基于住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型的場地健康風(fēng)險評估

唐 志，李義連，寧 宇，張陽陽，楊 森，逯 雨

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

為了滿足城市建設(shè)發(fā)展的需求，國內(nèi)大中城市都實行了“退二進(jìn)三”、“退城進(jìn)園”和“產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移”等政策，涉及化工、石油等行業(yè)的工業(yè)企業(yè)搬遷或關(guān)閉后，遺留了大量的潛在污染場地[1-3]。國家環(huán)境保護(hù)部及地方環(huán)境管理部門規(guī)定，潛在污染場地在開發(fā)利用前須進(jìn)行健康風(fēng)險評估，并發(fā)布了配套的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指導(dǎo)[4-5]，以確定場地潛在污染對未來使用人群的健康風(fēng)險水平，為場地的管理與修復(fù)提供支持[6]。

我國在場地健康風(fēng)險評估領(lǐng)域的研究起步相對較晚，標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)有待進(jìn)一步完善[7-10]。目前在污染場地健康風(fēng)險評估過程中，多數(shù)評估機(jī)構(gòu)缺乏與場地規(guī)劃部門及建筑設(shè)計單位的詳細(xì)溝通[11]，僅根據(jù)用地類型來確定評估模型，量化污染物的健康風(fēng)險水平，確定可接受風(fēng)險水平下的修復(fù)目標(biāo)，而未結(jié)合場地建設(shè)方案及建筑結(jié)構(gòu)特點對現(xiàn)有評估模型及參數(shù)進(jìn)行修正[12-14]，這可能會導(dǎo)致評估結(jié)果較為保守，造成場地的過度修復(fù)。國外相關(guān)研究[15-17]表明，健康風(fēng)險評估應(yīng)結(jié)合場地用地規(guī)劃、建設(shè)及環(huán)境管理方案，在保護(hù)人體健康的前提下，確保評估結(jié)果更為客觀。

鑒于此，本文以國內(nèi)某化工廠退役苯污染場地為例，根據(jù)該污染場地用地規(guī)劃(開發(fā)帶有地下車庫的高層住宅)及建筑結(jié)構(gòu)特點(地下車庫構(gòu)造參數(shù))，修正了通用污染暴露模型，構(gòu)建了住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型，分別利用通用污染暴露模型和住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型對該污染場地的健康風(fēng)險進(jìn)行了評估，并對比了兩種污染暴露模型的評估結(jié)果，以期為我國類似的風(fēng)險評估項目及管理提供新的思路。

1 污染場地概況

1. 1 場地特征

研究場地為湖北省某化工廠生產(chǎn)區(qū)，地處長江支流北岸。該化工廠于20世紀(jì)50年代建立，生產(chǎn)區(qū)占地面積約6.94×104m2，2015年停產(chǎn)搬遷后，遺留場地擬開發(fā)為高層住宅小區(qū)。該場地地層結(jié)構(gòu)分為4層，其中0～1.0 m為回填土層，1.0～4.0 m為粉土層，4.0～9.0 m為黏土層，9.0～11.0 m為砂土層。研究區(qū)域地下水流向隨長江支流豐枯水季變化而變化，承壓含水層頂部埋深約9.0 m。

1. 2 場地土壤污染特征

為了詳細(xì)了解該場地土壤污染狀況及其對場地未來使用人群的健康影響，本研究對污染場地進(jìn)行了采樣調(diào)查，通過鉆探(7822DT直推式鉆機(jī)，美國Geoprobe公司)采集不同深度的非擾動土壤樣品，樣品采集與保存方法見文獻(xiàn)[18]，土壤樣品分析方法見文獻(xiàn)[19]。由土壤樣品的檢測結(jié)果可知，場地內(nèi)土壤中苯污染嚴(yán)重，最高濃度達(dá)391.00 mg/kg，超過《場地土壤環(huán)境風(fēng)險評價篩選值》(DB11T 811—2011)中住宅用地苯篩選值(0.64 mg/kg)約611倍，超篩選值樣品所占比例約為25.00%。根據(jù)場地生產(chǎn)資料可知，該化工廠在生產(chǎn)過程中使用過含苯系物的有機(jī)溶劑。從土壤樣品檢測濃度的水平分布來看，苯污染主要分布于生產(chǎn)車間、原料庫附近，因此可推測場地內(nèi)土壤中苯污染可能來自于該化工廠生產(chǎn)過程中生產(chǎn)廢液的隨意處置、溶劑儲罐及溶劑輸送管道的“跑冒滴漏”等。

