基于住宅用地规划及建筑结构暴露模型的场地健康风险评估

唐 志，李义连，宁 宇，张阳阳，杨 森，逯 雨

(中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074)

为了满足城市建设发展的需求，国内大中城市都实行了“退二进三”、“退城进园”和“产业转移”等政策，涉及化工、石油等行业的工业企业搬迁或关闭后，遗留了大量的潜在污染场地[1-3]。国家环境保护部及地方环境管理部门规定，潜在污染场地在开发利用前须进行健康风险评估，并发布了配套的技术标准进行指导[4-5]，以确定场地潜在污染对未来使用人群的健康风险水平，为场地的管理与修复提供支持[6]。

我国在场地健康风险评估领域的研究起步相对较晚，标准体系建设有待进一步完善[7-10]。目前在污染场地健康风险评估过程中，多数评估机构缺乏与场地规划部门及建筑设计单位的详细沟通[11]，仅根据用地类型来确定评估模型，量化污染物的健康风险水平，确定可接受风险水平下的修复目标，而未结合场地建设方案及建筑结构特点对现有评估模型及参数进行修正[12-14]，这可能会导致评估结果较为保守，造成场地的过度修复。国外相关研究[15-17]表明，健康风险评估应结合场地用地规划、建设及环境管理方案，在保护人体健康的前提下，确保评估结果更为客观。

鉴于此，本文以国内某化工厂退役苯污染场地为例，根据该污染场地用地规划(开发带有地下车库的高层住宅)及建筑结构特点(地下车库构造参数)，修正了通用污染暴露模型，构建了住宅用地规划及建筑结构暴露模型，分别利用通用污染暴露模型和住宅用地规划及建筑结构暴露模型对该污染场地的健康风险进行了评估，并对比了两种污染暴露模型的评估结果，以期为我国类似的风险评估项目及管理提供新的思路。

1 污染场地概况

1. 1 场地特征

研究场地为湖北省某化工厂生产区，地处长江支流北岸。该化工厂于20世纪50年代建立，生产区占地面积约6.94×104m2，2015年停产搬迁后，遗留场地拟开发为高层住宅小区。该场地地层结构分为4层，其中0～1.0 m为回填土层，1.0～4.0 m为粉土层，4.0～9.0 m为黏土层，9.0～11.0 m为砂土层。研究区域地下水流向随长江支流丰枯水季变化而变化，承压含水层顶部埋深约9.0 m。

1. 2 场地土壤污染特征

为了详细了解该场地土壤污染状况及其对场地未来使用人群的健康影响，本研究对污染场地进行了采样调查，通过钻探(7822DT直推式钻机，美国Geoprobe公司)采集不同深度的非扰动土壤样品，样品采集与保存方法见文献[18]，土壤样品分析方法见文献[19]。由土壤样品的检测结果可知，场地内土壤中苯污染严重，最高浓度达391.00 mg/kg，超过《场地土壤环境风险评价筛选值》(DB11T 811—2011)中住宅用地苯筛选值(0.64 mg/kg)约611倍，超筛选值样品所占比例约为25.00%。根据场地生产资料可知，该化工厂在生产过程中使用过含苯系物的有机溶剂。从土壤样品检测浓度的水平分布来看，苯污染主要分布于生产车间、原料库附近，因此可推测场地内土壤中苯污染可能来自于该化工厂生产过程中生产废液的随意处置、溶剂储罐及溶剂输送管道的“跑冒滴漏”等。

2 污染暴露模型

2. 1 通用污染暴露模型

对于苯等挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)污染场地，污染物主要通过挥发过程以气态形式进入室内，在受体的呼吸作用下进入体内，继而危害人体健康[20-22]。本研究将重点关注吸入室内空气中来自下层土壤的气态污染物(简称“蒸气入侵”)这一关键暴露途径。

