摘 要：土壤/地下水中挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）经过迁移进入室内引起的呼吸吸入暴露，即蒸气入侵（vapor intrusion，VI）是VOCs影响人体健康的重要暴露途径。建筑物参数是影响VOCs从土壤向室内的迁移过程，改变室内人群暴露浓度重要因素之一。通过系统梳理英美等发达国家暴露风险评估中建筑物参数的技术文件，总结了影响VI的3个关键参数——空气交换速率、建筑容积和地基裂隙的确定方法，并对比我国暴露风险评估中建筑物参数的研究现状，从重视跨部门基础数据收集、构建分区域本土化参数等方面提出完善建筑物参数及其技术方法的思路，以期为我国污染场地VOCs精细化暴露风险评估提供技术支撑。
关键词:污染场地;挥发性有机物;暴露风险评估;蒸A气入侵;建筑物参数;
Research on the key building parameters applied in the vapor intrusion pathway of VOCs
in contaminated sites
WU Linlin WU Rongshan GUO Yuting. L0 Jiapei GUO Changsheng
Center for Environmental Health Risk Assessment and Research, Chinese Research Academy of
Environmental sciences State Environmental Protection Key Laboratory of Ecological Effect and
Risk Assessment of Chemicals, Chinese Research Academy of Environmental Sciences Ecological
and Environmental Department, Zhengzhou University
Abstract：
Inhalation exposure caused by vapor intrusion (VI) with the migration of volatile organic compounds (VOCs) from soil and groundwater into indoor is essential to the human health risk assessment of VOCs in the contaminated sites. Building parameters affect the VOCs migration from the contaminated soil to indoor air, and the indoor concentration for population exposure. This paper elaborated systematically the technical documents of building parameters for exposure risk assessment in the developed countries, summarized the technical methods of three key parameters, for instance air exchange rate, building volume and foundation crack. Furthermore, by illustrating the research development of building parameters in China, the author put forth the improvement of the technical methods for Chinese building parameters, from the construction of basic database and research of regional localization parameters to provide technical support for the refined exposure risks assessment in the VOCs contaminated sites in China.
Keyword：
contaminated site; volatile organic compounds; exposure risk assessment; vapor intrusion; building parameters;
随着我国产业结构调整，工况企业搬迁遗留的污染场地成为我国土壤环境安全重点关注的对象。据保守估计，我国的污染场地在10～100万块之间，其中大于10 000 m2的污染场地超过50万块[1]。挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）是我国污染场地土壤和地下水中常见的污染物种类。与其他