2 污染暴露模型

2. 1 通用污染暴露模型

對于苯等揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds，VOCs)污染場地，污染物主要通過揮發(fā)過程以氣態(tài)形式進(jìn)入室內(nèi)，在受體的呼吸作用下進(jìn)入體內(nèi)，繼而危害人體健康[20-22]。本研究將重點關(guān)注吸入室內(nèi)空氣中來自下層土壤的氣態(tài)污染物(簡稱“蒸氣入侵”)這一關(guān)鍵暴露途徑。

目前《污染場地風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.3—2014)(以下簡稱《導(dǎo)則》)等國內(nèi)外風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則或指南，大多參考Johnson & Ettinger模型(簡稱“J&E模型”)構(gòu)建蒸氣入侵風(fēng)險評估模型[4-5,23-24]，J&E模型假設(shè)VOCs揮發(fā)進(jìn)入建筑物內(nèi)部的過程分為3個階段[25]：①污染物從污染源擴(kuò)散至建筑物底部周邊土壤中；②污染物從建筑物底部周邊土壤通過擴(kuò)散和對流進(jìn)入建筑物內(nèi)部；③污染物進(jìn)入建筑物內(nèi)部后與外部空氣的交換，并在建筑物內(nèi)部混合均勻。

基于上述假設(shè)條件，現(xiàn)有風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則或指南已建立了相應(yīng)的計算模型，本研究僅計算苯的致癌風(fēng)險(CR)，并以目前普遍接受的1×10-6作為可接受致癌風(fēng)險水平[4-5,11]計算該污染場地土壤中苯的修復(fù)目標(biāo)值(RCVS)，具體計算公式如下[4]

CRk=暴露量×Cs×SFk

(1)

CRn=∑CRk

(2)

RCVSn=

(3)

式中:CRk為污染物第k種暴露途徑的致癌風(fēng)險(無量綱)；Cs為土壤中污染物的暴露濃度(mg/kg);SFk為致癌斜率因子[mg污染物/(kg體重·d)-1],其中SFo為徑口攝入，SFd為皮膚接觸，SFi為呼吸收入；CRn為污染物經(jīng)所有暴露途徑的總致癌風(fēng)險(無量綱)；RCVSn為污染物相應(yīng)的修復(fù)目標(biāo)值(mg/kg)；OISER、DCSER、PISER、IOVER1、IOVER2、IIVER1分別為土壤6種暴露途徑(經(jīng)口攝入土壤、皮膚接觸土壤、吸入土壤顆粒物、吸入室外空氣中來自表層土壤的氣態(tài)污染物、吸入室外空氣中來自下層土壤的氣態(tài)污染物、吸入室內(nèi)空氣中來自下層土壤的氣態(tài)污染物)的暴露量(致癌效應(yīng))[kg土壤/(kg體重·d)]。

該污染場地健康風(fēng)險評估所需主要參數(shù)的定義及取值，詳見表1。

表1 污染場地健康風(fēng)險評估參數(shù)的定義及取值Table 1 Definition and parameter values in health risk assessment of contaminated sites

2. 2 住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型

根據(jù)住宅用地規(guī)劃可知，該污染場地擬建帶地下車庫的高層住宅小區(qū)，而由住宅小區(qū)建筑物的結(jié)構(gòu)特點可知，通用污染暴露模型并不適用于該污染場地的健康風(fēng)險評估。原因在于：與通用污染暴露模型假設(shè)的污染物在建筑物內(nèi)部均勻混合不同，住宅小區(qū)地上室內(nèi)空間與地下車庫并不直接連通，污染物進(jìn)入地下車庫后并不能與地上室內(nèi)的空間內(nèi)空氣均勻混合，即地下車庫中污染物濃度往往與地上室內(nèi)空間不同。因此，對該污染場地進(jìn)行健康風(fēng)險評估時需要考慮地下車庫對污染物的稀釋作用，以避免直接套用現(xiàn)有導(dǎo)則的通用污染暴露模型而導(dǎo)致評估結(jié)果偏離實際。

