有机污染场地蒸汽入侵表征与评估方法研究进展

王 培，莫小雨

（上海建科环境技术有限公司，上海 201108）

有机污染场地是土壤污染调查与风险管控的重点关注对象，石油烃、卤代烃等挥发性有机物（VOCs）是工业污染场地的常见污染物。蒸汽入侵是指土壤或地下水中的挥发性有机物随污染羽扩散到建筑物地基而进入室内空气的过程。污染场地再开发利用过程中，VOCs 蒸汽入侵是最可能的人体暴露途径，即使污染物浓度较低，长期暴露也会带来严重的人体健康风险。由于VOCs 具有化学性质活泼、易挥发、易迁移等特点，以离散点土壤采样为基础的单一调查手段存在更大的时间和空间异质性。针对该类污染场地，发达国家已经发布多项蒸汽入侵调查的技术指南与规范，大部分将土壤气采样检测作为多证据评估的重要组成部分。另外，甲烷、硫化氢、汞等爆炸性或毒性气体也应纳入蒸汽入侵评估的关注范围。

随着土壤污染防治工作的推进，一系列污染场地标准与技术规范陆续出台。《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 36600—2018）风险筛选值基本项目中，一半以上为VOCs；针对土壤地下水VOCs 样品的采集、保存和运输等环节，国家出台了《地块土壤和地下水中挥发性有机物采样技术导则》（HJ 1019—2019）。蒸汽入侵过程复杂，调查评估技术难度较大，实践表明，现行的离散点土壤与地下水采样方法对蒸汽入侵特殊性考虑不足，易造成潜在的人体健康风险，另外，为保证一定的治理效果，直接选用较为保守的筛选值、管控值，增加了调查与后期修复和风险管控成本，带来了过度修复问题。国内土壤气监测处于起步阶段，蒸汽入侵表征与评估方法仍亟待优化。下面对蒸汽入侵表征与评估进行全面分析。

1 蒸汽入侵过程的复杂性

在迁移转化过程中，挥发性有机物通过挥发、吸附、解析等作用在水相、固相、气相、自由相等多个相态间转化，传输过程包括扩散、对流与弥散，多种机制交互作用，同时应考虑生物降解等因素的影响。因此，虽然土壤气VOCs 浓度是蒸汽入侵评估的重要指标，但将土壤气VOCs 浓度作为唯一指标是不完全可靠的。在机理层面以外，蒸汽入侵过程的表征和响应主要考虑4 个关键交互因素：室内背景空气的成分、蒸汽传质路径、建筑物内分布的复杂模式以及由环境压差引起的时间浓度变化。石油烃与卤代烃的慢性或亚慢性暴露情景有很大差异，VOCs 浓度随时间和空间会产生较大波动，影响因素包括季节、气压、土壤物理性质和室内通风等。因此，所选评估方法的时间分辨率必须足以检测可能发生的最大浓度变化，并特别强调确定和应对最坏暴露情景。

在评估有机污染场地挥发性有机物相关暴露与人体健康风险时，常使用预测型的室内蒸汽入侵模型或开展实际监测。前者为污染场地再开发利用提供VOCs 室内浓度预测结果，后者在已开发场地有建筑物的情况下，通过监测土壤气、地板或室内空气污染物的浓度为暴露评估提供依据。评估需要考虑特定区域的影响并使用经过验证的蒸汽入侵模型，特别是需要确定修复或风险管控目标值的场景。随着社会的发展，蒸汽入侵评估对象从最初的氡气和甲烷逐渐扩展到石油烃、卤代烃等常见挥发性有机物。室内蒸汽入侵模型得到较大的发展，现场实测数据可以为模型结果的敏感性分析提供支持，但这些模型都没有经过完全现场验证，预测建模只能作为理论指导，需要补充现场实地土壤气监测。

