2. 国家城市环境污染控制工程技术研究中心, 北京 100037;
3. 污染场地风险模拟与修复北京市重点实验室, 北京 100037
2. National Engineering Research Centre for Urban Environmental Pollution Control, Beijing 100037, China;
3. Beijing Key Laboratory for Risk Modeling and Remediation of Contaminated Sites, Beijing 100037, China
土壤中的挥发性有机物(Volatile organic compounds, VOCs)可通过扩散或对流经建筑物地板裂隙等通道进入室内造成空气污染, 该过程被称为“蒸气入侵”, 是危害人群健康的重要途径[1~5]. 我国2005~2019年公开的136处有机污染地块土壤和地下水中VOCs检出比例分别高达65%和92%[6], 69个城市的地下水中三氯甲烷检出率20.23%[7], 13个采油区494个土壤点位中石油烃等VOCs超标点位23.6%[8], 美国超级基金地块中约78%存在VOCs污染[9]. 20世纪90年代美国丹佛市Redfield地块中二氯乙烯和三氯乙烯垂向扩散迁移造成300多栋住宅室内空气超标, 引起了各国对VOCs污染地块健康风险的重视[10~12].
Johnson & Ettinger (J&E) 模型[13~15]是目前国内外运用最为广泛的模型, 该模型假设: ①VOCs在土壤固-液-气相之间为线性分配; ②VOCs垂向迁移过程无生物降解; ③污染源含量不随时间变化[16~18].上述假设与地块中VOCs的实际分配传输过程存在较大差异: ①VOCs在土壤中的界面分配属于非线性[19]; ②传输过程存在挥发和生物降解等过程[20, 21]; ③整个暴露周期内污染源在逐步衰减[22].针对假设①, Zhang等[23, 24]在双相非线性吸附理论的基础上建立了多相非线性分配模型;针对假设②, DeVuall[20]开发了一维生物降解模型(Biovapor)以量化VOCs垂向迁移过程中的生物降解过程, Yao等[25, 26]开发了二维生物降解模型(PVI2D) 用于量化石油烃类污染物在包气带迁移过程的生物降解.针对假设③, 美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials, ASTM)在J&E恒定源模型的基础上提出了基于风险的矫正行动(Risk-Based Corrective Action, RBCA)的衰减源模型[27], 该模型假定地表空气中VOCs质量浓度为0来计算源衰减速率.但当地面存在建筑物时, 建筑底板下土壤气中VOCs质量浓度通常不等于0, 污染源至建筑物地板的质量浓度梯度小于RBCA假设地表质量浓度为0时的梯度, 导致存在建筑情景下VOCs的衰减速率降低.此外, 建筑物室内外压差直接影响源衰减速率[28~30], 但RBCA源衰减模型未考虑建筑物参数的影响.针对RBCA衰减源模型的局限, 笔者团队在对蒸气入侵的3个典型物理过程(即污染物从污染源扩散至建筑底板下、通过对流/扩散由底板裂隙进入室内空间、与室内外空气混合交换)分别进行数学描述的基础上, 基于通量守恒原理开发了SD衰减源模型[22].本研究以某VOCs污染地块为例, 进一步分析了不同模型对蒸气入侵风险评估结果的影响, 以期为完善我国VOCs污染地块风险评估提供技术支撑.
1 材料与方法 1.1 案例地块概述案例地块占地面积约0.09 km2, 1979~2014年主要生产各种型号沥青混合料, 原辅材料包括沥青、重油、柴油、导热油、砂石料、矿粉、改性剂和乳化剂等.在重点污染区共设置了83个土壤采样点, 按规范采集检测土壤样品736个, 具体采样点分布如图 1.
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图 1 土壤采样点分布 Fig. 1 Distribution of soil sampling locations |
分别采用J&E恒定源模型[13, 31]、RBCA衰减源模型[27]和笔者团队开发的SD衰减源模型[22]预测VOCs侵入建筑物室内的质量浓度Cin, 计算公式如下.
