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。
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。
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。
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
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
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。
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。
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%。
(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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