风速和渗透压的变化会影响有机污染物传质过程，一般认为，风速和建筑特征（建筑裂隙等）对室内空气污染物浓度影响很大，目前研究主要集中在蒸汽入侵机理和评估方法上，而不是建模技术改进。建筑物VOCs 空间浓度存在明显的变化规律，主要影响因素有空气交换率、地下VOCs 通量和室内其他VOCs 源的干扰。地下渗透场结构的改变可导致地下水污染羽向上偏移，VOCs 随水相扩散输送到包气带。另外，土壤气压力波动影响室内空气VOCs 浓度，但影响程度与含水层性质、距污染源远近、建筑物地板材质等有关。

目前，土壤气主要通过监测井进行采样，设备包括吸附管、采样罐等。瞬时采样是短时间间隔内采集气体样品，而时间积分采样是以恒定低流速持续采样。瞬时采样结果仅代表采样时刻的结果，在动态浓度条件下基本不可能存在精准捕捉。同样，时间积分采样时间间隔也不满足高精度时间分辨率的要求。根据菲克第一定律，扩散受浓度梯度控制，VOCs 浓度变化时浓度梯度可能变化，无法通过持续时间内吸收的VOCs 质量来准确地确定特定时刻的浓度。另外，土壤中氧气含量直接影响VOCs 生物降解能力，土壤中气压的变化可能会导致VOCs 浓度达到人体健康急性风险水平。湿度和温度的影响也不容忽视，除非采用适当的高时间分辨率监测方法，否则难以获取可靠的数据。因此，瞬时采样与时间积分采样很有可能得出假阴性结论，造成风险疏忽。为增加可靠性，必须提高监测频次，如由一年一次调整为一季度一次，但仍然不足以获得代表性数据。

2 连续监测解决方案

蒸汽入侵表征与评估中，减少不确定性的方法之一是推广使用连续监测技术，以获得长期连续暴露的关键数据，通常认为室内空气背景浓度是动态变化的，但在场地概念模型，风险评估基本仍假设有机污染场地VOCs 浓度不会随时间发生很大变化。一些连续监测平台已被用于监测甲烷、二氧化碳、氧气、硫化氢和大气压力值等。这些系统已与遥测、地理信息系统和地统计算法集成，可自动生成二维图像和三维图像，并进行多变量趋势分析。例如，在选定地点连续监测土壤气浓度和相关物理参数，以了解空间和时间的潜在爆炸风险，然后设计长期风险降低策略。例如，甲烷、氧气和大气压力值的同时变化表明存在一定相互作用，并且蒸汽入侵风险可能不是恒定的。连续监测方案不依赖单独的传感器，可以设置土壤气采样组件或管路系统，从多个位置采样进行实验室级色谱分析。连续监测系统包括配备电子捕获检测器（ECD）的实验室级气相色谱仪（GC），用于快速测定卤代烃（三氯乙烯和四氯乙烯等），满足数据精准度监测要求。GC/ECD 检测器可以通过多路复用对多个采样位置进行连续监测，进一步与基于云的自动化数据处理、可视化、警报和响应功能集成，与传统的采样-实验室分析手段（人工估算采样管、吸附管等部署时间）相比，连续监测技术可以部署连接多条采样管路，以确定不同关注位置深度的污染物浓度。同时，该技术可以专用于初始样品追溯分析和持续校准。

在线监测可以避免采用质量控制要求烦琐的离散采样（吸附剂或采样罐等），可以每天多次从每个关注点连续分析样品，从而识别通风和气压动态变化引起的污染物浓度变化，分析环境参数（气压、温度、土壤湿度、压差和天气状况等）与最坏情景趋势的相关性。同时，可以计算每个监测点位具有高时间分辨率的时间积分浓度平均值，在一段时间内选择多个点位的平均值来分析插值空间分布。连续自动化监测结果可用于推导时间加权的人体健康风险评估值，更好地评估短期与长期暴露风险，更加有效地设计风险管控系统。随着传感器开发与商业化应用，连续自动化监测相较传统方法（季度监测）已经具有成本竞争力，系统内部多路复用、自动化数据处理和可视化可较好地降低自动化连续监测成本。除了性能优势之外，对于监测较多关注点位或较大的场地（大型建筑物、工业园区、大范围地下水污染羽等），连续自动化监测成本相比传统方法更低。相比每季度或每半年进行的多个离散人工监测，连续自动化监测有更好的成本效益。对于周边敏感目标（学校、医院、政府设施和住宅区等）的风险管控，连续自动化监测可以进行可靠的风险预警。

