室內(nèi)氡濃度的非線性分析

張明禮等

摘要：

氡是一種天然放射性氣體，其中室內(nèi)氡與人類健康密切相關(guān)，室內(nèi)氡濃度成為公眾關(guān)注的問題之一。假定室內(nèi)外空氣中氡及氡子體均一混合的前提下，推導出一個關(guān)于室內(nèi)氡濃度計算的模型，據(jù)此計算室內(nèi)氡濃度。結(jié)果表明：室內(nèi)氡濃度隨時間和通風量系數(shù)的增加，趨向一個穩(wěn)定的值，最終達到室內(nèi)外氡濃度平衡。該模型計算出的室內(nèi)氡濃度理論值（6.35～40 Bq/m3）與任天山和王玫等的實測結(jié)果（6～50 Bq/m3）一致，表明模型可靠。

關(guān)鍵詞：

室內(nèi)氡濃度；通風量系數(shù)；氡進入率；空氣流動速率

氡是天然放射性鈾系中一種惰性氣體，具有極強遷移活動性，但其化學性質(zhì)極不活潑，一般情況下很難與其它元素發(fā)生化學反應。通常，有空氣的地方，就存有氡及其子體。自然界，氡存在3種天然放射性同位素222Rn、220Rn和219Rn，其分別來源于天然放射系中的鈾系、釷系和錒系，半衰期分別為3.825 d、54.5 s和3.92 s。由于220Rn和219Rn半衰期短，222Rn半衰期相對較長，故通常所指的氡為226Ra直接衰變的產(chǎn)物222Rn 。氡極易溶于液體（水）和脂肪，通過呼吸道與皮膚侵入機體，其衰變子體常吸附在呼吸道，造成內(nèi)照射，該照射劑量在體內(nèi)累積到一定程度，引發(fā)機體病變，最終導致肺癌。現(xiàn)代研究表明室內(nèi)氡濃度長期暴露會增加肺癌的危險度。此外，氡可能引發(fā)畸形、基因畸形遺傳和白血病等不良后果[1]。因此，室內(nèi)環(huán)境中氡濃度對人體健康的影響已成為理論界亟待解決的重大問題。要研究氡濃度對人體健康的影響，就必須先搞清室內(nèi)氡濃度與其來源之間的可量性關(guān)系。

近5 a對室內(nèi)氡的研究大多集中于室內(nèi)氡的檢測、水平擴散系數(shù)測量與有效防護方法等，如王振基等[2]對標準氡室內(nèi)氡氣體積活度的計算方法與測量驗證的研究；連福龍等[3]對主動式活性炭盒法測氡影響因素的探討；竺云波等[4]對居室氡濃度及其影響因素的分析；張強等[5]對建材制品中測定氡的影響因素及其在防氡建材分析中的應用研究；李先杰等[6]對氡析出率測量儀的檢定裝置的介紹；王榆元等[7]探討了含水率對建材磚氡析出率的影響；李曉玲[8]對中國室內(nèi)氡污染現(xiàn)狀及相關(guān)控制標準的相關(guān)綜述；其他國家如UNSCEAR對室內(nèi)氡的研究發(fā)出的最新報告[9]；Ielsch等[10]提出了一種利用巖石和土壤的地球化學和物理性質(zhì)參數(shù)來計算土壤表面的氡析出率的模式TRACHGE；Fazalur等人用固體核徑跡法和靜電收集法對不同種類建材的析出率進行了測量；EScobar等[11]用活性炭吸附法測量土壤的222Rn析出率[12]。然而，對室內(nèi)氡濃度分析較零散（與一種氡源的關(guān)系分析）。綜合定量分析室內(nèi)氡濃度與氡來源的關(guān)系，能使室內(nèi)氡濃度對人體的危害更具有可衡量性與可操作性，為人類如何降低室內(nèi)氡提供科學指導。

張明禮，等：室內(nèi)氡濃度的非線性分析

本文在前人研究成果的基礎上，擬通過對室內(nèi)氡來源現(xiàn)狀分析建立室內(nèi)氡濃度的定量計算模型，從而為室內(nèi)氡濃度的研究與評價提供參考依據(jù)。

1定量模型建立

1.1建?；A條件

現(xiàn)代研究表明：室內(nèi)氡主要來源于建筑物地基和周圍土壤、建筑材料、空氣中的氡、家用燃料以及供水[1314]。一些學者已對室內(nèi)氡的氡源進入率作了相關(guān)研究。