通用污染暴露模型與住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型的對比見圖1。

圖1 兩種污染暴露模型的對比示意圖Fig.1 Comparison diagram for the two exposure models

3 污染場地的健康風(fēng)險評估結(jié)果與分析

3. 1 通用污染暴露模型的評估結(jié)果

本文參照《導(dǎo)則》中住宅用地通用污染暴露模型對研究場地開展健康風(fēng)險評估，風(fēng)險評估過程中將污染場地內(nèi)0～1.0 m土壤作為表層土壤[14,26]，1.0～8.0 m土壤作為下層土壤，并分層進(jìn)行污染物暴露濃度統(tǒng)計。為了從總體上反映整個場地的污染狀況，選取土壤樣品檢測濃度的95%UCL(upper confidence level，置信區(qū)間上限值)作為污染物的暴露濃度進(jìn)行健康風(fēng)險計算[5,27]，Pro-UCL軟件計算結(jié)果顯示：表層土壤中苯的95%UCL為44.78 mg/kg，下層土壤中苯的95%UCL為7.60 mg/kg。

研究場地健康風(fēng)險評估結(jié)果顯示，污染場地內(nèi)土壤中苯的致癌風(fēng)險達(dá)到4.01×10-4，其中蒸氣入侵途徑的致癌風(fēng)險對總致癌風(fēng)險的貢獻(xiàn)率達(dá)到98.66%，表明研究場地若不采取風(fēng)險管控或修復(fù)措施，污染土壤對場地未來使用人群的致癌風(fēng)險將遠(yuǎn)超可接受風(fēng)險水平。利用現(xiàn)有《導(dǎo)則》中的通用污染暴露模型計算該污染場地土壤中苯的修復(fù)目標(biāo)值為0.02 mg/kg，與北京某焦化廠生產(chǎn)用地第一層次風(fēng)險評估結(jié)果(0.017 mg/kg)[28]類似。本研究以0.02 mg/kg作為該污染場地土壤中苯的修復(fù)目標(biāo)，與場地土壤環(huán)境的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤樣品超標(biāo)嚴(yán)重。采用Sufer 12軟件對該污染場地進(jìn)行空間插值與繪圖，并根據(jù)土壤樣品的檢測結(jié)果及現(xiàn)場實際情況對該污染場地土壤中苯污染的修復(fù)區(qū)域分布進(jìn)行了適當(dāng)修正，見圖2。

圖2 某化工廠場地不同深度污染土壤修復(fù)區(qū)域的分布(采用通用污染暴露模型)Fig.2 Distribution of soil remediation areas at different depths in a chemical plant (the general exposure model)

根據(jù)圖2的插值結(jié)果，可計算得到研究場地不同深度污染土壤的修復(fù)量，其中表層(0～1.0 m)污染土壤的修復(fù)量為22 497 m3，第二層(1.0～4.0 m)污染土壤的修復(fù)量為97 774 m3，第三層(4.0～8.0 m)污染土壤的修復(fù)量為42 083 m3，污染土壤的總修復(fù)量約為162 354 m3?？梢?，采用通用污染暴露模型確定的研究場地修復(fù)土方量大、修復(fù)成本高，可能存在過度修復(fù)的現(xiàn)象，因此對該污染場地應(yīng)考慮住宅用地的規(guī)劃及擬建構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)特點對通用污染暴露模型進(jìn)行修正，開展更為科學(xué)、合理的場地健康風(fēng)險評估。

3. 2 住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型的評估結(jié)果

根據(jù)住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型(見圖1)，結(jié)合VOCs揮發(fā)進(jìn)入建筑物內(nèi)部的過程假設(shè)，可推導(dǎo)出適用于住宅用地場地健康風(fēng)險評估的計算公式。具體推導(dǎo)過程如下：

