环境科学  2018, Vol. 39 Issue (7): 3014-3021   PDF    
引用本文
魏国茹, 史兴民. 西安市PM2.5健康损害价值评估[J]. 环境科学, 2018, 39(7): 3014-3021.
WEI Guo-ru, SHI Xing-min. Evaluation the Extent of Health Damage Caused by PM2.5 Particulate in Xi'an City[J]. Environmental Science, 2018, 39(7): 3014-3021.
西安市PM2.5健康损害价值评估
魏国茹1,2, 史兴民1,2     
1. 陕西师范大学地理科学与旅游学院, 西安 710062;
2. 地理学国家级实验教学示范中心(陕西师范大学), 西安 710062
收稿日期: 2017-10-22; 修订日期: 2017-12-28
基金项目: 教育部人文社科基金项目（15YJCZH141）
作者简介: 魏国茹(1992~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为环境变化与人类适应, E-mail:453092234@qq.com
通信作者: 史兴民, E-mail:realsimon@163.com
摘要: 选取2014、2015、2016年冬季PM2.5（24 h）浓度平均值，采用泊松回归模型评价全市居民连续3 a冬季PM2.5暴露的急性健康损害效应，修正的人力资本法评估过早死亡经济损失，疾病成本法评估住院、患病与门诊经济损失.结果表明，研究时段内（2014、2015、2016年冬季）由PM2.5造成的经济损失约为335.23亿元（95% CI：249.61~369.75）、211.05亿元（95% CI：135.60~268.80）、371.32亿元（95% CI：272.46~411.64），分别约占当年GDP的6.10%（4.54%~6.73%）、3.64%（2.34%~4.63%）、5.91%（4.34%~6.55%）；健康经济损失与当年冬季PM2.5浓度均值呈正相关关系；PM2.5污染物对西安市常住人口健康影响显著，影响的病例（2014、2015、2016年）分别约为1071338例（95% CI：646432~1385847）、438273例（95% CI：246842~599989）、1019503例（95% CI：611407~1324547）；对哮喘儿童患者的影响比成人显著，而慢性支气管炎的影响成人比儿童显著.该研究可为西安市实施PM2.5空气质量标准的成本效益分析提供科学的依据，为环境质量的管理提供参考.
关键词: 西安      健康损害      PM2.5      疾病成本法      修正人力资本     
Evaluation the Extent of Health Damage Caused by PM2.5 Particulate in Xi'an City
WEI Guo-ru1,2 , SHI Xing-min1,2     
1. School of Geography and Tourism, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China;
2. National Demonstration Center for Experimental Geography Education(Shaanxi Normal University), Xi'an 710062, China
Abstract: The study evaluated the acute health damage effect of PM2.5 exposure in winter in Xi'an City, using the average concentration of PM2.5 (24 h) and the Average Poisson Regression Model for three consecutive years, from 2014 to 2016. The Corrected Human Capital Method was used to evaluate the economic loss from premature death. The cost of illness was used to assess the economic loss of hospitalization, illness and clinic. The results show that the economic loss in the study period (2014, 2015, 2016) caused by PM2.5 was about 33.523 billion yuan (95% CI: 24.961-36.975), 21.105 billion yuan (95% CI: 13.560-26.880), and 37.132 billion yuan (95% CI: 27.246-41.164). The proportions of GDP were as follows: 6.10% (4.54%-6.73%), 3.64% (2.34%-4.63%), and 5.91% (4.34%-6.55%) for each of the three years. The health economic loss was positively correlated with the average PM2.5 concentration in winter. PM2.5 pollutants have a significant impact on the health of residents in Xi'an. The number of reported cases was about 1071338 (95% CI: 646432-1385847), 438273 (95% CI: 246842-599989), and 1019503 (95% CI: 611407-1324547) for each of the three years. The effects on children with asthma were significantly higher than that on adults, while adults with chronic bronchitis were affected more significantly than children. This study can provide a scientific basis for cost-benefit analysis of the PM2.5 air quality standard in Xi'an, and provide a reference for the management of environment quality.
Key words: Xi'an      health cost      PM2.5      disease and cost method      corrected human capital     

随着工业化和城镇化进程加快, 国内许多城市的空气质量越来越差, 污染事件频发, 影响范围逐年扩大.研究表明, 大气污染对不同健康终点带来不良影响, 如过早死亡(即“早逝”, 通常称为非事故性过早死亡)、慢性支气管炎、肺功能降低、哮喘、中风、肺癌、不良生殖结局以及门急诊、住院等[1].因此, 对霾天气中高浓度颗粒物PM2.5暴露下的居民健康损害价值进行评估具有重要意义.

