土壤中苯和硝基苯蒸气入侵建筑物研究

杨 健，吴以中，王蔡华

（南京工业大学环境学院，江苏 南京 210009）

土壤污染具有明显的隐蔽性、潜伏性和不可逆性等特点［1］，不容易被人们察觉而被忽略，随着工业企业的搬迁、停产、倒闭，遗留了大量的、多种多样的、复杂的污染场地，这些污染场地经过换土、化学修复、生物修复、电修复和热修复等方法［2］修复以及其后的风险评估，虽然达到了相应的土地利用标准，但土壤中仍含有一定量的污染物。随着我国城市化进程的加快，将修复后的污染土地再开发利用正变得越来越普遍，在此类地块上修建的建筑物难免会受到污染物蒸气入侵的影响，因此有必要开展土壤污染物蒸气入侵建筑物的环境影响评价和对策研究。

1 土壤污染物蒸气入侵建筑物的途径与危害

蒸气入侵是一个暴露途径——人类能在室内接触环境污染物的途径［3］。蒸气入侵是指挥发性和半挥发性化学物质从地下污染土壤和地下水通过建筑物的墙体裂缝和地基缺口等进入上覆建筑物的室内空间。不正确的使用、存储或者运输化学品都可能导致环境污染，并且产生潜在的蒸气入侵问题。

1.1 污染物蒸气入侵建筑物的途径

含有污染物的地下水和土壤场地，存在污染物蒸气从地下移动到上覆建筑物的潜在性，因此无论是有地下室还是没有地下室的建筑物都可能出现污染物蒸气入侵问题。污染物蒸气入侵建筑物的途径有很多，例如地基板的缝隙、地面和墙壁的裂缝、管道和水池周围缺口等，但不同的点位、污染物浓度、土壤深度、土壤的含水率等对污染物蒸气入侵建筑物的影响程度不同。

1.2 污染物蒸气入侵建筑物的危害

人类通过呼吸污染的空气、饮用污染的水或者接触污染的土壤等方式，受到污染物蒸气入侵的危害。通常在气味浓度可检测发觉的室内，也就是说污染物蒸气入侵的浓度过高，短期的接触可能导致严重的急性健康问题，比如头疼、恶心、刺激眼睛和呼吸等；但是更普遍的是，居住者面临的潜在风险来自于呼吸，较少的化学污染物蒸气长时间积聚在室内，其浓度不容易被检测发觉，若长期的接触可能增加慢性的健康问题的风险，比如癌症和其他疾病等［3］。可见，污染物蒸气入侵对建筑物内的居住者或工作者的生命构成潜在风险。另外，污染物蒸气在室内不断地积累，也存在引起火灾或者爆炸的危险，例如来自于汽油的蒸气，这些特殊的化学蒸气一旦达到其爆炸浓度，可能产生爆炸和火灾。

2 污染物蒸气入侵建筑物的浓度预测方法

目前国内对于污染物蒸气入侵建筑物的浓度预测模型主要有RBCA、Csoil、Volasoil和Johnson ＆Ettinger等，其中Johnson ＆ Ettinger模型将建筑物看作一个完整的空间，并且考虑一部分在地下［4］，更加符合人们的空间思维和现实情况，并且其他大多数预测模型都以污染分区和地下蒸气输送进入建筑物的Johnson ＆Ettinger模型分析解为基础，因此本文选用Johnson ＆Ettinger模型作为污染物蒸气入侵建筑物的浓度预测模型。

Johnson ＆Ettinger模型以有关污染的分布和发生、地下特征、蒸气传输和建筑物结构的一些简化设想作为基础，可用来计算室内空气污染物浓度，测量或者评估土壤以及地下水中苯和硝基苯污染物的浓度［3］。所谓Johnson ＆Ettinger模型是指一个单面的分析解答传递性的和分散性的蒸气输送进入室内空间和提供一个有关从污染源处蒸气浓度到室内蒸气浓度的估算衰减系数［5］。

建筑物或者封闭空间里的污染物蒸气浓度预测，利用Johnson ＆Ettinger模型解答［6］，如下式：

式中：Cbuilding为建筑物或者封闭空间里的污染物蒸气浓度（mg／m3）；α为稳定的衰减系数；Csource为污染源处污染物的蒸气浓度（mg／L）。

2.1 污染源处污染物的蒸气浓度计算

Johnson ＆Ettinger模型计算三相平衡时土壤污染源处污染物的蒸气浓度的公式为

其中：Csource为土壤污染源处污染物的蒸气浓度（mg／m3）；H′为亨利常数（无量纲）；CR为土壤污染源处污染物的总含量（mg／kg）；ρb 为土壤容重（g／cm3）；θw为土壤含水率（无量纲）；Kws为土-水吸附系数（L／kg），Kws=Koc×Foc［其中，Koc为碳水吸附系数（L／kg）；Foc为土壤中有机碳含量（g／g）］；θa为土壤含气率（无量纲）。