污染物相比，VOCs具有更强的挥发性及迁移性，可从土壤和地下水向上扩散侵入建筑物，继而被人体吸入产生健康风险，即蒸气入侵（vapor intrusion，VI）[2]。已有的研究表明，VI是场地土壤/地下水中VOCs影响人体健康最重要的暴露途径[3]。VI途径的影响因素十分复杂，主要受土壤性质、污染源和建筑物3类因素的影响。以往大多数的VI研究聚焦于地下过程，即对土壤性质、污染源的调查和评估[4,5,6,7]。近年来，作为地上部分的建筑物特性对VI途径的影响受到越来越多的关注[8,9,10,11,12]。2015年，美国国家环境保护局（US EPA）制定了《蒸气入侵场地风险评估技术导则》[13]用于指导评估VI暴露途径的健康风险。导则指出，空气交换速率（air exchange rates，AER）、裂隙面积和建筑容积等建筑物参数会影响污染物从地下到室内衰减的程度，造成进入建筑物内的污染物浓度产生较大差异。
AER为建筑内部空气与室外空气交换的速率（单位为次/h），其与建筑能耗和室内空气健康密切相关[14,15,16,17,18]。国外已有的研究通过对蒸气入侵场地建筑物的实际检测、模型模拟等方法，考察了AER对从土壤/地下水进入到室内的VOCs实际暴露浓度的影响[19,20,21,22]。研究显示，由于气象条件、居民行为等因素引起的AER值变化，可能导致相同环境条件下相似的或相邻的建筑物室内污染物浓度在空间和时间上发生数量级的变化。经典蒸气入侵模型（如J-E模型）假设VOCs从土壤/地下水中挥发后通过地基和墙体存在的裂隙进入室内[23,24,25,26]，进入室内的VOCs最终浓度同时受混合的建筑物体积大小的影响，因此，裂隙面积和建筑容积也是影响室内VOCs浓度的重要建筑物参数。
我国污染场地土壤/地下水VOCs人体健康风险评估中，多数建筑物参数直接引用国外标准或暴露参数手册，与我国地域辽阔、建筑类型差异较大的实际情况不相符[27]。因此，充分调研国外发达国家暴露风险评估中与蒸气入侵途径密切相关的建筑物参数，对于开展我国该类参数的收集、调查和本土化取值研究具有实际的指导意义，有助于提高我国污染场地VOCs蒸气入侵暴露风险评估的精准性。
1 国外暴露风险评估中的建筑物参数研究
1.1 空气交换速率
1.1.1美国
2018年，US EPA更新了暴露参数手册的建筑物特征章节[28]。手册中AER的取值主要基于Koontz和Rector的研究结果[17]。该研究采用全氟碳示踪技术（perfluorocarbon tracer method，PFT技术）获取了美国2 971个住宅的AER数据，并根据1990年美国人口和住房普查的结果，按照每个州参加该项研究的住房数占总住房数的比例来为每个州分配了权重，以弥补PFT技术测量数据的地理不平衡。经过统计分析，建议将第10个百分位值（P10，取0.18 次/h）作为住宅AER的保守值，第50个百分位值（P50，取0.45 次/h）作为住宅AER的推荐值（表1）。手册指出，在选用AER值时要认识到基础数据库的局限性。首先，该数据库中所代表的住宅并非美国住宅的随机样本，样本在地理位置或季节方面仍然不平衡。其次，采用PFT技术测量AER需假设示踪剂在建筑物内均匀混合，但实际由于很多因素的影响（例如由天气驱动的空气对流，供暖系统的类型和运行模式等）会导致示踪剂混合的程度在不同时段和不同住宅中都有所差异。此外，示踪剂源和采样器的相对位置也会导致数据的不确定性。美国2015年发布的《蒸气入侵场地风险评估技术导则》中AER采用的《暴露参数手册》中的推荐值。
基于Turk等[29]对不同用途商业建筑AER的研究结果（表2），US EPA提出采用所有住宅类型的平均值1.5 次/h作为商业建筑物的AER推荐值，采用P10值0.60 次/h作为保守值。
1.1.2澳大利亚
澳大利亚关于住宅AER的研究比较有限（表3）。He等人[30]通过居民对其日常行为的描述，估算了位于布里斯班郊区13所住宅的AER，其中门窗均关闭时为（0.61±0.45）次/h，门窗打开时为（3.0±1.23）次/h 。Biggs等[31,32,33,34]利用示踪气体技术针对墨尔本、珀斯和悉尼住宅AER及其影响因素的研究显示，开窗、吊扇和空调的使用将增加住宅的AER。Biggs等人[35]采用风扇加压法测量了不同房龄住宅（0~30年）的AER，结果显示，带墙壁通风口的老式房屋AER最高，澳大利亚东南部建筑的AER约是英国、荷兰和新西兰建筑的2倍，约是瑞典和加拿大建筑的6倍。综合各项研究成果，澳大利亚建议采用0.3~0.9次/h的中间值（0.6次/h）作为风险评估时AER的推荐值。澳大利亚关于商业建筑AER的研究非常缺乏，建议开展风险评估时根据具体情况选用合理的值，如根据澳大利亚建筑通风标准来确定商业建筑的AER。
1.1.3英国