目前《污染场地风险评估技术导则》(HJ 25.3—2014)(以下简称《导则》)等国内外风险评估技术导则或指南，大多参考Johnson & Ettinger模型(简称“J&E模型”)构建蒸气入侵风险评估模型[4-5,23-24]，J&E模型假设VOCs挥发进入建筑物内部的过程分为3个阶段[25]：①污染物从污染源扩散至建筑物底部周边土壤中；②污染物从建筑物底部周边土壤通过扩散和对流进入建筑物内部；③污染物进入建筑物内部后与外部空气的交换，并在建筑物内部混合均匀。

基于上述假设条件，现有风险评估技术导则或指南已建立了相应的计算模型，本研究仅计算苯的致癌风险(CR)，并以目前普遍接受的1×10-6作为可接受致癌风险水平[4-5,11]计算该污染场地土壤中苯的修复目标值(RCVS)，具体计算公式如下[4]

CRk=暴露量×Cs×SFk

(1)

CRn=∑CRk

(2)

RCVSn=

(3)

式中:CRk为污染物第k种暴露途径的致癌风险(无量纲)；Cs为土壤中污染物的暴露浓度(mg/kg);SFk为致癌斜率因子[mg污染物/(kg体重·d)-1],其中SFo为径口摄入，SFd为皮肤接触，SFi为呼吸收入；CRn为污染物经所有暴露途径的总致癌风险(无量纲)；RCVSn为污染物相应的修复目标值(mg/kg)；OISER、DCSER、PISER、IOVER1、IOVER2、IIVER1分别为土壤6种暴露途径(经口摄入土壤、皮肤接触土壤、吸入土壤颗粒物、吸入室外空气中来自表层土壤的气态污染物、吸入室外空气中来自下层土壤的气态污染物、吸入室内空气中来自下层土壤的气态污染物)的暴露量(致癌效应)[kg土壤/(kg体重·d)]。

该污染场地健康风险评估所需主要参数的定义及取值，详见表1。

表1 污染场地健康风险评估参数的定义及取值Table 1 Definition and parameter values in health risk assessment of contaminated sites

2. 2 住宅用地规划及建筑结构暴露模型

根据住宅用地规划可知，该污染场地拟建带地下车库的高层住宅小区，而由住宅小区建筑物的结构特点可知，通用污染暴露模型并不适用于该污染场地的健康风险评估。原因在于：与通用污染暴露模型假设的污染物在建筑物内部均匀混合不同，住宅小区地上室内空间与地下车库并不直接连通，污染物进入地下车库后并不能与地上室内的空间内空气均匀混合，即地下车库中污染物浓度往往与地上室内空间不同。因此，对该污染场地进行健康风险评估时需要考虑地下车库对污染物的稀释作用，以避免直接套用现有导则的通用污染暴露模型而导致评估结果偏离实际。

通用污染暴露模型与住宅用地规划及建筑结构暴露模型的对比见图1。

图1 两种污染暴露模型的对比示意图Fig.1 Comparison diagram for the two exposure models

3 污染场地的健康风险评估结果与分析

3. 1 通用污染暴露模型的评估结果

本文参照《导则》中住宅用地通用污染暴露模型对研究场地开展健康风险评估，风险评估过程中将污染场地内0～1.0 m土壤作为表层土壤[14,26]，1.0～8.0 m土壤作为下层土壤，并分层进行污染物暴露浓度统计。为了从总体上反映整个场地的污染状况，选取土壤样品检测浓度的95%UCL(upper confidence level，置信区间上限值)作为污染物的暴露浓度进行健康风险计算[5,27]，Pro-UCL软件计算结果显示：表层土壤中苯的95%UCL为44.78 mg/kg，下层土壤中苯的95%UCL为7.60 mg/kg。