国内外学者采用危险度评价方法评估健康损害, 即通过暴露-反应关系对大气污染人体健康造成的危害进行定量分析.针对多种呼吸系统、心脑血管系统疾病发病率、就诊人数与PM2.5、PM10、SO2和NO2等主要空气污染物之间的暴露-反应关系开展了一系列研究, 初步获取了主要污染物暴露水平与老年人、儿童等特定敏感人群相关疾病的患病率和死亡率之间的相关关系[2].国内学者针对突发性重污染事件中人群健康风险和健康预警方面做了一些研究, 结果发现PM2.5较粒径大的颗粒能够吸附更多的有害物质, PM2.5浓度上升能够引起人体心肺疾病发生率、死亡率的显著增加.同时, 毒理学相关的研究表明PM2.5对人体呼吸系统、心血管系统、生殖系统、血液系统和免疫系统等均有毒性作用[3], 揭示了PM2.5浓度及其化学性质与居民超额死亡率增加的相关性[4]; 大气PM2.5浓度的升高会引起相应疾病死亡率的增加[5].谢鹏等[6]利用Meta分析法评价我国PM10和PM2.5对各健康效应终点的暴露-反应关系; Zhang等[7]研究了太原2000、2010和2015年在替代情景下建立能源使用, 空气污染和公共卫生影响之间的联系认为, 在2000年超过2 200人的过度死亡可能是由颗粒物(PM)污染引起的, 虽然2015年空气质量达到国家二级标准, 但过早死亡人数仍达到1 330左右, 经济成本在2015年达到城市GDP的1%~2%左右.此外, 京津冀[8, 9]地区已展开过关于PM2.5颗粒物造成的经济损失研究.西安市[10]主要评价PM10颗粒物造成的经济损失, 在人体健康损失方面并没有进行健康终点分类别分析.已有的研究均是建立在小时间尺度上, 或是以某次霾严重事件为依据, 忽略了PM2.5对健康影响的滞后效应.

卫生部公布的2016年前三季度全国74个城市空气质量排名中, 空气质量相对较差的城市中西安市排第十, 空气质量长期处于超标状态, 重度污染霾事件频繁发生, 引起政府、社会和有关专家学者的广泛关注.国内外对该地区PM2.5颗粒物健康影响和经济损害价值方面的研究相对薄弱.本研究从较长时间尺度分析了2014、2015与2016年冬季长时间高浓度PM2.5给西安市带来的健康经济损失, 以及近3 a浓度变化及其造成的健康经济损失动态变化情况.

1 材料与方法 1.1 数据来源

本文研究时段内的PM2.5污染物浓度数据主要来自西安市环保局, 空气质量监测平台发布的13个监测站点不同污染物(24 h)平均浓度.以《西安统计年鉴》公布的年末常住人口作为暴露人群.健康终点死亡率、患病率从《中国卫生年鉴》、《中国心血管疾病报告》、《全国卫生服务调查》、《陕西省卫生计生事业发展统计公报》以及中国哮喘联盟调查数据等获得.

1.2 估算方法

福利经济学认为大气颗粒物对健康的影响是一对多的复杂关系, 人们对于健康影响赋予的价值不尽相同.所以, 大气污染颗粒物带来的健康损害等于各种健康影响的价值加总, 包括过早死亡带来的经济损失和各种健康终点患病门诊和住院的直接和间接损失.对于总人口来说, 每日死亡数是小概率事件, 作为一种时间序列模型, 其实际分布近似泊松分布, 该模型是对传统广义对数线性模型的进一步拓展[11].模型中除拟合普通的线性项外, 还可将一些与因变量之间存在复杂非线性关系的变量以不同函数加和的形式拟合入模型[12].因此, 采用空气污染流行病中应用比较广泛的泊松回归模型, 评价西安市高浓度PM2.5暴露下居民健康的风险及其经济损失[2], 公式如下:

(1)
(2)

式中, ΔE为实际浓度与参考浓度下居民健康损害之差, 即由PM2.5浓度变化带来的居民健康效应变化量; P为常住人口数量(万人); β为暴露-反应系数(PM2.5浓度每增加10 μg·m-3导致的人群发病率和死亡率增加的百分数); c为实际暴露浓度(μg·m-3); c0为参考基准浓度值[取国家(24 h)平均浓度二级限值75 μg·m-3]; E为实际浓度下居民健康损害; E0为参考浓度下的居民健康损害, 以发病或死亡率表示.