英国环境署（Environmental Agency，EA）针对建筑物参数的取值方法进行了专项调研[35]。EA建议，住宅的理想AER为0.5至0.75次/h，以有效控制住宅的湿度和其他污染物，同时也能最大限度地减少能源使用。1项针对35个英国家庭住宅夏季和冬季AER的研究显示，平均AER为0.52次/h。英国《工作场所（卫生、安全和福利）条例1992》中规定了商用建筑内供应新鲜空气的最低标准。英国建筑研究院（Building Research Establishment，BRE）通过对6个办公室（5个机械通风和1个自然通风）通风效果的监测发现，在通常的办公室里1名员工占用的空间约为45 m3，当通风速率为13 L/s时可满足新鲜空气的供应标准，此时AER为1.0 次/h。因此，EA建议采用0.5次/h作为住宅AER推荐值，1.0 次/h作为商业建筑AER推荐值用于开展风险评估。
1.1.4日本
2007年，日本国立产业技术综合研究院（National Institute of Advanced Industrial Science and Technology，AIST）参考美国风险评估的框架发布了暴露参数手册[36]。手册中采用三原等[37]的研究结果作为AER推荐值的确定依据。该研究采用一定浓度法、风量测定法、PFT法三种方法测定了东北地区34户住宅的AER（表4），并取三种测量方法的平均值（0.59次/h）作为风险评估中AER的推荐值。
1.2 建筑容积
1.2.1美国
2018年，US EPA更新的关于建筑物特征参数手册中，住宅容积的平均值由2011年的492 m3更新为446 m3[38,39]。美国住宅容积主要通过定期收集美国能源部（Department of Energy，DOE）住宅能耗调查项目（Residential Energy Consumption Survey，RECS）数据来获取。该项目主要目的是调查建筑物的总楼面面积和取暖面积。2009年，RECS项目对12 083个住宅进行了多阶段概率抽样，代表美国1.136亿个住宅单元，调查回复率为79%[39]。暴露参数手册采用建筑物取暖的地板面积乘以2.44 m的天花板高度来估算住宅容积。表5显示了按居住类型、人口普查区域和城乡划分的平均住宅容积。可以看出，美国的主要住宅类型是独栋别墅。公寓和活动房的容积约为独栋别墅的一半，而双拼别墅介于二者之间，所有类型住宅的平均容积约为446 m3。
美国商业建筑面积和容积数据主要来源于商业建筑能源消耗调查项目（Commercial Buildings Energy Consumption Survey，CBECS）[40]。CBECS项目中商业建筑是指有一半的建筑面积用于非居住、工业或农业用途的建筑，因此包括传统上可能不被视为商业建筑的类型，如学校、惩教机构和宗教机构的建筑。基于2003年CBECS项目调查数据，商业建筑的容积因建筑类型不同差别较大（表6），食品服务行业建筑容积平均值最小，为1 889 m3，封闭式商场的容积平均值最大，为287 978 m3，采用商业建筑的平均容积5 575 m3作为推荐值。
1.2.2澳大利亚
澳大利亚住宅容积数据主要来自2008年开展的住宅能源使用和节约调查项目（Environmental Issues: Energy Use And Conservation）[41]。表7汇总了澳大利亚1984—2008年期间新建住宅的平均建筑面积[42,43]。澳大利亚建筑规范中规定“可居住房间”的最低天花板高度为2.4 m[44],在未提供具体信息的情况下，澳大利亚推荐使用1984—2009年的住宅容积平均值420 m3（天花板高2.4 m）用于风险评估。澳大利亚对于商业建筑容积未提供推荐值。
1.2.3英国
英国建筑面积和容积参数主要来自英国房屋状况调查项目（English House Condition Survey，EHCS）的基础数据和文献数据[45,46,47]。表8是针对住宅和商业建筑的标准住宅用地、标准商业用地和不同建筑类型下的建筑面积、高度的默认值。其中，住宅面积是基于EHCS调查获得的每种建筑类型所有年份的建筑面积平均值，住宅高度是通过住宅层数和总高度进行估算的。
1.2.4日本
日本暴露参数手册中建筑面积数据是基于日本总务省统计局每5年开展的全国范围“住宅和土地统计调查”项目获取[36]。该项调查包括住宅数量、总建筑面积、占地面积、建造方法和重建等信息。表9是该项调查中按建筑面积划分的各类型住宅的比例。按建造方式不同，一户建筑平均面积为126.4 m2，长屋建筑61.0 m2，共同住宅47.6 m2，其他111.9 m2。风险评估中，建议取专用住宅的平均建筑面积92.5 m2作为推荐值，但手册中并未给出住宅高度和相应的住宅容积的推荐值。
1.3 地基裂隙
1.3.1美国
地基裂隙是污染物从地下进入室内的主要途径。现有的风险评估采用地基裂隙面积占地基面积的比例来表征地基裂隙对进入室内的污染物浓度的影响。关于地基裂隙的研究十分有限，测定方法主要有2种：一种是利用土壤气体（如氡）作为示踪气体，采用其通过裂隙的流动进入到建筑物内的浓度来反向计算裂隙比。Nazaroff等[48]的研究结果显示，通过土壤气进入室内的浓度反算的板/墙边缘裂隙比约在0.0001~0.001。另一种是直接测量法。Figley等[49]在8个观察到裂隙的住宅中发现，裂隙的宽度从发丝到5 mm宽，裂隙长度为2.5~17.3 m。1995年，美国材料与试验协会（ASTM）出台了《石油泄漏场地基于风险的纠正行动标准导则》（ASTM E1739—95），并于2015年进行了修订，导则中推荐的住宅和商用建筑的地基裂隙比均为0.01[50]。
