兰州兽研所布病事件的气溶胶扩散模拟

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含菌气溶胶扩散对人群的潜在影响风险

袁文燕1,王 鹏1,伯 鑫2*,郭 静3,杨朝旭4,薛晓达3,常象宇5,张金良6,田 军7,王 刚8,马 岩2 (1.北京化工大学数理学院,北京 100029；2.生态环境部环境工程评估中心,北京 100012；3.北京航空航天大学经济管理学院,北京 100191；4.吉林化工学院资源与环境工程学院,吉林吉林 132022；5.西安交通大学管理学院,陕西西安 710049；6.中国环境科学研究院,北京 100012；7.南京大学环境规划设计研究院股份公司,江苏南京 210093；8.三捷环境工程咨询(杭州)有限公司,浙江杭州 310012)

收稿日期：2020-03-23

基金项目：国家自然科学基金资助项目(71673107)

* 责任作者, 高工, boxin@acee.org.cn

摘要：为分析生物气溶胶释放对人群潜在影响风险的情况,利用CALPUFF模型定量模拟了2019年7月24日~8月20日中牧兰州生物药厂含菌气溶胶扩散、浓度空间分布、对人群潜在健康风险,并结合公开报道的检测数据开展验证.结果显示:生物药厂的含菌气溶胶排放源附近高值区主要集中于厂区四周,影响范围主要以厂区为中心,并向四周逐渐扩散;检测结果中兰州兽研所1#,兰州大学2#地区健康风险比例41.49:1,在模拟的相对风险大小的误差区间(36.15±8.48)范围内,说明本研究含菌气溶胶对人群潜在影响风险的模拟结果可信.

关键词：含菌气溶胶模型；CALPUFF模型；健康风险

中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2020)07-

含菌气溶胶(粒径范围0.25~8μm)在大气中扩散、传播会引起人类疾病的感染、流行[1-5].国内外研究者利用不同尺度的扩散模型,模拟了生物(细菌、病毒等)气溶胶大气扩散、空间分布等,Kritana等[6]对比分析了各种口蹄疫预测模型优缺点,认为空气质量模型是预测口蹄疫传播的重要工具,现在的研究大多采用以下模式,应用于对人类和牲畜具有致病性的生物气溶胶研究之中,如RegAQMS模型[1]、CALPUFF模型[7]、高斯扩散模型[8-9]、ADM模型[10],这些模型研究微生物气溶胶向环境释放后的气溶胶浓度和分布情景.

从上述结果可知,空气质量模型在生物(病毒、细菌等)气溶胶模拟研究,多集中在病毒或细菌在大气的扩散、沉降、分布等过程,较少分析生物气溶胶释放对人口的潜在影响,本课题组在分析生物药厂环境影响评价报告书[11]等资料时发现,一些生物药厂建设在城市建成区内,对相关企业风险源强、微生物(病毒、细菌)环境中传播对人群潜在健康具体影响,无法定量评价,仅做定性分析和简要评价.

针对上述问题,本研究根据兰州兽研所布鲁氏菌抗体阳性事件公开报道数据[12-13],利用CALPUFF模型定量模拟了2019年7月24日~8月20日,中牧兰州生物药厂含菌气溶胶扩散、传播、空间分布情况,分析了含菌气溶胶对人口潜在影响情况,并结合公开报道的检测数据开展验证,为突发公共卫生事件应急响应、环境健康影响,生物药厂(利用活体病原体行制备生物预防疫苗制备企业)、生物安全实验室布局等提供技术支持.

1 材料与方法

1.1 研究区域与对象

图1 研究区域地形

Fig.1 Topography of Lanzhou ＋为排放源,1#为兰州兽研所,2#为兰州大学,★为兰州市气象站,UTM坐标系,单位:m

兰州市东西黄河横穿全境,峡谷与盆地相间,周围群山环绕,受这种复杂峡谷地形的影响,兰州市存在山谷风、城市热岛环流等复杂气象场,造成静风频率高、逆温条件频繁等不利气象条件[14-15].研究时段为2019年7月24日~8月20日,模拟情景来自2019年12月甘肃省卫生健康委员会发布的《中国农科院兰州兽研所布鲁氏菌抗体阳性事件调查处置情况通报》[13]:中牧兰州生物药厂在兽用布鲁氏菌疫苗生产过程中使用过期消毒剂,致使生产发酵罐废气排放灭菌不彻底,携带含菌发酵液的废气形成含菌气溶胶,释放到大气环境.模拟源强基本信息来自中牧实业股份有限公司兰州生物药厂生产区整体搬迁项目环境影响报告书[11] 等,涉及布氏杆菌2种(S2株、A19株),生产周期34d,研究范围为14km×14km,从图1可知,生物药厂排放源(+)靠近东边的兰州兽研所(1#),离兰州大学(2#)相对较远(约4km).根据兰州市气象站,研究时段当地的主导风向为E、ENE(图2),平均风速1.2m/s,静风频率2.4%,平均温度23.6℃.