研究场地健康风险评估结果显示，污染场地内土壤中苯的致癌风险达到4.01×10-4，其中蒸气入侵途径的致癌风险对总致癌风险的贡献率达到98.66%，表明研究场地若不采取风险管控或修复措施，污染土壤对场地未来使用人群的致癌风险将远超可接受风险水平。利用现有《导则》中的通用污染暴露模型计算该污染场地土壤中苯的修复目标值为0.02 mg/kg，与北京某焦化厂生产用地第一层次风险评估结果(0.017 mg/kg)[28]类似。本研究以0.02 mg/kg作为该污染场地土壤中苯的修复目标，与场地土壤环境的调查结果进行了对比，结果发现土壤样品超标严重。采用Sufer 12软件对该污染场地进行空间插值与绘图，并根据土壤样品的检测结果及现场实际情况对该污染场地土壤中苯污染的修复区域分布进行了适当修正，见图2。

图2 某化工厂场地不同深度污染土壤修复区域的分布(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)

根据图2的插值结果，可计算得到研究场地不同深度污染土壤的修复量，其中表层(0～1.0 m)污染土壤的修复量为22 497 m3，第二层(1.0～4.0 m)污染土壤的修复量为97 774 m3，第三层(4.0～8.0 m)污染土壤的修复量为42 083 m3，污染土壤的总修复量约为162 354 m3。可见，采用通用污染暴露模型确定的研究场地修复土方量大、修复成本高，可能存在过度修复的现象，因此对该污染场地应考虑住宅用地的规划及拟建构筑物的结构特点对通用污染暴露模型进行修正，开展更为科学、合理的场地健康风险评估。

3. 2 住宅用地规划及建筑结构暴露模型的评估结果

根据住宅用地规划及建筑结构暴露模型(见图1)，结合VOCs挥发进入建筑物内部的过程假设，可推导出适用于住宅用地场地健康风险评估的计算公式。具体推导过程如下：

由于住宅用地情景下，地下车库空间与地上室内空间不直接联通，可将地下车库空间和地上室内空间视为两个独立的空气混合区域，VOCs仅通过分子扩散作用穿越地下车库底板进入地下车库空间，然后通过顶板进入地上室内空间。因此，根据Fick扩散定律[20,29]可计算出VOCs扩散过程中的挥发通量，具体计算公式如下：

(4)

(5)

θ=θacrack+θwcrack

(6)

(7)

根据通量连续性原则，可建立土壤中VOCs与室内空气中VOCs的浓度关系[11,29-30]，其计算公式为

Flux×Ab×η=ER×Ab×LB×Cabove

(8)

式中:Ab为建筑物底板(或顶板)面积(cm2)；其余符号参见表1。

通过联立公式(4)～(8)，可以分别计算出地下车库空间和地上室内空间的VOCs浓度Cindoor(mg/m3)，并根据下式计算蒸气入侵途径的健康风险CRin:

(9)

式中:CRin为蒸气入侵途径致癌风险(无量纲)；DAIRc为儿童每日空气呼吸量(7.5 m3/d)；EFIc为儿童室内暴露频率(262.5 d/a)；EDc为儿童暴露期(6 a)；BWc为儿童平均体重(15.9 kg)；ATca为致癌效应平均时间(26 280 d)；DAIRa为成人每日空气呼吸量(14.5 m3/d)；DFIa为成人室内暴露频率(262.5 d/a)；EDa为成人暴露期(24 a)；BWa为成人平均体重(56.8 kg)；其余符号参见表1。上述取值均参考《导则》。

根据国家建筑设计规范，地下室建筑底板构造厚度应不低于0.4 m[31]，实际设计过程中考虑结构承重，其厚度往往大于该最低标准；且有相关研究表明，建筑物底板裂隙率一般为0.000 05～0.005[32]；此外，根据国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》(GB 50019—2003)和《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736—2012)可知，地下车库换气速率应大于6次/h。出于保守考虑，本研究假定该场地地下车库开发深度为5 m[33-34]，底板厚度为0.4 m，地基裂隙率为0.005，换气速率为6次/h(即144次/d)。地下车库的开发将清挖走部分污染土壤，污染物的健康风险应仅考虑场地内剩余的污染土壤，即在评估苯蒸气入侵途径的致癌风险时，仅计算5 m以下土壤中苯的暴露浓度(0.28 mg/kg)，其他参数保持不变。