J&E源恒定模型:
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(1) |
RBCA衰源减模型:
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(2) |
SD衰减源模型:
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(3) |
以上模型中污染源处土壤气质量浓度Csource的计算公式分别为:
J&E源恒定模型:
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(4) |
RBCA衰减源模型:
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(5) |
SD衰减源模型:
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(6) |
模型中涉及的过程参数计算公式为:
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(7) |
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(8) |
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(9) |
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(10) |
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(11) |
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(12) |
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(13) |
上述J&E模型假定源含量恒定, Csource不随时间变化, 见式(4).RBCA衰减源模型假设地表无建筑物, VOCs扩散进入地表大气被稀释是源衰减的主要驱动力.同时, 假设大气快速扩散使地表VOCs质量浓度为0.在此基础上采用Fick第一定理计算挥发导致的VOCs源衰减, 建立随时间t变化的源含量Csource (t)的计算公式, 见式(5).SD衰减源模型结合实际场地蒸气入侵的物理过程, 假定VOCs通过建筑地板侵入室内后与室内外空气混合稀释是污染源衰减的主要原因, 基于通量守恒原理建立随时间t的源含量Csource (t)的计算公式, 见式(6).可见, SD衰减源模型充分考虑了建筑物特征对源衰减的影响.由于RBCA衰减源模型未考虑建筑物对源衰减过程的影响, 其预测的源衰减速率与存在建筑物情形下的源衰减速率不一致, 因此即使不考虑在土层中扩散过程的生物降解, 此模型实际上也违背了质量守恒原则.
SD衰减源模型中各参数的定义及取值如表 1所示, 其中建筑物和污染物性质等参数取自《建设用地土壤污染风险评估技术导则》(HJ 25.3-2019)[31], 土壤理化参数取自地块实测值.值得注意的是, J&E恒定源模型计算建筑物室内污染物质量浓度时表中所有参数都被用到, RBCA衰减源模型只用到了前3类参数, 未涉及建筑物参数, SD衰减源模型用到了全部参数, 但与国内目前推荐的J&E恒定源模型相比并未增加新的参数.
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表 1 参数取值 Table 1 Values of model parameters |
1.2.2 风险计算
(1) 致癌风险
衰减源情景下, 室内污染物质量浓度Cindoor (t)随时间发生变化, 根据致癌风险定义[31], 可推导致癌风险(Risk) 的计算公式:
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(14) |
式中,
污染源恒定时, 上式可简化为:
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(15) |
(2) 非致癌危害商
非致癌危害商(HQ)计算以儿童(0~6岁)为敏感人群, 按照危害商的定义[31], 衰减源情景下计算公式如下:
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(16) |
污染源恒定时, 上式可简化为:
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(17) |
本研究可接受致癌风险水平设为10-6, 可接受危害商设为小于1[32~35].暴露参数取HJ 25.3-2019[31]中第一类用地推荐值.其中, 儿童期暴露周期(EDc)为6 a, 成人期(EDa)为24 a, 致癌风险作用时间(ATca)为27 740 d, 非致癌作用时间(ATnc)为2 190 d, 儿童暴露频率(EFc)和成人暴露频率(EFa)均为250 d ·a-1, 成人体重(BWa) 为65 kg, 儿童平均体重(BWc)为19.2 kg, 成人空气呼吸率(DAIRa)为14.5 m3 ·d-1, 儿童DAIRc为7.5 m3 ·d-1.毒性参数SF为5.5×10-2 (kg ·d) ·mg-1, RfC为0.03 mg ·m-3.
1.3 敏感性分析因RBCA衰减源模型未考虑建筑物对源衰减的影响, 为便于对比讨论, 本研究仅分析了SD衰减源模型中建筑物特征参数对源含量的影响.敏感性分析采用@RISK软件中的蒙特卡洛方法[36, 37], 建筑物特征参数分布函数见表 2.以30 a为暴露周期, 对暴露周期内的每一年进行100 000次的模拟运算.以斯皮尔曼秩相关系数作为各参数影响的比重[38], 计算公式如式(18)所示:
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表 2 敏感性分析参数取值 Table 2 Parameter distributions for sensitive analysis |
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(18) |
式中, ωi为参数Xi的比重, 即斯皮尔曼秩相关系数, 无量纲; Pi为参数Xi对输出参数Y不确定性的贡献, 无量纲.
2 结果与讨论 2.1 污染特征案例地块土壤中苯含量0~30.7 mg ·kg-1, 与居住用地土壤苯筛选值1 mg ·kg-1[43]进行对比发现, 样品超标率14.02%, 最大超标30倍.如图 2(a)所示, 案例地块土壤苯为局部污染, 主要分布在加油站和配油车间所在区域.如图 2(b)所示, 随深度增加土壤中苯含量升高, 含量最高的样品位于在地面以下15 m附近的土壤中, 原因是该地块地面以下13~18 m深度存在一层厚度不一且不连续的低渗透土层, 易吸附污染物, 导致苯易在这一深度范围内的土壤中富集.
