負(fù)壓條件下地層中VOCs 污染的數(shù)值模擬分析

程 昕，趙勝豪，錢(qián) 瑜

（1.南京大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023；2.南京國(guó)環(huán)科技股份有限公司，江蘇 南京 210042；3.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引言

蒸氣入侵指VOCs從地下污染源通過(guò)揮發(fā)釋放出來(lái)后，以氣態(tài)形式經(jīng)由土壤包氣帶孔隙運(yùn)移到建筑物地基附近，最終進(jìn)入建筑物室內(nèi)，并產(chǎn)生人體暴露的過(guò)程[1]。在原址改造類的棕地再開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，原場(chǎng)地部分或全部建筑物將被保留[2]，蒸氣入侵成為VOCs暴露的重要途徑，其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果尤為重要[3-4]。

影響蒸氣入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)確性的最大因素是VOCs濃度具有時(shí)間和空間異質(zhì)性，僅依據(jù)單次的地下水、土壤、土壤氣等采樣結(jié)果，難以準(zhǔn)確評(píng)估[5]。有學(xué)者提出，通過(guò)人工調(diào)控場(chǎng)地建筑物為負(fù)壓狀態(tài)后再開(kāi)展污染物采樣工作，可以消除時(shí)空異質(zhì)性的干擾[6]。在實(shí)際場(chǎng)地調(diào)研方面，McHugh等[7]在美國(guó)六棟建筑中進(jìn)行了壓力控制方法的驗(yàn)證，在基線、負(fù)壓和正壓控制條件下分別進(jìn)行VOCs采樣。研究結(jié)果表明通過(guò)在窗戶或門(mén)口安裝風(fēng)扇可以有效調(diào)控建筑物的氣壓狀態(tài)，其中負(fù)壓控制可以解決污染物的時(shí)空異質(zhì)性以及背景干擾問(wèn)題，該方法可以代替需要多次進(jìn)行的土壤氣采樣監(jiān)測(cè)。Holton等[8]針對(duì)ASU House開(kāi)展長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)，在超過(guò)一年的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行負(fù)壓控制，將各監(jiān)測(cè)指標(biāo)與自然狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明負(fù)壓條件下污染物濃度的時(shí)空異質(zhì)性降低，且監(jiān)測(cè)結(jié)果比自然狀態(tài)高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此該方法可以用于最壞情形下蒸氣入侵的評(píng)估。Guo等[9-10]在蒸氣入侵污染場(chǎng)地多次執(zhí)行負(fù)壓控制實(shí)驗(yàn)，研究排風(fēng)扇位置、室內(nèi)外壓差、壓差控制持續(xù)時(shí)間、室內(nèi)空氣混合、室內(nèi)空氣取樣位置與規(guī)范等因素對(duì)污染物采樣結(jié)果的影響。在模型模擬研究方面，Song等[11]將現(xiàn)有的空氣入滲建筑物模型與蒸氣入侵模型相結(jié)合，構(gòu)建煙囪效應(yīng)（負(fù)壓）、風(fēng)效應(yīng)與土壤氣進(jìn)入速率之間的定量關(guān)系。Yao等[12]通過(guò)數(shù)值模型，分析建筑物的室內(nèi)壓力波動(dòng)對(duì)蒸氣入侵的影響。研究表明當(dāng)建筑物室內(nèi)壓力波動(dòng)超過(guò)5 Pa/h時(shí)，室內(nèi)污染物濃度將顯著提高。

目前針對(duì)負(fù)壓控制下蒸氣入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究，大多為場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)執(zhí)行結(jié)果的分析與討論，而對(duì)負(fù)壓條件下地層中VOCs時(shí)空分布規(guī)律的機(jī)理研究尚存不足。因此，本研究以污染場(chǎng)地ASU House為案例，使用達(dá)西定律與多孔介質(zhì)中稀物質(zhì)傳遞定律，構(gòu)建負(fù)壓條件下三氯乙烯蒸氣在地層中遷移的三維數(shù)值模型，模擬負(fù)壓條件下氣態(tài)三氯乙烯的時(shí)空分布，分析其時(shí)空分布規(guī)律，指導(dǎo)蒸氣入侵污染場(chǎng)地的調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1 負(fù)壓條件下地層中VOCs 遷移的模型

