù)卮髿馕廴緦?duì)人群健康的綜合影響，符合未來城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與健康風(fēng)險(xiǎn)管理的發(fā)展趨勢。