1.1.1建筑物地基土壤氡進入率土壤中氡可自由擴散，形成氡氣體滲流進入室內(nèi)，但土壤的氡及其衰變源進入室內(nèi)，受諸多因素的影響，它不但取決于土壤的濕度、密度、孔隙率、房子的建筑結(jié)構(gòu)以及氣象參數(shù)中的氣溫、氣壓、風向和風速等客觀因素，還受人為因素的影響，如換氣率。任天山等人認為土壤氡進入率可以表示為[15]：

式中：C為土壤氡的進入率；Xs為土壤氣體中的氡濃度，Bq/m3；Qs為滲流率，即單位時間內(nèi)進入室內(nèi)的土壤氣體的體積占房間體積的份數(shù)，h-1。

1.1.2建筑材料的氡進入率現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，建筑材料衰變過程中產(chǎn)生的氡部分能通過擴散進入室內(nèi)，其進入率主要受建筑材料性狀、表面積、建筑材料的氡擴散長度以及建材的厚度等影響。據(jù)此，學者們認為建筑材料析氡進入率可以表示為[16]

1.2模型構(gòu)建

基于對前人研究的探討，并結(jié)合室內(nèi)氡來源的特性，可看出一般情況下家用燃料產(chǎn)生的天然氣、供水、建筑材料以及建筑地基土壤中氡進入室內(nèi)部分相對較穩(wěn)定，但室外空氣氡進入率最不穩(wěn)定，易受房間通風性能的影響。不同來源的氡進入室內(nèi)以后，室內(nèi)222Rn隨時間不斷積累；同時氡不斷衰變，加之受通風影響，從而使室內(nèi)氡濃度發(fā)生變化。已有研究顯示，房間的通風是影響室內(nèi)氡濃度的關(guān)鍵因子之一[15，20]，根據(jù)自然界空氣流動的特性，空氣流動方向總是從濃度高的流向濃度低的形成一個小空氣循環(huán)。因此，通風時室外空氣流入室內(nèi)的同時，室內(nèi)空氣流出室外，室內(nèi)外空氣交換隨之產(chǎn)生，室內(nèi)氡濃度隨之改變。要合理計算出不同時刻室內(nèi)氡的濃度，就得分析房間的通風性能；而要分析房間的通風性能必然涉及到房間送風量與房間體積。通風研究顯示，房間送風量受房間的結(jié)構(gòu)、位置、送風方式以及室內(nèi)外空氣正負壓變差等諸多因子的制約。由于生活中房間結(jié)構(gòu)與位置確定后為靜態(tài)，一般不輕易改變。因此，暫且把房間的通風性能取決于房間送風方式和室內(nèi)外空氣的壓差。房間送風方式受空氣通過某介質(zhì)進入房間接觸表面積的大小與當時室內(nèi)外空氣的流動速率等影響，故模型引入通風量系數(shù)S和室內(nèi)外空氣流動交換速率vt 2個變量。通風量系數(shù)S指某時刻空氣通過某介質(zhì)如窗戶、門等進入室內(nèi)時，介質(zhì)表面積的大小，m2；室內(nèi)外空氣流動速率vt指某時刻通風時，空氣通過某介質(zhì)如窗戶、門等進入室內(nèi)的空氣的進入速率，m/h，大小與送風方式、室內(nèi)空氣變差程度以及房間通風道朝向等諸多因子有關(guān)。通風狀態(tài)下，隨時間的推移，房間空氣的總體積總保持相對一致，即房間流出的空氣體積v出等于流進室內(nèi)的空氣體積v進，又因為室內(nèi)外空氣交換時，房間的通風量系數(shù)與通風時間相對一定。因此，室內(nèi)空氣流動速率應該與室外空氣流動速率一致，否則v進與v出不相等。因此，通風條件下，可把室內(nèi)外空氣流動速率vt近似看成一個常數(shù)，不隨通風量系數(shù)S變化。在上述前提下，我們可近似地把通風性能問題理解為通風時，空氣進入室內(nèi)介質(zhì)表面積大小的改變，即房間通風量系數(shù)S的大小的變化。如當完全不通風時，即S為0，不發(fā)生室內(nèi)外空氣交換，室內(nèi)外空氣交換流動速率也為0；當通風時，即S>0，室內(nèi)外空氣發(fā)生交換，產(chǎn)生室內(nèi)外空氣流動速率vt，當完全通風時，即S為房間通風通道的總表面積。其理論實質(zhì)為換氣次數(shù)模型的再次演繹，把分子中房間送風量Ma二次變量遞推化，即房間通風量系數(shù)S與空氣流動速率的乘積vt與房間總體積的比，h-1。代入換氣次數(shù)模型中得：λv=Ma/v=Svt/v，式中，λv換氣次數(shù)，h-1；Ma為房間送風量，m3/h；v為房間體積，m3；S為通風量系數(shù)，m2；vt為室內(nèi)外空氣流動交換速率，m/h。