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图 2 土壤中苯空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of benzene in soil |
案例地块污染区修复合格后拟建设一栋带有一层地下室的高层住宅.由于苯检出的土样主要集中在地面以下13~18 m且在地下水位之上的包气带, 因此选定距地表 13~18 m深度的污染土壤作为蒸气入侵的污染源, 其顶部埋深设置为13 m.考虑到未来建筑地下室层高3.1 m, 建筑物底板厚度0.6 m, 则污染源顶部距未来建筑底板的距离为9.3 m.污染源长和宽分别为50 m和30 m, 因此污染源面积为1 500 m2.由图 3可知, 对SD衰减源模型源含量预测结果影响最大的建筑物参数为室内外压差, 其次是底板裂隙率和底板面积, 均与源含量呈负相关.底板裂隙宽度对源含量也有较大影响, 但与源含量呈正相关.其余参数对源含量的影响较小[44].图 4进一步显示了建筑物室内外压差对源衰减的影响.压差越大, SD衰减源模型预测的源衰减速率越快, 预测结果与RBCA衰减源模型预测结果越接近.相反, 随着压差增大, SD衰减源模型预测结果与J&E恒定源模型预测结果差异增加.因此, 室内外压差较大的情况下, 现有导则中推荐的J&E恒定源模型计算结果更保守.
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图 3 建筑参数对SD模型计算得到的源含量不确定性的贡献率 Fig. 3 Contribution of building parameters to the uncertainty of source concentration calculated by the SD model |
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图 4 不同模型预测的污染源处苯含量衰减速率 Fig. 4 Benzene depletion rates at source predicated by the different models |
不同模型预测的室内质量浓度变化如图 5所示, J&E恒定源模型计算的室内质量浓度在整个暴露周期内保持不变, SD和RBCA衰减源模型计算的室内质量浓度呈指数形式下降, 且建筑物室内外压差越大, SD衰减源模型预测的室内质量浓度越高.尽管RBCA衰减源模型预测的源衰减速率更快, 即单位时间挥发的污染物的质量更多, 但该模型预测的室内质量浓度却低于SD衰减源模型预测结果, 这是因为RBCA衰减源模型中污染源衰减的质量不等于进入室内的污染物的质量, 即模型不遵循质量守恒[22, 27].SD和RBCA衰减源模型计算的污染物室内质量浓度下降趋势与污染源处污染物含量衰减规律一致, 均表现为质量浓度随时间呈指数下降, 主要原因是两者都是采用污染源处土壤气质量浓度乘以衰减因子的方法预测污染物室内质量浓度[13, 22, 27], 且污染源处土壤气质量浓度衰减均为指数模型[见式(5)和式(6)].
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图 5 不同压差下室内空气苯质量浓度预测结果 Fig. 5 Indoor concentration of benzene predicted by the models at different pressure differences |
如表 3所示, 本研究中的3个模型预测的苯致癌风险均高于可接受水平10-6, 非致癌危害商也超过了可接受值1. J&E模型因假定源恒定[13], 预测的室内苯质量浓度始终维持初始的较高水平, 健康风险计算结果最高, 其次为SD衰减源模型, RBCA衰减源模型预测的健康风险最低.主要原因是RBCA模型不遵循质量守恒, 尽管其预测污染源处苯挥发损失的质量最大, 但实际预测进入室内的污染物质量小于挥发损失的质量, 导致源含量快速衰减但并没有同步增加室内苯质量浓度, 可能低估风险.压差是影响室内蒸气入侵风险的最主要因素, 压差增加, 3个模型预测的室内风险均升高, 主要原因是压差增加导致污染物进入室内空间的速率增加, 在室内换气速率固定的情形下污染物在室内空气中
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表 3 蒸气入侵风险评估结果 Table 3 Results of vapor intrusion risk |
聚集, 导致室内浓度及健康风险升高.但当建筑底板下与室内的压差较小时, SD衰减源模型预测的风险与J&E恒定源模型预测结果差异不明显, 主要原因是压差降低污染物进入室内的速率降低, 污染源衰减速率也随之下降, 衰减作用不明显.随着压差增加, SD衰减源模型预测的室内蒸气入侵风险更接近RBCA衰减源模型的预测结果.因此, 目前国家导则HJ 25.3-2019中采用的J&E恒定源模型预测的30 a暴露周期内室内蒸气入侵总暴露量将大大高于衰减源模型预测结果.相比SD和RBCA衰减源模型, 建筑物底板下和室内的压差越大, J&E恒定源模型高估室内污染物质量浓度及风险越显著[45], 导致计算的土壤修复目标值更低, 易造成土壤过度修复.
3 结论(1) 室内外压差是影响VOCs源衰减速率的关键建筑物特征参数, 压差越大, 衰减越快, 源含量越低, SD衰减源模型计算结果与J&E恒定源模型差异越明显, 但与RBCA衰减源模型计算结果越接近.
(2) RBCA和SD衰减源模型均能反映污染源衰减对室内蒸气入侵风险的影响, 一定程度上解决了J&E恒定源模型过于保守的问题.因考虑了建筑物对源衰减的影响, SD衰减源模型更适于评估实际场地的蒸气入侵风险.
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