2.2 稳定的衰减系数计算

稳定的衰减系数计算公式为

2.2.1 土壤中污染物蒸气有效扩散系数计算

土壤中污染物蒸气有效扩散系数的计算公式为

式中：Da为土壤中污染物蒸气在空气中的扩散系数（m2／d）；Dw为土壤中污染物蒸气在水中的扩散系数（m2／d）；θ为非饱和土层土壤中总空隙体积比（无量纲），取值为0.8；θavs为非饱和土层土壤中孔隙空气体积比（无量纲），θavs=θ-θwvs［其中，θwvs为非饱和土层土壤中孔隙水体积比（无量纲），θwvs=ρw为水的密度（g／cm3）］。

2.2.2 蒸气通过地基和墙体裂隙的有效扩散系数计算

蒸气通过地基和墙体裂隙的有效扩散系数的计算公式为

式中：θacrack为地基和墙体裂缝中空气体积比（无量纲），取值为0.26；θwcrack为地基和墙体裂缝中水体积比（无量纲），取值为0.12。

3 实例研究

本文选取某硝基苯生产企业搬迁后的场地作为研究对象，利用Johnson ＆Eittinger模型预测未来在该场地上建设的建筑物的室内苯和硝基苯蒸气挥发暴露浓度。

3.1 建筑物与污染物属性参数

该污染场地所处土层的土质为砂土，被污染土层的顶部距离地表分别为0.5m、2m、5m，建筑物地下埋深为0.4 m，两者关系见图1；土壤容重为1.50 g／cm3，土壤孔隙率为0.8，其中土壤含气率为0.2，土壤中污染物的浓度和土壤含水率以土壤样品分析结果为准，土壤中有机碳含量为0.058g／kg。与建筑物有关的参数和重点污染物属性参数见表1和表2。

图1 建筑物地下埋深与被污染土层土壤深度的关系图Fig.1 Relationship between the burial depth of the Bailding and the depth of the contaminated soil layers

表1 建筑物相关参数Table 1 Parameters related to buildings

表2 污染物属性参数（10℃）Table 2 Parameters related to contaminant properties（10℃）

3.2 场地上建筑物室内苯和硝基苯挥发暴露浓度预测与分析

本文利用Johnson ＆Ettinger数学模型，采取上述污染物蒸气入侵建筑物的浓度预测方法计算该场地上的建筑物室内苯和硝基苯的挥发暴露浓度，其计算结果见表3。

表3 室内苯和硝基苯挥发暴露浓度的预测结果Table 3 Prediction results of indoor volatile exposure concentration

参照《室内空气质量标准》（GB／T 18883—2002）和卫生部颁布的《工业企业设计卫生标准》，给出了室内空气中苯和硝基苯的标准值，见表4。

表4 室内空气中苯和硝基苯的标准值Table 4 Standards of indoor air quality

由表3可以看出：研究场地部分点位中苯的室内挥发暴露浓度已超出《室内空气质量标准》（GB／T 18883—2002）中的标准值，将会影响居住者的身体健康。苯是被专家确认为严重致癌物质［7］，苯中毒会造成嗜睡、头痛、头晕、恶心、胸部紧束感等，严重的可出现视线模糊、震颤、抽搐和昏迷等症状；而硝基苯则是肝脏及呼吸系统的破坏者，能够引起中毒性肝病、肝脏脂肪变性，严重者可发生亚急性肝坏死等。

3.3 苯和硝基苯室内挥发暴露浓度的影响因素分析

模型中参数的取值都会对预测结果产生影响，其中土壤中污染物浓度、土壤含水率、污染源顶部埋深（土壤深度）等参数在不同的污染场地差异较大，因此本文选择这三个参数进一步分析其对苯和硝基苯室内挥发暴露浓度预测结果的影响。

3.3.1 土壤中污染物浓度的影响分析

本文选取S1-2、S2-2、S3-2点位进行土壤中污染物浓度的影响分析。这些点位土壤含水率均为0.3，污染源顶部埋深均为2m，而土壤中污染物浓度不同。由表3可以看出：随着土壤污染物浓度的下降，苯和硝基苯室内挥发暴露浓度不断减少（见图2和图3），这是由于土壤污染物浓度下降，导致蒸气侵入量也随之减少。

图2 苯室内挥发暴露浓度与土壤中苯浓度的关系Fig.2 Relationship between benzene concentratoin in soil and indoor volatile exposure concentration of benzene

图3 硝基苯室内挥发暴露浓度与土壤中硝基苯浓度的关系Fig.3 Relationship between nitrobenzene concentration and in soil and indoor volatile exposure concentration of nitrobenzene