人力资本法(收入损失法)认为人过早死亡的社会损失等于丧失工作时间时的劳动价值和预期收入的现值[13].人力资本法能够节约时间和资金, 并且所需要的数据也比较容易获得, 计算方法简便.但是, 人力资本法忽视了个人健康价值和社会幸福价值.修正的人力资本法将人均GDP视为一个统计生命年对社会的贡献, 从全社会角度考察人力资本, 因此可以不考虑个体差异[14].修正的人力资本法用基准年的人均GDP代替了个体收入, 计算公式如下:

(3)

式中, K为修正的人力资本损失; t为人均损失寿命年; GDPpvidv为第i年的人均GDP贴现值; GDPpco为基准年的人均GDP; α为人均GDP增长率; r为社会贴现率.

疾病成本法指大气污染对健康损害用治疗疾病的医药费来计算, 疾病成本法所计算的成本, 包括患病期间与患病有关的直接费用和间接费用, 主要由三部分组成, 即就诊费用、住院费用和未就诊患者的自我诊疗和药费.计算公式如下:

(4)
(5)
(6)
1.3 健康终点选择

医学研究表明PM2.5进入机体后可沉积在肺泡, 导致肺炎、哮喘、慢性支气管肺炎、肺功能下降等, 可能与炎症反应、氧化应激、基因毒性诱导的肺功能损伤, PM2.5长期暴露可降低心血管患者预期寿命损害, 通过刺激肺泡引发炎症而影响心血管; 也可激活肺泡表面敏感受体, 改变自主神经功能, 间接作用心血管[15].考虑到数据的可获得性, 本文选择与PM2.5暴露有关的健康效应终端包括:慢性支气管炎、全因死亡、心血管疾病住院与患病率、呼吸系统住院与患病率、内科门诊、哮喘发作和儿科门诊, 部分临床和亚临床症状未包括在内.

1.4 数据整理

式(2)中西安市常住人口, 2014、2015、2016年分别为862.75、870.56、883.21万人, 式(3)人均GDP分别为63 794、66 938、71 647元.式(4)中门诊花费时间假设为0.5 d.呼吸系统疾病死亡率、住院率, 心血管疾病死亡率、住院率, 哮喘、慢性支气管炎患病率, 门诊访问率, 见表 1.对于无法直接获得当年的数据, 用可获得的最近年数据作为参考, 最大程度上减少误差值. PM2.5大气颗粒物的健康风险进行定量分析和评价的关键在于暴露-反应关系, 借助“暴露-反应”关系系数β值, 可计算暴露人群的相对危险度水平[16].由于国内关于人群颗粒物污染暴露-反应关系系数方面研究尚不完全, 本文采用成果参照法, 然后取平均值整理出关于PM2.5暴露-反应关系系数(见表 1).

表 1 不同健康终点PM2.5暴露-反应系数与基准发生率1) Table 1 PM2.5exposure-reaction coefficient and baseline incidence of different health endpoints used in this study

2 结果与讨论 2.1 PM2.5浓度分析

全市(2014~2016年)PM2.5(24 h)浓度变化, 如图 1所示.从年际间变化来看, 2014年浓度最高, 其次是2016年, 2015年浓度较低.春夏季PM2.5浓度偏低, 秋冬季PM2.5浓度偏高, 冬季最为突出, 浓度最高.四季中冬季均值超过国家二级浓度限值75 μg·m-3. 2014、2015、2016年冬季日均值分别为125、90、120 μg·m-3, 超标率分别是67.1%、20.0%、59.4%.最高值(527 μg·m-3)出现在2014年冬季, 污染最为严重, 2015年PM2.5浓度有所下降, 但2016年又上升, 仅次于2014年冬季.所以本文研究时段取冬季(2014年12月1日~2015年2月28日, 2015年12月1日~2016年2月28日, 2016年12月1日~2017年2月29日).

图 1 西安市2014、2015、2016年全年PM2.5日均浓度 Fig. 1 Average daily concentration of PM2.5 in Xi'an, 2014, 2015 and 2016

2.2 健康损害价值评估结果

假设每天的发病率是不变的, 结合西安市2014、2015和2016年末常住人口、PM2.5冬季日均浓度、健康终点基准发生率、暴露-反应系数, 运用式(2), 得出冬季持续高浓度PM2.5暴露下全市居民健康效应(表 2).