由于住宅用地情景下，地下車庫空間與地上室內(nèi)空間不直接聯(lián)通，可將地下車庫空間和地上室內(nèi)空間視為兩個獨立的空氣混合區(qū)域，VOCs僅通過分子擴(kuò)散作用穿越地下車庫底板進(jìn)入地下車庫空間，然后通過頂板進(jìn)入地上室內(nèi)空間。因此，根據(jù)Fick擴(kuò)散定律[20,29]可計算出VOCs擴(kuò)散過程中的揮發(fā)通量，具體計算公式如下：

(4)

(5)

θ=θacrack+θwcrack

(6)

(7)

根據(jù)通量連續(xù)性原則，可建立土壤中VOCs與室內(nèi)空氣中VOCs的濃度關(guān)系[11,29-30]，其計算公式為

Flux×Ab×η=ER×Ab×LB×Cabove

(8)

式中:Ab為建筑物底板(或頂板)面積(cm2)；其余符號參見表1。

通過聯(lián)立公式(4)～(8)，可以分別計算出地下車庫空間和地上室內(nèi)空間的VOCs濃度Cindoor(mg/m3)，并根據(jù)下式計算蒸氣入侵途徑的健康風(fēng)險CRin:

(9)

式中:CRin為蒸氣入侵途徑致癌風(fēng)險(無量綱)；DAIRc為兒童每日空氣呼吸量(7.5 m3/d)；EFIc為兒童室內(nèi)暴露頻率(262.5 d/a)；EDc為兒童暴露期(6 a)；BWc為兒童平均體重(15.9 kg)；ATca為致癌效應(yīng)平均時間(26 280 d)；DAIRa為成人每日空氣呼吸量(14.5 m3/d)；DFIa為成人室內(nèi)暴露頻率(262.5 d/a)；EDa為成人暴露期(24 a)；BWa為成人平均體重(56.8 kg)；其余符號參見表1。上述取值均參考《導(dǎo)則》。

根據(jù)國家建筑設(shè)計規(guī)范，地下室建筑底板構(gòu)造厚度應(yīng)不低于0.4 m[31]，實際設(shè)計過程中考慮結(jié)構(gòu)承重，其厚度往往大于該最低標(biāo)準(zhǔn)；且有相關(guān)研究表明，建筑物底板裂隙率一般為0.000 05～0.005[32]；此外，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB 50019—2003)和《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB 50736—2012)可知，地下車庫換氣速率應(yīng)大于6次/h。出于保守考慮，本研究假定該場地地下車庫開發(fā)深度為5 m[33-34]，底板厚度為0.4 m，地基裂隙率為0.005，換氣速率為6次/h(即144次/d)。地下車庫的開發(fā)將清挖走部分污染土壤，污染物的健康風(fēng)險應(yīng)僅考慮場地內(nèi)剩余的污染土壤，即在評估苯蒸氣入侵途徑的致癌風(fēng)險時，僅計算5 m以下土壤中苯的暴露濃度(0.28 mg/kg)，其他參數(shù)保持不變。

對通用污染暴露模型進(jìn)行修正后，重新計算了該污染場地土壤中苯的健康風(fēng)險水平，結(jié)果顯示：蒸氣入侵致癌風(fēng)險從3.95×10-4降低至9.39×10-22，場地內(nèi)土壤中苯的致癌風(fēng)險從4.01×10-4降低至5.39×10-6，致癌風(fēng)險評估結(jié)果降低了74.40倍。采用住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型對該污染場地進(jìn)行健康風(fēng)險評估，污染場地土壤中苯的修復(fù)目標(biāo)值修正為4.79 mg/kg，其提高了約240倍,該污染暴露模型下該污染場地土壤中苯污染的修復(fù)區(qū)域分布見圖3。

圖3 某化工廠場地不同深度污染土壤修復(fù)區(qū)域的分布(采用住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型)Fig.3 Distribution of soil remediation areas at different depths in the chemical plant (exposure model with residential site planning and building structure)