3.3.2 土壤含水率的影响分析

本文选取S11、S12点位进行土壤含水率的影响分析。这些点位的土壤中污染物浓度保持不变，S11-1与S12-1、S11-2与S12-2、S11-3与S12-3采样点土壤深度不变，而土壤含水率不同。由表3可以看出：土壤含水率越高，苯和硝基苯的室内挥发暴露浓度越低（见图4和图5），这是由于土壤含水率的变化会影响到污染物在土壤中的输移能力，进而改变污染物总通量的大小。

图4 苯室内挥发暴露浓度与土壤含水率的关系Fig.4 Relationship between indoor volatile exposure concentration of benzene and water content in soil

图5 硝基苯室内挥发暴露浓度与土壤含水率的关系Fig.5 Relationship between indoor volatile exposure concentration of nitrobenzene and water content in soil

3.3.3 土壤深度的影响分析

本文选取S3点位进行污染源顶部埋深即土壤深度的影响分析。该点位土壤中各深度污染源污染物的浓度及土壤含水率保持不变，土壤深度不同。由表3可以看出：随着土壤深度的增加，苯和硝基苯的室内挥发暴露浓度不断减小（见图6和图7），这是由于随着土壤深度的增加，污染物挥发的路径相应增长，从而使其总通量减小，室内的暴露浓度也随之减小。该结果也表明在污染现场治理过程中，可采用覆土的方式来增加污染物运移的路径，从而减小污染，该措施特别适合短期内开展大面积的污染治理工作。

图6 苯室内挥发暴露浓度与土壤深度的关系Fig.6 Relationship between indoor volatile exposure concentration of benzene and the burial depth of the pollution sources

图7 硝基苯室内挥发暴露浓度与土壤深度的关系Fig.7 Relationship between indoor volatile exposure concentration of nitrobenzene and the burial depth of the pollution sources

4 结论与建议

随着我国城市化进程和产业转移步伐的加快，经济发达或快速发展地区的工业企业搬迁呈现出普遍的趋势。与此同时，随着工业企业的搬迁、停产或倒闭，遗留了大量多种多样、复杂的污染场地，涉及土壤污染、地下水污染、墙体和设备及废弃物污染等诸多十分突出的环境问题，成为工业变革与城市扩张的伴随产物［8-9］。同时，污染场地的修复和再开发利用案例越来越多，随之带来的污染物蒸气入侵建筑物导致环境污染并危害人体健康的问题不容忽视。在污染场地的再开发过程中，由于保护措施准备不足和安全防护不到位等原因导致建设工人暴露于有害气体和有毒化学物质中，对工人的健康构成了威胁［10］，而在污染场地上建设的住宅里的居民长期呼吸土壤污染物蒸气有致癌的风险。采用Johnson ＆Ettinger模型计算污染物室内挥发暴露浓度，结合我国《室内空气质量标准》（GB／T 18883—2002），就可以了解入侵室内的污染物蒸气是否对人体健康产生了危害，从而提早预防和避免危害的发生。从本文实例中苯和硝基苯蒸气室内挥发暴露浓度的计算结果来看，研究场地部分点位中苯的室内挥发暴露浓度已超出我国《室内空气质量标准》（GB／T 18883—2002）中的标准值，硝基苯的室内挥发暴露浓度也超出卫生部颁布的《工业企业设计卫生标准》中的标准值，表明地下污染物苯和硝基苯今后将会在一段时间内对其上建筑物的室内空气造成污染。

为了防止污染物蒸气入侵建筑物，必须采取一些必要的防范措施，目前有两种途径可以有效地减轻蒸气入侵：一是防止污染物蒸气进入建筑物内；二是改变地下和建筑物里面的压力，将污染物蒸气保持在室外［11］。防止污染物蒸气进入室内通常是通过封闭建筑物地基入口来减轻污染物蒸气入侵，包括封闭裂缝、安装屏障和安装排气系统等；改变地下和建筑物内的压力来减轻蒸气入侵，主要通过引导室内正压或者地下土壤气体的负压来控制蒸气流动等。影响污染物蒸气入侵建筑物的因素有很多，如污染物的浓度、污染源顶部埋深、地下水位埋深、土壤含水率、建筑施工等，因此可以考虑通过增大污染源的埋深等使得污染物室内挥发暴露浓度减小，如覆土、增加土壤含水率、使用防渗膜隔离污染源，而通风也是改善室内空气质量的关键。

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［5］US EPA.User’s Guide for Evaluating Subsu-rface Vapor Intrusion into Buildings［EB／OL］.（2012-04-04）.http：／／www.epa.gov／oswer／riskassessment／airmodel／pdf／2004 ＿0222 ＿3phase＿users＿guide.pdf.

［6］US EPA.User’s Guide for the NAPL-SCREE-N and NAPLADV Models for Subsurface Vapor Intrusion into Buildings［EB／OL］.（2011-10-21）.http：／／www.epa.gov／oswer／riskassessment／airmodel／pdf／naplguide.pdf.

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［8］骆永明.中国污染场地修复的研究进展、问题与展望［J］.环境监测管理与技术，2011，23（3）：1-6.

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