表 2 冬季PM2.5暴露下西安市居民健康效应量评估结果1)/例 Table 2 Results of the health effects of the residents in Xi'an were exposed during the winter/case

表 2分析结果显示, 冬季PM2.5高浓度暴露水平下, 全市2014、2015、2016年受危害总数分别约为1 071 338例(95%CI: 646 432~1 385 847)、438 273例(95%CI: 246 842~599 989)、1 019 503例(95%CI: 611 407~1 324 547), 占年末常住人口的12.4%、5.0%、11.5%.其中, 呼吸系统和心血管疾病总死亡分别约为3 618例(95%CI: 270~6 577)、1 152例(95%CI: 98~2 176)、3 377例(95%CI: 270~6 162);呼吸系统和细血管疾病总住院约68 172例(95%CI: 30 002~95 648)、25 151例(95%CI: 9 708~39 117)、65 362例(95%CI: 27 904~92 583);慢性支气管炎和哮喘总患病约348 512例(95%CI: 278 265~372 781)、198 118例(95%CI: 130 469~246 824)、346 705例(95%CI: 270 839~375 695);门诊访问约645 546例(95%CI: ~902 663)、212 435例(95%CI: 106 065~309 556)、599 954例(95%CI: 310 915~843 527).

2.2.1 过早死亡经济损失

采用修正的人力资本法估算过早死亡带来的经济损失. 2014、2015、2016年西安市人均GDP分别为63 794、66 938、71 647元.党的“十六大”指出国内生产总值到2020年翻两番的目标, 所以未来经济增长率取7.2%.贴现率根据国家给出的建设项目经济评估指导值, 取r=8%.人均损失寿命年t=Σ(年龄别期望寿命×年龄别死亡人数)/(Σ年龄别死亡人数)[14], 参考中国第六次人口普查资料中的城市人口年龄别人口数、实际死亡人数和疾病的年龄别死亡率[27], 结合简略寿命表[28], 计算得出疾病别的人均损失寿命年(表 3). 2014年和2015年心血管疾病人均寿命损失年约为12 a, 呼吸系统疾病人均寿命损失年约10 a, 所以2016年也取12 a、10 a.

表 3 疾病别过早死亡的人均损失寿命年 Table 3 Disease not premature death of the per capita loss of life years

过早死亡带来的经济损失结合式(3), 计算结果见表 4.心血管疾病和呼吸系统疾病过早死亡带来的总的经济损失2014、2015、2016年分别约为23.98亿元(95%CI: 2.53~43.00)、8.02亿元(95%CI: 0.91~14.92)、25.15亿元(95%CI: 2.76~45.27).心血管疾病死亡占总死亡经济损失的86.1%、86.5%、86.3%, 说明PM2.5污染物对心血管疾病的影响较显著.由于2015年冬季PM2.5浓度较低, 所以过早死亡经济损失较2014年和2016年低.从2014年和2016年来看, 过早死亡带来的经济损失呈上升趋势.

表 4 冬季PM2.5污染造成的西安市居民健康经济损失/亿元 Table 4 Healthy economic loss of residents in Xi'an caused by PM2.5 pollution in winter/one hundred million yuan

2.2.2 健康终点住院、患病、门诊经济损失

健康终点住院、患病、门诊经济损失估算采用疾病成本法, 疾病成本包含患者看病期间所有的直接(就诊医药费用)和间接费用(交通、陪护等).门诊平均费用根据陕西省卫生计生事业发展公报, 取部属、省属、地级市属、县级市属和县属的平均费用.呼吸系统疾病平均住院医疗费用和平均住院天数, 以肺炎、肺结核、肺源性心脏病、支气管炎等主要疾病病种的平均医疗费用及其平均住院天数来代替; 同样, 以心血管疾病、充血性心力衰竭、急性心肌梗塞等重要病种平均住院天数来代替心血管疾病平均住院天数(见表 5).基于表 5数据, 依据式(4)、(5)计算得各健康终点住院及门诊的经济损失(见表 4).慢性支气管炎时间界限无法获得, 不宜使用疾病成本法. Viscusi等[29]的研究发现人们对于避免慢性支气管炎的赋值相当于统计寿命价值的32%, 有研究也获得了一系列慢性支气管炎的生活质量调整年权重, 本文中假设慢性支气管炎的单位经济损失为过早死亡经济损失的40%[9, 30], 得慢性支气管炎带来的经济损失(见表 4).本文假设, 西安市居民患病都会去医院就诊, 所以由PM2.5污染物导致的患病、住院和门诊的经济损失就包括两大部分.