图2 2019年7月24日~8月20日兰州市地面气象站风玫瑰 Fig.2 Wind rose map at LanzhouWeather Station from July 24 to August 20, 2019

1.2 空气质量模型

CALPUFF模型属于非稳态三维拉格朗日烟团模型[16],拉格朗日烟团模型克服了高斯模型在复杂地形、复杂气象场等条件下在精度和有效性上的不足,广泛应用到生物恐怖危害评估和生物气溶胶模拟等方面[17],CALPUFF模型系统也是中国生态环境部、美国环保署推荐的用于模拟污染物扩散的法规模式之一[18].CALPUFF模型能较好反映山谷风环流等复杂气象条件的大气预测,在国内多个复杂地形-复杂气象场项目中得到了应用,取得了很好的模拟效果[19-22].

本研究搜集了2019年7月24日~8月20日模拟区域内或周围的3处地面气象站数据(兰州、榆中、皋兰),气象因子包括:风速、风向、相对湿度、降水量、温度与气压等;高空气象数据为中尺度数据大气模式WRF模拟提供的三维气象场数据;区域地形资料来自美国地质勘探局(USGS),地形数据精度为90m,土地利用类型数据精度为30m[23].本研究建模网格分辨率100m,东西向140个格点,南北向140个格点.

本研究定量模拟布鲁氏杆菌气溶胶在大气环境长期浓度分布情况,布鲁氏菌(Brucella)是一种人畜共患的传染病[23],大小约0.5~1.5μm之间[25],布鲁氏菌可经呼吸道、消化道、损伤的皮肤等多途径传播[26].布鲁氏菌在不同环境中生存的时间各不相同,但无论在哪种环境下布鲁氏菌的存活时间都比较长,在有的环境下布鲁氏菌可生存长达18个月.布鲁氏菌在合适的条件下能生存很长时间,有较高的抗灭活能力,对湿热、紫外线、常用的消毒剂、抗生素等比较敏感;对干燥、低温有较强的抵抗力.而且,由于贮存宿主不断被发现,宿主转移现象越来越多,各种影响因素下,变异菌株的数量及类型不断增加,因此,形成布鲁氏菌属种型的一个演变过程[27].

关于含菌气溶胶模拟的研究报道,采用了PM10作为炭疽杆菌战剂释放传播过程的载体.本研究采用PM0.56作为模拟物质(PM0.56比PM10大小更接近布鲁氏菌),考虑了干湿沉降影响,不考虑含菌气溶胶的繁殖、爆发、衰变等过程.由于公开资料[12,13]中,没有关于本次事故泄漏源强排放量信息,本研究假设源强为定值[1g/(s·m2)].CALPUFF模型的研究区域污染物排放以面源形式输入,排放源参数如下:排放高度为5m、排放速率为1g/(s·m2)、海拔高度为1524m.

1.3 人口空间分布数据

本研究所用数据来自1km分辨率的2018年全球人口动态统计分析数据库(LandScan),该数据库基于地理因子(土地利用类型、夜间灯光、道路坡度、城市密度等)、自然环境(海拔高度等)及社会经济因子(道路、河流、铁路等)而产生,其开发过程利用地理信息系统、针对全球不同国家地区的生活文化、统计数据的质量、可获得性、精确性及尺度等方面的差别而建立的人口分配算法和遥感等方法,是目前涉及人口数据研究中被广泛采用的相对权威和准确的人口空间数据[28].由于中国官方未发布过高精度的人口分布,LandScan数据在中国人口的研究问题中广泛运用[29-30].图3为兰州地区模拟区域的分布情况.

图3 模拟区域人口分布示意 Fig.3 Population distribution of simulated regions

1.4 含菌气溶胶扩散对人群潜在影响风险分析方法

基于2018年LandScan人口空间数据和CALPUFF模拟的大气污染物浓度数据,将研究区域划分100m×100m的网格(i=1,2,……,N),根据每个网格的人口数量和大气污染物浓度,计算出每个网格的人口数量占区域总人数的比例Ri和每个网格的大气污染物浓度数值占所有网格的浓度的比例Ci,计算健康风险值Pi由公式(1)得出:

2 结果与讨论

2.1 含菌气溶胶的环境浓度分布

根据排放源对研究区域含菌气溶胶浓度模拟结果(图4),高值区主要集中于厂区四周,含菌气溶胶浓度长期平均浓度范围为1.21×10-3~44.70(假设源强为定值,分析2019年7月24日至8月20日平均浓度的相对大小,无量纲).含菌气溶胶浓度影响范围主要以厂区为中心,并向四周逐渐扩散,浓度影响大小与距离厂区有关,距离厂区越近的区域,含菌气溶胶浓度影响越大;距离厂区越远的区域,含菌气溶胶浓度影响越小.距离厂区西侧233m的1#地区浓度影响范围为0.1~20,距离厂区西南处3697m的2#地区的浓度影响范围为0.01~0.02.此次含菌气溶胶扩散模拟过程中,含菌气溶胶浓度最大值出现在1#区域附近,单位区域最大值为44.70,对比地面气象站风玫瑰图,含菌气溶胶长期平均浓度分布趋势与研究时段的主导风向并不完全一致,主要还与所在区域的复杂地形等其他因素有关.