根據(jù)圖3的插值結(jié)果，重新計算得到研究場地不同深度污染土壤的修復(fù)量，其中表層污染土壤的修復(fù)量為3 941 m3，第二層污染土壤的修復(fù)量為23 360 m3，第三層污染土壤的修復(fù)量為1 880 m3，污染土壤的總修復(fù)量約為29 181 m3。

3. 3 效益評估

根據(jù)上述污染場地健康風(fēng)險評估結(jié)果可知，無論是使用《導(dǎo)則》中的通用污染暴露模型還是修正后的住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型，該污染場地土壤中苯的致癌風(fēng)險評估結(jié)果均高于可接受風(fēng)險水平(1×10-6)，表明必須對該污染場地進(jìn)行修復(fù)。通過比較兩種污染暴露模型的評估結(jié)果對修復(fù)成本的影響可知，結(jié)合場地用地規(guī)劃及建筑物結(jié)構(gòu)參數(shù)的污染暴露模型的評估結(jié)果更具客觀性和經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)對比，住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型的評估結(jié)果中，表層污染土壤的修復(fù)量相對通用污染暴露模型的評估結(jié)果減少了18 556 m3，減少幅度約為82.48%；第二層污染土壤的修復(fù)量減少了74 414 m3，減少幅度為76.11%；第三層污染土壤的修復(fù)量減少了40 203 m3，減少幅度約為95.53%；該場地污染土壤的總修復(fù)量減少了133 173 m3，減少幅度約為82.03%。

根據(jù)實際場地修復(fù)過程中苯污染土壤的修復(fù)技術(shù)成本，本研究對該場地污染土壤修復(fù)費用進(jìn)行了初步評估，評估結(jié)果表明：該污染場地0～4.0 m以內(nèi)的土壤為回填土及粉土，經(jīng)修復(fù)技術(shù)比選，選擇被廣泛使用的原位氣相抽提(Soil Vapor Extraction，SVE)技術(shù)進(jìn)行修復(fù)[35]，修復(fù)成本約為400 元/m3；對于該污染場地4.0～8.0 m范圍內(nèi)的黏土，由于其滲透率較低，通透性較差，采用SVE技術(shù)修復(fù)的效果不夠理想[36]，無法滿足場地修復(fù)的要求，對該黏土層擬采用原位熱強(qiáng)化-機(jī)械攪拌技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)成本約為1 200 元/m3。根據(jù)場地污染土壤修復(fù)量和修復(fù)技術(shù)單位修復(fù)成本，估算了兩種污染暴露模型評估結(jié)果下的污染土壤修復(fù)費用，結(jié)果顯示利用住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型后，該場地污染土壤修復(fù)費用由0.99 億元下降至0.13 億元，減少幅度達(dá)86.87%。

4 結(jié)論與建議

(1) 分別采用《導(dǎo)則》中的通用污染暴露模型和本研究推導(dǎo)出的住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型對湖北某化工廠污染場地進(jìn)行了健康風(fēng)險評估，結(jié)果表明：該污染場地土壤中苯的致癌風(fēng)險均超過可接受風(fēng)險水平(1×10-6)，但前者評估結(jié)果不夠客觀，難以為后續(xù)場地風(fēng)險管控方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。

(2) 通過對研究場地用地規(guī)劃和擬建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的分析，本文對通用污染暴露模型進(jìn)行了修正，構(gòu)建了住宅用地規(guī)劃及建筑結(jié)構(gòu)暴露模型，并重新對該污染場地進(jìn)行了健康風(fēng)險評估，評估結(jié)果顯示：該污染場地土壤中苯的修復(fù)目標(biāo)值提高了約240倍，土壤修復(fù)費用減少幅度約為86.87%，該評估結(jié)果更具科學(xué)性，同時也能大大降低修復(fù)成本。

(3) 由于影響場地健康風(fēng)險評估結(jié)果的模型參數(shù)較多，因此應(yīng)根據(jù)特定場地特征及建設(shè)方案對污染暴露模型進(jìn)行校正，以避免套用現(xiàn)有風(fēng)險評估技術(shù)導(dǎo)則或指南而導(dǎo)致評估結(jié)果過于保守，造成場地的過度修復(fù)。

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