表 5 疾病别直接、间接医疗次均住院费用与平均住院日 Table 5 Hospitalization expenses and the average hospital stay of the disease are not directly and indirectly

本研究结果表明(表 4), 因PM2.5造成的患病、住院、门诊总经济损失2014、2015、2016年分别约311.23亿元(95%CI: 249.61~326.75)、211.05亿元(95%CI: 135.60~268.80)、371.32亿元(95%CI: 272.46~411.64).其中呼吸系统疾病住院经济损失分别约为4.66亿元(95%CI: 1.91~6.50)、1.73亿元(95%CI: 0.62~2.73)、4.42亿元(95%CI: 1.78~6.26);心血管疾病住院经济损失分别约为3.95亿元(95%CI: 2.04~5.55)、1.36亿元(95%CI: 0.67~2.02)、3.80亿元(95%CI: 1.95~5.38);慢性支气管炎(儿童、成人)经济患病经济损失分别约为273.66亿元(95%CI: 220.54~282.64)、184.90亿元(95%CI: 123.68~229.86)、309.34亿元(95%CI: 244.15~322.64);哮喘疾病(儿童、成人)患病经济损失分别约为27.36亿元(95%CI: 21.74~29.78)、14.48亿元(95%CI: 9.44~18.47)、27.05亿元(95%CI: 21.02~29.89);门诊(儿科、内科)访问经济损失分别约为1.63亿元(95%CI: 0.85~2.28)、0.55亿元(95%CI: 0.27~0.80)、1.57亿元(95%CI: 0.81~2.20).从不同健康终点来看, 慢性支气管炎造成的经济损失较高, 占患病、住院、门诊3 a的总经济损失分别约87.9%、91.1%、89.4%.其次是哮喘患病, 门诊访问经济损失最低, 仅占三者总损失的0.52%(2014)、0.27%(2015)、0.45%(2016).从年龄别来看, 造成的儿童(0~14岁)哮喘经济损失比成人(15岁以上~)高, 但慢性支气管炎和门诊访问经济损失成人(15岁以上~)略高于儿童(0~14岁).

3 结论

(1) 本研究时段内(2014、2015、2016冬季), PM2.5污染物对西安市常住人口健康影响显著, 影响的病例分别约为1 071 338例(95%CI: 646 432~1 385 847)、438 273例(95%CI: 246 842~599 989)、1 019 503例(95%CI: 611 407~1 324 547), 即每100个人中, 有5~12个人健康会受到影响.

(2) 本研究时段内(2014、2015、2016年冬季)由PM2.5造成的经济损失约为335.23亿元(95%CI: 249.61~369.75)、211.05亿元(95%CI: 135.60~268.80)、371.32亿元(95%CI: 272.46~411.64), 分别占当年GDP的6.10%(4.54%~6.73%)、3.64%(2.34%~4.63%)、5.91%(4.34%~6.55%).从GDP占比情况来看, 造成的经济损失与当年冬季PM2.5浓度均值呈正相关关系, 即PM2.5日均浓度高, 造成的经济损失在当年GDP中占比高.反之, 平均浓度降低, 经济损失GDP占比下降.因此, 要减少PM2.5污染物所带来的经济损失, 首先要改善空气质量, 降低PM2.5浓度.

(3) 冬季高浓度PM2.5污染物导致呼吸系统疾病、心血管疾病、慢性支气管炎和哮喘病患者激增, 同时, 儿科和内科门诊访问量大幅增加, 短期内给全市医疗人员工作量与医疗机构公共资源带来较大压力.健康风险年龄别之间存在差异, 对哮喘儿童患者的影响比成人显著, 而慢性支气管炎成人比儿童显著.

(4) 考虑到数据的可得性和我国统计终端的缺失, 评价的结果具有一定的不确定性.主要表现在: ①部分的医疗数据来自国家卫生服务健康报告与卫生统计年鉴间接推算, 将会影响评价结果的确定性; ②鉴于我国针对低浓度PM2.5的健康研究较少, 以较高浓度获得的暴露-反应关系系数作为研究依据, 可能造成最终的评估结果会偏高; ③在选取健康终点时选取时并非全面系统地选取, 并且在经济损失估算时未考虑预防疾病带来的经济损失, 如购买口罩, 安装空气净化器等经济损失, 所以PM2.5污染物造成的经济损失估算值偏低.因此, 本研究对基线健康状况做了一定的假设, 认为西安市和全国大城市的基本情况较为一致, 对于无法获得的数据, 采用成果参照法.根据暴露-反应关系系数的95%置信区间的估计结果进行低值、中值和高值估算, 增加了计算结果范围的可信度.

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