綜上所述，假定室內(nèi)外空氣氡濃度均一混合，空氣中氡的濃度一致；氡均勻地散發(fā)到房間的整個空間；送入室內(nèi)的空氣立即與室內(nèi)空氣充分混合，送風量等于排風量，則室內(nèi)氡的變化可用下式描述：

式中：CRn是t時刻的氡濃度，Bq/m3；λRn是氡的衰變常數(shù)，7.6×10-3h-1；B、C、D、E分別為建筑材料所致氡進入率、建筑物地基土壤氡進入率、家用燃料的氡進入率和供水所致氡的進入率；A為空氣氡的濃度；v為房間的體積；v1、v2、v3、v4分別為建筑材料、建筑物地基土壤、家用燃料和用水的體積。如果把B、C、D和E當常數(shù)。則通過對式（6）整理，我們可以得到以下微分方程的解：

參照UNSCEAR公布的最新各種室內(nèi)氡源的相關(guān)參數(shù)及標準，并利用式（1）～（5）計算與實驗中的對比，我們可以得到室外空氣氡濃度A、建筑材料所致氡進入率B、建筑物地基土壤氡進入率C、家用燃料的氡進入率D和供水所致氡的進入率E的相對合理值分別為5、10、29、1和0.3 Bq/（m3·h）；氡的衰變常數(shù)λRn為7.6×10-3h-1。參照UNSCEAR公布的最新標準，在有地板且沒有裂縫的房基土壤和建筑材料所致氡進入室內(nèi)厚度通常在0.2 m[19]；初始可以直接從室內(nèi)測的，房間的體積和房間通風道的表面積以及空氣流動速率都可以從實際生活中得到。該模型不僅考慮到自然通風，也涉及到機械通風，由于機械通風可以近似看著一個常數(shù)，在微分中不影響結(jié)果，積分后加上該常數(shù)。因此，該模型具有預測的可行性。

2討論

方程式（7）、（8）是2個可以用來預測室內(nèi)氡濃度變化的基本方程，要預測一間房的氡濃度，只要給出房間的長寬高、墻壁的厚度、通風量系數(shù)、用水量和家用燃料量以及空氣交換流動率，就可以利用上述方程計算出該房間的氡濃度。如果房間在10 m2以上，可以不考慮土壤所致氡的來源[19 ]。

分析上述方程可以發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)氡的濃度除了受不同氡來源的影響外，房間的通風量系數(shù)S和空氣流動速率vt，時間t和氡衰變常數(shù)λRn亦影響著室內(nèi)氡濃度的估計值的準確性。參照UNSCEAR公布的最新各種室內(nèi)氡進入率的相關(guān)參數(shù)及標準和相關(guān)文獻[2022]，令室外空氣氡濃度A、建筑材料所致氡進入率B、建筑物地基土壤氡進入率C、家用燃料的氡進入率D和供水所致氡的進入率E分別為5、10、29、1、0.3 Bq/（m3·h）；氡的衰變常數(shù)λRn為7.6×10-3h-1。假定房子的長寬高分別為為10、10、3.5 m，即房間室內(nèi)體積v為350 m3；空氣的交換流動速率vt為185 m/h；室內(nèi)氡的初始濃度為40 Bq/m3 ，即t=0時，CRn的值。代入式（8）計算得到理論值為（6.35～40 Bq/m3）與任天山和王玫等文獻的實測結(jié)果（6～50 Bq/m3）一致，說明了該模型在計算室內(nèi)氡濃度的可靠性。

2.1房間的通風量系數(shù)