1.1 模擬場(chǎng)景

本研究所模擬的場(chǎng)景為典型蒸氣入侵場(chǎng)景下，負(fù)壓控制時(shí)VOCs蒸氣在地層中的遷移過(guò)程。蒸氣入侵概念模型如圖1所示。負(fù)壓控制通過(guò)利用建筑物現(xiàn)有的暖通空調(diào)系統(tǒng)或單獨(dú)安裝風(fēng)扇風(fēng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原理在于建筑物室內(nèi)和土壤氣之間的氣壓差決定了穿越地板的氣流流向[13]。負(fù)壓控制執(zhí)行時(shí)，建筑物內(nèi)部形成負(fù)壓中心，在壓力的驅(qū)動(dòng)下，地層中的VOCs蒸氣向建筑物地基處遷移，并通過(guò)地基處的裂縫進(jìn)入室內(nèi)[14]。而本研究主要關(guān)注負(fù)壓條件下，VOCs蒸氣在地層中的遷移過(guò)程。模擬場(chǎng)景主要由以受污染地下水為主的揮發(fā)性氣體釋放源、土壤介質(zhì)以及目標(biāo)建筑物地基構(gòu)成，且污染源與建筑物室內(nèi)空氣、地表大氣之間存在明顯的濃度差。

圖1 概念模型圖

1.2 模擬方法及基礎(chǔ)原理

本研究使用的模擬軟件為Comsol Multiphysics。構(gòu)建模型的主要過(guò)程有：構(gòu)建幾何體、設(shè)置物理場(chǎng)、劃分有限元網(wǎng)格、求解計(jì)算和結(jié)果后處理。模型涉及的物理場(chǎng)為達(dá)西定律和多孔介質(zhì)中稀物質(zhì)傳遞兩個(gè)模塊。其中，達(dá)西定律模塊用于模擬流體在多孔介質(zhì)中通過(guò)間隙的流動(dòng)，主要適用于低速流動(dòng)介質(zhì)或滲透率和孔隙率較小的介質(zhì)。對(duì)于這些介質(zhì)，壓力梯度是流體流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力，流動(dòng)主要受孔隙內(nèi)摩擦阻力的影響。而多孔介質(zhì)中稀物質(zhì)傳遞模塊用于計(jì)算多孔介質(zhì)中的物質(zhì)濃度和輸運(yùn)，可以模擬物質(zhì)在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散、對(duì)流、遷移、分散、吸附、揮發(fā)等過(guò)程，適用于一個(gè)或多個(gè)稀物質(zhì)，在飽和或不飽和多孔介質(zhì)中的移動(dòng)。

在達(dá)西定律模塊中，根據(jù)壓力分布求解土壤氣體流場(chǎng)：

式中：u—土壤氣的流速，m/s；k—土壤的空氣滲透系數(shù)，m2；μ—土壤氣的動(dòng)態(tài)黏滯系數(shù)，g/(m·s)；—土壤氣的氣壓梯度，g/(m2·s2)。

在多孔介質(zhì)中稀物質(zhì)傳遞模塊中，土壤氣體濃度的時(shí)間和空間分布通過(guò)將土壤氣體流速u(mài)代入以下公式求解：

式中：ai—總孔隙率，m3-soil gas/m3-soil；cg—污染物在土壤氣中的濃度，g/m3；t—時(shí)間，s；u—土壤氣的流速，m/s；Deff—土壤中污染物的有效擴(kuò)散系數(shù)[15]。

式中：ai—總孔隙率，m3-soil gas/m3-soil；—土壤中的氣體孔隙度，m3-soil gas/m3-soil；—土壤中的水分孔隙度，m3-H2O/m3-soil；Hi—污染物i的亨利常數(shù)，無(wú)量綱；—土壤中有機(jī)碳對(duì)污染物i的吸附系數(shù)，L/g；foc—土壤中的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，無(wú)量綱；ρb—土壤密度，g/L。

式中：Deff—土壤中污染物的有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Dg—?dú)庀嘀形廴疚锏臄U(kuò)散系數(shù)，m2/s；Dw—水相中污染物的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；—土壤中的氣體孔隙度，m3-soil gas/m3-soil；—土壤中的水分孔隙度，m3-H2O/m3-soil；—土壤的氣體孔隙度和水分孔隙度的總和。

1.3 初始及邊界條件設(shè)置

模型設(shè)置了多層土壤結(jié)構(gòu)。假設(shè)污染源為無(wú)限大的地下水源，假設(shè)建筑物地基處的裂縫是污染物從土壤進(jìn)入室內(nèi)的唯一途徑，不考慮污染物蒸氣入侵過(guò)程中的生物降解作用，滲流區(qū)除地表外的邊界表面的邊界條件均考慮為無(wú)流量。通常地表都是直接與大氣接觸，因此該表面上的壓強(qiáng)等于大氣壓。

裂縫設(shè)置：根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)地調(diào)研，獲取地基處裂隙的位置、長(zhǎng)度、寬度、深度等數(shù)值，以壓力井的邊界條件模擬裂隙，設(shè)置相應(yīng)的井寬與壓力參數(shù)。與過(guò)往學(xué)者研究中假設(shè)地基四周處存在裂縫相比，提高了模擬的準(zhǔn)確性。