3 连续监测技术的应用

连续监测技术可以应用于有机污染场地的蒸汽入侵表征与评估中。连续自动化监测具有高时间分辨率，可以减少假阳性和假阴性结果，有利于精准设计修复方案与开展修复效果评估，及时发出风险预警。但是，目前在推行中也有一定争议。经验证，可以通过人工调整建筑物内外气压维持正压或负压，对室内空气污染物进行监测，评估最坏情景下目标蒸汽入侵的影响，建筑物减压测试可以使用较为简单的设备或调整建筑物的通风系统，在数小时内完成，连续自动化监测具有良好的成本效益。建筑物气压调控通常会在一天或更短的时间内完成，假阴性结果的风险小，其可以成为更具成本效益的替代方案。

多种因素会导致室内污染物浓度的时间变化，在不同时间尺度上，连续监测的性能仍不明确。有时，大气压波动对地下气体运动的影响很小。时间积分采样（配备被动采样器）应用在非常多的研究中，通常可以获得比较准确的时间加权平均浓度，当环境浓度随时间变化时，被动采样器的时间加权平均浓度低于最高瞬时浓度，高于最低瞬时浓度，只要采取适当的质量控制措施，被动采样器结果就可以符合准确度和精密度的要求。另外，吸附剂吸收率主要取决于被动采样器的截面积、吸附剂与被采样空气的距离、扩散系数，虽然扩散系数随温度变化，但室内空气环境变化通常较小。含有吸附剂的被动采样器可以获得一段时间间隔内的上限浓度，适合收集长期样本，以评估慢性风险，但也可用于短期保守评估潜在的最坏情况。

如果气压变化不是决定室内空气污染物浓度变化的主要因素，连续监测同样不能获得关键的最坏情景信息。连续自动化监测所需的仪器一般较为昂贵，同样存在灵敏度、选择性和可靠性问题，不能避免假阳性和假阴性结果。连续监测浓度数据并不能直接阐明VOCs 蒸汽的变化趋势与传输过程，必须结合天气、建筑内部气压和通风率等信息，区分VOCs 来源（地下源和内部源）。空间异质性问题是不确定性的重要来源之一，目标建筑物中多点位的低频次数据比一个或个别点位的高频次数据更有说服力。

目前，大多数指南与技术规范的方法是合适的，考虑保守决策，可以应对不确定性。关于压力对有机污染场地VOCs 浓度的影响，不同研究区域有不同的结论，土壤界面的通量测定本身较为复杂，所以仍待讨论。连续监测技术与现有离散点采样分析方法各有优势与局限，并不是某一种方法比其他更合适并可以进行大范围替代。在大多数情况下，最佳策略是建立基于特定场地条件的概念模型，采用同位素等多证据方法进行蒸汽入侵评估。

4 结语

国外在有机污染场地调查评估与风险管控方面已有较长时间的研究与实践积累，国内只是将其作为常规污染场地调查的一部分，而土壤污染物浓度是核心的评估数据，仅依靠土壤污染物浓度评估有机污染场地的人体健康风险是不充分的，既有风险忽略问题，也有保守决策带来的过度修复问题。未来可以从3 个方面入手推动该项工作。一是应加强室内空气污染与污染场地的关联研究，国外从室内人体健康风险的角度出发，较为关注污染场地传输到室内的污染物暴露研究，从而支撑蒸汽入侵筛选值设定或启动相应的研究调查，而目前国内研究侧重于环境空气与人群暴露，仅立足于污染场地，偏离了保护受体的最终目标。二是亟待开展基于中国现状的蒸汽入侵规律研究，国外以独栋建筑为主的特征与国内明显不同，评估模型也不宜直接引用。三是将低成本传感器连续监测应用于蒸汽入侵调查中，降低调查成本，进一步建立以建筑物控制等风险管控措施为核心的蒸汽入侵场地治理技术体系，以较低的经济成本实现建设用地安全再利用，实现绿色可持续修复。