預測室內(nèi)氡的理論模型，幾乎都沒有把房間的通風量系數(shù)S考慮在他們的模型之中，而式（8）充分證明了房間的通風介質(zhì)表面積大小是影響室內(nèi)外空氣交換的關(guān)鍵因子之一，更是改變室內(nèi)氡濃度變化的核心因素之一，對室內(nèi)氡濃度計算的精度影響大。例如，在不考慮室內(nèi)氡濃度初始值的前提下，即不考慮式（8）常數(shù)C0，令t=0，并且其他參數(shù)都不變，只改變房間通風量系數(shù)S，具體數(shù)據(jù)如表1。則根據(jù)式（8），可得到圖1。結(jié)合圖1與表1，我們發(fā)現(xiàn)當室內(nèi)完全不通風時，不考慮室內(nèi)氡濃度的初始值的前提下，室內(nèi)理論氡濃度CRn為475.2 Bq/m3；一旦通風室內(nèi)氡濃度就快速下降，但當房間通風量系數(shù)S的值到達一定值時，室內(nèi)氡濃度開始趨向于緩和，也可發(fā)現(xiàn)當S足夠大時，室外氡濃度與室內(nèi)濃度一致。因此，從模型中可以發(fā)現(xiàn)通風量系數(shù)S是降低室內(nèi)氡濃度的重要手段，在生活中多開門窗能有效降低室內(nèi)氡的濃度。

2.2室內(nèi)氡濃度的時間因子

不同來源的氡進入室內(nèi)后，室內(nèi)222Rn隨著時間積累，同時由于放射性衰變和通風使之不斷減少。因此，時間t是室內(nèi)氡濃度變化的一個重要因子。假定其他因子不變，房間的通風量系數(shù)S為1 m2，則根據(jù)方程（8）擬合，得到表2、3和圖2結(jié)果如下。

2.4室內(nèi)氡源體積與房間體積的影響

前人的模型均是以室內(nèi)不同氡源的析出面積與表面析出率來表述氡含量，再通過相關(guān)分析，獲得室內(nèi)氡的濃度。這樣分析可能有一定的缺陷，由于不同的建筑物具有不同的建筑結(jié)構(gòu)，如地板、墻壁的厚度也許就不一致。因此，其結(jié)果具有一定的誤差，特別是涉及到家用燃料和供水時。而式（6）用不同室內(nèi)氡源進入率與氡源的體積來構(gòu)建定量分析，能更好的把房間地板和墻壁等的厚度以及家用燃料和供水充分考慮進去，從而減少計算誤差。

3結(jié)論

在假定室內(nèi)外氡濃度變化時保持均一混合的基礎上，根據(jù)室內(nèi)外空氣流動平衡理論與氡自身衰變的特性，建立了一個非線性的室內(nèi)氡濃度變化定量模型。該模型的建立，能比較好地反映房間的通風量系數(shù)S、時間t和室內(nèi)氡濃度變化的關(guān)系，特別是在建筑設計過程中，利用該模型中房間室內(nèi)體積v、房間通風量系數(shù)S以及時間t與室內(nèi)氡濃度的關(guān)系，可設計出一個有效降低室內(nèi)氡濃度的房間通風量系數(shù)。同時，提供了一個利用房間的通風量系數(shù)和空氣流動速率來分析室內(nèi)氡濃度變化的技術(shù)方法。模型模擬結(jié)果顯示：室內(nèi)氡的濃度變化不僅受不同氡來源含量的影響，還受空氣流動速率和房間通風量系數(shù)、房間的體積、衰變時間等的影響。當房間的通風量系數(shù)一定時，可以通過延長通風時間來降低室內(nèi)氡的濃度，且當通風時間達一定值時，室內(nèi)外空氣氡濃度趨向一致；當時間一定時，可擴大通風量系數(shù)S來減小室內(nèi)氡的濃度，S大于一定值之后，室內(nèi)外氡濃度趨向一致；并可以結(jié)合氡進入率與氡源的體積來進行預測室內(nèi)氡濃度。模擬結(jié)果值與前人的實測結(jié)果存在一致性，這不僅說明建立室內(nèi)氡濃度變化定量模型的可靠性，而且為調(diào)控室內(nèi)氡濃度以及環(huán)境評價提供了技術(shù)支持。

參考文獻：

[1]

UNSCEAR 1993 report： Sources and effects of ionizing radiation [R]. New York： United Nations， 1993.

[2]王振基，唐方東，何林峰，等.標準氡室內(nèi)氡氣體積活度的計算方法與測量驗證[J].中國計量，2010 （6）： 6870.

Wang Z J， Tang D F， He L F， et al. Calculation method and testing validation of volume activity of radon in standard radon chamber [J]. China Metrology， 2010 （6）：6870.

[3]連福龍，孟娟.主動式活性炭盒法測氡影響因素研究[J].廣東微量元素科學，2010，17（8）：5154.