污染源通量設(shè)置：基于負(fù)壓是VOCs從地層遷移至建筑物內(nèi)部的主要驅(qū)動(dòng)力，模型將污染物的質(zhì)量傳遞速度設(shè)置為裂縫處達(dá)西速度的垂向分量，從而獲得污染源的通量大小。具體計(jì)算過(guò)程如下：

假設(shè)VOCs在水相-氣相之間達(dá)到了分配平衡，則地下水中VOCs的濃度與土壤氣中VOCs的濃度符合亨利定律：

式中：—土壤氣中污染物的濃度；Hi—污染物的亨利常數(shù)；—地下水中污染物的濃度。根據(jù)亨利定律，求解土壤氣中VOCs的源濃度。

根據(jù)達(dá)西定律模塊模擬獲得的土壤氣體速度場(chǎng)，計(jì)算地基裂縫處土壤氣達(dá)西速度在垂直方向的平均速度，作為進(jìn)入建筑物室內(nèi)的土壤氣中VOCs的質(zhì)量傳遞速度。

2 案例研究

2.1 場(chǎng)地概況

ASU House是一棟兩層的分體式房屋，位于朝南的斜坡上，占地面積約為85 m2。該建筑物下方2.7 m處存在受氯化溶劑污染的地下水羽流，主要污染物包括：1,1,1-三氯乙烷、三氯乙烯（TCE）以及相關(guān)的降解子產(chǎn)物（如1,1-二氯乙烯）。本研究關(guān)注的目標(biāo)污染物為三氯乙烯。根據(jù)過(guò)往四年的研究，地下水中TCE的濃度范圍為10～50 μg/L，平均值為249 μg/L。

ASU House內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，模型參數(shù)見(jiàn)表1，其中裂縫位置及土層厚度為場(chǎng)地實(shí)際調(diào)研獲得，裂縫長(zhǎng)度、裂縫深度、土層滲透率及孔隙率為文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)值。

表1 模型參數(shù)

圖2 ASU House結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 模擬過(guò)程

地下水中TCE濃度為24 μg/L，根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，25℃時(shí)TCE的亨利常數(shù)為0.0509[16]，因此熱力學(xué)平衡時(shí)，土壤氣中TCE蒸氣的濃度為9.30E-06 mol/m3。根據(jù)模擬土壤氣體流場(chǎng)模擬結(jié)果（圖3），地基底部土壤氣達(dá)西速度在垂直方向的平均速度為9.12E-04 m/s，最終計(jì)算得到進(jìn)入建筑物室內(nèi)的TCE通量為7.63E-12 mol/（m2·s）。

圖3 達(dá)西速度場(chǎng)模擬結(jié)果

污染物濃度模擬最終結(jié)果見(jiàn)圖4。為確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，使用污染物濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)11個(gè)土壤氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)位處的模擬濃度與實(shí)測(cè)濃度對(duì)比，計(jì)算得到兩組數(shù)據(jù)的MAPE為0.42，MAE為1.38E-06，MSE為6.17E-12，RMSE為2.48E-06。結(jié)果（見(jiàn)表2）表明，模型預(yù)測(cè)值與場(chǎng)地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度良好，其中靠近地基處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位具有更高的吻合度，因此認(rèn)為該模型可以用于負(fù)壓控制條件下地層中VOCs蒸氣的分布模擬。而造成模擬差異的主要原因有：場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量不足；降解等過(guò)程的簡(jiǎn)化；裂縫等相關(guān)參數(shù)缺少實(shí)際數(shù)據(jù)而取自文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)值；模型計(jì)算的迭代限制[17]等。

表2 模型驗(yàn)證結(jié)果

圖4 污染物濃度模擬結(jié)果

2.3 VOCs時(shí)空分布規(guī)律分析

根據(jù)模型模擬結(jié)果，以點(diǎn)位2為例，各時(shí)間點(diǎn)的TCE濃度模擬結(jié)果見(jiàn)表3，在負(fù)壓施加的過(guò)程中，TCE濃度整體呈平穩(wěn)上升趨勢(shì)，增速先上升后下降。在t=76 h，濃度達(dá)到1.92E-06 mol/m3，與基線狀態(tài)相比，污染物濃度波動(dòng)性下降，蒸氣入侵效應(yīng)顯著增強(qiáng)。污染物濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示。因此，建筑物壓力控制技術(shù)可以用于污染場(chǎng)地蒸氣入侵最壞情形的調(diào)查評(píng)估。