图4 含菌气溶胶的环境浓度分布 Fig.4 Spatial distribution of the ocntribution of bioaerosol emission to airquality

2.2 排放含菌气溶胶对人群健康影响风险分析

图5 含菌气溶胶排放对人群健康影响风险值分布 Fig.5 Spatial distribution ofthe impact of bioaerosol emission on human health risk

本研究区域为含菌气溶胶排放源扩散易感染人群密集的地方,每一网格的人口密度越高,大气污染物浓度越高,人群暴露风险就越大,所产生的健康影响也随之增大(图5).根据公式(1)计算对人群健康影响风险,以1#,2#区域为例,其中位于排放源附近的1#地区受到含菌气溶胶对人群健康的影响值范围约为253.08~117886(平均值24135.7,方差30031),2#地区的人群健康影响值范围约为198.36~763.29(平均值340.44,方差127.35),含菌气溶胶对1#地区所在的人群健康影响较大,对于2#地区所在人群健康影响较小.含菌气溶胶对人群健康的影响最高值分布在排放源附近,高值区范围内的人群需要重点关注.

2.3 模型验证

为验证模型模拟健康风险与发病人数的准确性,根据公式(2)计算每个网格的人群健康的影响风险,计算地区1#和2#范围内的特征分布, 1#和2#地区的健康风险近似服从正态分布.根据每个地区的统计值(均值、方差)服从正态分布,抽取长度为网格个数的一组随机数值,对地区网格的健康相对风险值求和作为地区的健康相对风险.做10000次模拟实验得到10000次模拟结果,求每次模拟的相对风险值,10000次模拟的均值(作为健康相对风险估计值)、标准差(作为误差区间).

根据结果求1#,2#地区的健康风险比值的均值与标准差,该标准差作为本次研究误差区间,均值为36.15,标准差为8.48.根据大数法则,1#,2#地区的健康风险比值将收敛于期望值.因此,基于人口分布和气溶胶扩散模拟健康相对风险为,兽研所健康风险:健康风险=36.15:1.根据中国农科院兰州兽研所布鲁氏菌抗体阳性事件调查处置情况通报 [13] ,兰州大学学生和教职工中陆续检出抗体阳性,目前共检测3365人次,检出布鲁氏菌抗体阳性22人,阳性率0.65%,兰州兽研所学生和职工血清布鲁氏菌抗体初筛检测累计671份,实验室复核检测确认抗体阳性人员累计181例,阳性率26.97%,检测结果中兽研所健康风险:兰州大学健康风险=41.49:1,该结果在模拟健康风险的误差区间(36.15±8.48)范围内,说明本研究含菌气溶胶对人口潜在影响的模拟结果可信.

2.4 不确定性分析

本研究不确定性主要为以下几点:(1)源强不确定性,本研究源强基本信息来自兰州兽研所布鲁氏菌抗体阳性事件公开报道数据、公开环评报告数据等,无法获得真实事故下含菌气溶胶的浓度、排放量、时间谱等信息.(2)含菌气溶胶不确定性,含菌气溶胶具有物理特性(直径、密度等),是活的生命有机体,具有生物学衰减特性,并受到温度、湿度、紫外辐射等因素影响[31],本研究未考虑生物学衰减、含菌气溶胶物理性质等特性,可能造成结果高估.(3)受体人群不确定性,含菌气溶胶感染能力与人群的性别、年龄、体重、健康等情况有关,与人群是否在户外、室内有关,人群空间坐标是随着时间变化的,本研究未考虑此部分[31].

3 结论

3.1 本研究预测结果显示,在复杂峡谷地形-气象场条件下,含菌气溶胶排放源扩散主要分布在排放源厂区四周,并向外扩散.对于含菌气溶胶排放源浓度相对越高、人口密度相对越高的地方,人群暴露健康风险就越大.

3.2 以大数法则为依据,模拟健康风险大小与实际发病人数的关系,模拟结果显示,1#和2#地区健康风险比例在误差区间范围内,说明本研究含菌气溶胶对人口潜在影响的模拟结果可信.

致谢：感谢中节能中咨华瑞科技有限公司的杜康老师、贵州省生态气象和卫星遥感中心的刘丽老师,为本研究提供指导和帮助.

作者简介：袁文燕(1969-),女,江西南昌人,副教授,主要研究领域为最优化理论及应用.发表论文14篇.