Lian F L， Meng J. Research on affecting factors of measuring radon by active carbon box method [J]. Guangdong Trace Elements Science，2010，17（8）：5154.

[4]竺云波，何小金.居室氡濃度及其影響因素分析[J].環(huán)境科學與管理， 2009， 34（3）： 7880.

Zhu Y B， He X J. Indoor radon concentration and the analysis of influence factors [J]. Environmental Science and Management，2009， 34（3）： 7880.

[5]張強，鄧躍全，古詠梅，等.建材制品中測定氡的影響因素及其在防氡建材分析中的應用研究[J]. 核技術(shù)， 2007， 30（3）： 236240.

Zhang Q， Deng Y Q， Gu Y M， et al. Study on influencing factors in radon measurement of building materials and its application in research of radon prevention materials [J]. Nuclear techniques， 2007， 30（3）： 236240.

[6]李先杰，丘壽康，劉純魁.氡析出率測量儀的檢定裝置[J].核射防護， 2008， 28 （4）： 197201.

Li X J， Qiu S K， Liu C K. A calibration facility for radon fluxmeter [J]. Radiation Protection， 2008， 28 （4）： 197201.

[7]王榆元，冀東.含水率對建材磚氡析出率的影響[J].核電子學與探測技術(shù)， 2010， 30 （2）： 285287，300.

Wang Y Y， Ji D. Effect of moisture on radon exhalation rate of the building material bricks [J]. Nuclear Electronics & Detection Technology， 2010， 30 （2）： 285287，300.

[8]李曉玲.我國室內(nèi)氡污染現(xiàn)狀及相關(guān)控制標準[J].四川環(huán)境， 2008， 27（6）： 100103.

Li X L. Review on indoor radon situation and its control standards in China [J]. Sichuan Environment， 2008， 27（6）： 100103.

[9]UNSCEAR 2005 report： Sources and effects of Ionizing radiation [R].NewYork： United Nations， 2005.

[10]Ie1Seh G，F(xiàn)erry C. Study of a predictive methodology for quantifieation and mapping of the 222Rn，exhalationrate[J]. Journal of Environmental Radioaetivity，2002， 63（2）：1533.

[11]Fazalur R. Application of the can technique and radon gas analyze for radon exhalation measurements[J]. Applied Radiation and Isotopes， 2003， 59（3）： 353358.

[12]Eseobar V G. Procedures for the determination of 222Rn exhalation and effective 226Raaetivity in soil samples [J]. Applied Radiation and Isotopes，1999，50（5）：10391047.

[13]盧新衛(wèi)，李貴斌.室內(nèi)氡暴露及其對人體健康的影響[J]. 輻射防護， 2005， 25（2）： 122126.

Lu W X， Li G B. Study on indoor radon exposure and its effect on human health [J]. Radiation Protection， 2005， 25（2）： 122126.

[14]中國輻射防護研究院的研究報告[R]. 北京：中國輻射防護研究院， 2012.

[15]俞義樵，任天山.室內(nèi)氡的來源和特性[J].重慶大學學報：自然科學版， 1999， 22（3）： 8591.

Yu Y Q， Ren T S. Sources and characters of indoor radon [J]. Journal of Chongqing University：Natural Science Edition， 1999， 22（3）： 8591.

[16]Jonassen N. Exhalation of radon222 from building materials and walls [C].Vienna： NREⅢ，CONF780422， 1980：360.

[17]Gesell T F. Epidemiological implications of radon in public water supplies[C]//Proceedings of the specialist meeting on the assessment of radon and daughter exposure and related biological effects.Vienna： RD Press，1982：120.

[18]Gesellt F. Occupational radiation exposure due to radon222 in natural gas and natural gas products [J]. Health Physics， 1975， 29：881.

[19]Collé R. Radon transport through and exhalation from building materials [M]. New York： U.S. National Bureau of Standards， 1981.

[20]王玫.土壤氡與室內(nèi)氡濃度關(guān)系的研究[J].中國預防醫(yī)學雜志， 2005， 6（1）： 2122.

Wang M. Relationship between radon in soil and indoor [J]. Chinese Journal of Preventive Medicine，2005， 6（1）： 2122.

[21]UNSCEAR 2000 report： Sources and effects of Ionizing radiation [R]. NewYork： United Nations， 2000.

[22]Lin L Q. Indoor radon measurements in Beijing area [J]. The Sciences of the Total Environment， 1991，107： 255.

（編輯王秀玲）