表3 點(diǎn)位2處TCE濃度模擬結(jié)果

圖5 點(diǎn)位2污染物濃度模擬結(jié)果

點(diǎn)位1,2,3（a組）與點(diǎn)位9,10,11（b組）是兩組平面位置相同而深度不同的采樣點(diǎn)，橫向縱向?qū)Ρ仍搩山M點(diǎn)位的污染物濃度模擬結(jié)果（見(jiàn)表4與圖6），分析污染物濃度的空間分布規(guī)律。水平方向上，a組點(diǎn)位濃度大于b組，淺層土壤處略有反常。對(duì)比兩組點(diǎn)位的空間位置，與b組相比，a組與裂縫（即負(fù)壓中心）之間的距離更小，推測(cè)這是a組濃度整體高于b組的原因。淺層土壤處，土壤氣流速加大，土壤氣中的污染物通過(guò)裂縫進(jìn)入建筑物室內(nèi)空間，這可能是點(diǎn)位1污染物濃度小于點(diǎn)位9的原因。因此，在負(fù)壓控制下的蒸氣入侵污染場(chǎng)地調(diào)查中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注裂縫附近的污染情況，在裂縫處加密布置采樣點(diǎn)位，以獲取最壞情形下的評(píng)估結(jié)果。在垂直方向上，三層采樣深度分別為0.7 m、1.6 m和2.5 m，隨著深度的增加，污染物濃度逐漸提高。分析其原因?yàn)椋荷顚油寥栏拷叵滤廴驹?，?dǎo)致土壤氣中TCE濃度較高，且靠近地基處的污染物通過(guò)裂縫進(jìn)入室內(nèi)空氣，導(dǎo)致地基處土壤氣中污染物濃度降低。因此在蒸氣入侵污染場(chǎng)地調(diào)查中，距地下污染源垂向距離與裂縫位置是需要重點(diǎn)關(guān)注評(píng)價(jià)的指標(biāo)。

表4 a組與b組TCE濃度模擬結(jié)果

圖6 a組與b組污染物濃度模擬結(jié)果

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）負(fù)壓條件下地層中VOCs的時(shí)間分布規(guī)律：在施加負(fù)壓的過(guò)程中，土壤氣中污染物濃度平穩(wěn)上升，增速先上升后下降，最終模擬濃度為1.92E-06 mol/m3（t=76 h），與基線狀態(tài)相比，污染物濃度波動(dòng)性下降，蒸氣入侵效應(yīng)增強(qiáng)。因此，建筑物壓力控制技術(shù)可以用于污染場(chǎng)地蒸氣入侵最壞情形的調(diào)查評(píng)估。

（2）負(fù)壓條件下地層中VOCs的空間分布規(guī)律：水平方向上，與裂縫（即負(fù)壓中心）之間的距離越小，污染物濃度越高。淺層土壤處，土壤氣流速加大，污染物通過(guò)裂縫進(jìn)入建筑物室內(nèi)空間，濃度略有下降；垂直方向上，深層土壤更靠近地下水污染源，深度越大，土壤氣中的污染物濃度越高?？拷鼗幍奈廴疚锿ㄟ^(guò)裂縫進(jìn)入室內(nèi)空氣，導(dǎo)致地基處土壤氣中的污染物濃度降低。因此，在負(fù)壓控制下的蒸氣入侵污染場(chǎng)地調(diào)查中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注裂縫位置與距地下污染源的垂向距離，在裂縫附近加密布置采樣點(diǎn)位，以獲取最壞情形下的評(píng)估結(jié)果。

（3）指導(dǎo)蒸氣入侵污染場(chǎng)地調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：根據(jù)11個(gè)點(diǎn)位處的實(shí)際采樣數(shù)據(jù)可知，本研究建立的模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度良好；分析模擬結(jié)果可知，通過(guò)負(fù)壓控制，能夠消除VOCs的時(shí)空異質(zhì)性，獲取最壞情況下的污染數(shù)據(jù)。因此，實(shí)際場(chǎng)調(diào)時(shí)，可以在負(fù)壓條件下進(jìn)行VOCs采樣，能夠更高效、準(zhǔn)確地評(píng)估蒸氣入侵的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)在蒸氣入侵污染場(chǎng)地調(diào)查中，距地下污染源垂向距離與裂縫位置是需要重點(diǎn)關(guān)注評(píng)價(jià)的指標(biāo)。

3.2 不足與展望

本研究構(gòu)建的模型適用于氯代烴污染場(chǎng)地，在模擬的過(guò)程中，沒(méi)有考慮生物降解、吸附解析等作用。同時(shí)模型的應(yīng)用需要獲取孔隙率、滲透率、地基裂縫等相關(guān)參數(shù)，若缺少實(shí)際數(shù)據(jù)而參考文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)值則會(huì)帶來(lái)一定的誤差。

未來(lái)可以進(jìn)一步研究場(chǎng)地特征對(duì)負(fù)壓執(zhí)行效果的影響，進(jìn)而更精確地分析該技術(shù)的有效性，總結(jié)相應(yīng)的執(zhí)行指南（包括壓力控制時(shí)間、壓力控制方式、污染物采樣點(diǎn)位、污染物采樣方式、蒸氣入侵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)等），更好地為該技術(shù)在污染場(chǎng)地調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。