对通用污染暴露模型进行修正后，重新计算了该污染场地土壤中苯的健康风险水平，结果显示：蒸气入侵致癌风险从3.95×10-4降低至9.39×10-22，场地内土壤中苯的致癌风险从4.01×10-4降低至5.39×10-6，致癌风险评估结果降低了74.40倍。采用住宅用地规划及建筑结构暴露模型对该污染场地进行健康风险评估，污染场地土壤中苯的修复目标值修正为4.79 mg/kg，其提高了约240倍,该污染暴露模型下该污染场地土壤中苯污染的修复区域分布见图3。

图3 某化工厂场地不同深度污染土壤修复区域的分布(采用住宅用地规划及建筑结构暴露模型)Fig.3 Distribution of soil remediation areas at different depths in the chemical plant (exposure model with residential site planning and building structure)

根据图3的插值结果，重新计算得到研究场地不同深度污染土壤的修复量，其中表层污染土壤的修复量为3 941 m3，第二层污染土壤的修复量为23 360 m3，第三层污染土壤的修复量为1 880 m3，污染土壤的总修复量约为29 181 m3。

3. 3 效益评估

根据上述污染场地健康风险评估结果可知，无论是使用《导则》中的通用污染暴露模型还是修正后的住宅用地规划及建筑结构暴露模型，该污染场地土壤中苯的致癌风险评估结果均高于可接受风险水平(1×10-6)，表明必须对该污染场地进行修复。通过比较两种污染暴露模型的评估结果对修复成本的影响可知，结合场地用地规划及建筑物结构参数的污染暴露模型的评估结果更具客观性和经济性。经对比，住宅用地规划及建筑结构暴露模型的评估结果中，表层污染土壤的修复量相对通用污染暴露模型的评估结果减少了18 556 m3，减少幅度约为82.48%；第二层污染土壤的修复量减少了74 414 m3，减少幅度为76.11%；第三层污染土壤的修复量减少了40 203 m3，减少幅度约为95.53%；该场地污染土壤的总修复量减少了133 173 m3，减少幅度约为82.03%。

根据实际场地修复过程中苯污染土壤的修复技术成本，本研究对该场地污染土壤修复费用进行了初步评估，评估结果表明：该污染场地0～4.0 m以内的土壤为回填土及粉土，经修复技术比选，选择被广泛使用的原位气相抽提(Soil Vapor Extraction，SVE)技术进行修复[35]，修复成本约为400 元/m3；对于该污染场地4.0～8.0 m范围内的黏土，由于其渗透率较低，通透性较差，采用SVE技术修复的效果不够理想[36]，无法满足场地修复的要求，对该黏土层拟采用原位热强化-机械搅拌技术进行修复，修复成本约为1 200 元/m3。根据场地污染土壤修复量和修复技术单位修复成本，估算了两种污染暴露模型评估结果下的污染土壤修复费用，结果显示利用住宅用地规划及建筑结构暴露模型后，该场地污染土壤修复费用由0.99 亿元下降至0.13 亿元，减少幅度达86.87%。

4 结论与建议

(1) 分别采用《导则》中的通用污染暴露模型和本研究推导出的住宅用地规划及建筑结构暴露模型对湖北某化工厂污染场地进行了健康风险评估，结果表明：该污染场地土壤中苯的致癌风险均超过可接受风险水平(1×10-6)，但前者评估结果不够客观，难以为后续场地风险管控方案的制定提供科学依据。

(2) 通过对研究场地用地规划和拟建构筑物结构的分析，本文对通用污染暴露模型进行了修正，构建了住宅用地规划及建筑结构暴露模型，并重新对该污染场地进行了健康风险评估，评估结果显示：该污染场地土壤中苯的修复目标值提高了约240倍，土壤修复费用减少幅度约为86.87%，该评估结果更具科学性，同时也能大大降低修复成本。

(3) 由于影响场地健康风险评估结果的模型参数较多，因此应根据特定场地特征及建设方案对污染暴露模型进行校正，以避免套用现有风险评估技术导则或指南而导致评估结果过于保守，造成场地的过度修复。

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