1.3.2英国
英国EA关于蒸气入侵模型中建筑物参数的报告[35]中指出，根据英国建筑研究院采用氡作为示踪气体开展的地基裂隙面积研究显示：20世纪60年代以来的住宅，现浇混凝土板和墙的平均间隙为1~2 mm，60年代以前的住宅，裂隙宽度可能会在2~3 mm之间；建筑地板类型是影响地基裂隙的重要因素，悬挂式混凝土板在梁、块结构之间的接缝都可能存在裂隙，而整块混凝土板，由于接缝比较少，因此裂隙也会明显减少，新建建筑可以参考设计图纸来确定地基结构，但对于既有建筑，就需要对地基基础形式进行必要的现场调查来获取裂隙的数据。表10列出了假设裂缝宽度为2 mm时不同建筑类型的地基裂隙面积。其中，住宅的平均地基裂隙面积为569 cm2[51]。
2 我国健康风险评估中的建筑物参数现状
我国2014年发布的《中国人群暴露参数手册》中仅针对住宅面积、取暖时间和开窗通风时间等住宅相关参数给出了推荐值[52]，未涉及AER、地基裂隙等参数。其中住宅面积是指居民日常居住、活动和生活的室内封闭空间的建筑面积，不包括露天阳台、院子等开放场所，以及平时很少停留的场所，如农村用于储藏粮食的仓库等。我国现行的场地风险评估技术导则主要参照US EPA和美国试验与材料协会（American Society for Testing and Materials，ASTM）的风险评估模型，其中AER、地基裂隙等参数直接采用ASTM E1793标准中的取值[51]。由于我国建筑物种类与美国不同，采用美国ASTM的参数对风险评估结果带来一定的不确定性[53]。
相对于国外发达国家，我国暴露风险评估的研究起步较晚，暴露参数研究主要集中于人群方面。随着我国环境健康领域的发展，暴露参数研究将会更加全面和精准，有必要针对国内建筑物等参数的现有基础资料进行梳理，编制建筑物参数确定方法技术文件，为场地VOCs的精准风险评估提供支撑。
针对AER，我国在建筑相关设计规范中针对不同用途的建筑有相应的规定。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》按照人均居住面积规定了居住建筑的最小换气次数，地下汽车库的换气次数不小于6次/h[54]。《车库建筑设计规范》中规定商业类建筑车库换气次数为6次/h，住宅类建筑车库换气次数为4次/h，其他类建筑车库换气次数为5次/h[55]。《人民防空地下室设计规范》规定地下室做物资库，换气次数为1~2次/h[56]。近年来，随着对室内环境健康的关注，我国开展了一系列针对住宅AER的研究[57,58,59,60]。侯静等[57]采用调查问卷和二氧化碳示踪法相结合的方法，研究了我国5个气候区11个代表性省市294个住宅卧室空气交换速率的分布及影响因素，并按照不同气候区域给出了空气交换速率的中位值(表11)。建筑设计规范以及科学研究均为我国不同区域不同建筑类型的AER取值提供了宝贵的资料。
3 对我国污染场地VOCs蒸气入侵暴露风险评估中建筑物参数本土化的启示
（1）我国建筑物类型多样，参考国外的建筑物参数取值无法准确评估VOCs蒸气入侵暴露风险。
我国幅员辽阔，建筑物受气候、风土人情、生活习惯等多种因素影响，类型多样。《民用建筑设计通则》中将我国划分为7个气候区域，每个气候区域中的建筑物设计要求不同，以使建筑更充分地利用我国不同的气候条件[61]。可见，单就国内建筑物而言，其特征参数取值就可能因建筑物类型有较大不同。因此，在暴露风险评估中，参考国外建筑物参数取值无法反映我国建筑物的特点，无法用于准确评估蒸气入侵的暴露风险，有必要针对性地开展我国建筑物特征参数的调查和收集。
（2）重视多途径收集，为VOCs蒸气入侵暴露风险精准评估积累建筑物基础数据。
由国外暴露风险评估中建筑物参数获取方式可以看出，建筑面积、容积等基础参数多来自能源、建筑等方面的调查项目。基于我国的实际情况，应重视从发改、住建、能源、统计等部门收集此类数据。建筑物的空气交换速率参数主要来自研究结果或建筑设计规范中的要求。国内学者在室内环境健康研究的成果可为该类数据的获取提供有益的借鉴。因此，应重视从多个途径开展我国建筑物关键参数的收集，评估其用于开展暴露风险评估的可行性，形成建筑物特性参数数据库。
（3）建议提出分区域的本土化建筑物特征参数，完善我国污染场地VOCs蒸气入侵暴露风险评估技术方法体系。
我国污染场地风险评估中，精细化的暴露场景构建及特征参数取值是未来的重点研究方向。建议基于我国现有的建筑物气候分区，结合室内环境健康研究成果，参考国外建筑物参数取值的技术文件，研究我国分区域的本土化建筑物特征参数取值方法，形成相关的技术文件，对我国污染场地VOCs暴露风险评估技术方法体系形成必要的补充。
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