一个结合了土壤分层特性和污染源衰减动态的蒸汽侵入模型

《Journal of Hazardous Materials》：A vapor intrusion model incorporating soil stratification and source depletion dynamics

　　

赵连恒|张巧玲|丁向红|戴鹏根|孟青音

中南大学土木工程学院，中国长沙410075

摘要

蒸汽侵入（VI）是地下水污染场地中挥发性有机化合物（VOCs）的关键暴露途径，在场地风险评估和修复规划中已成为核心关注点，美国环保署（EPA）的蒸汽侵入指南也强调了这一点。现有的筛选模型被广泛用于评估。然而，这些模型通常假设源浓度恒定且土壤性质均匀。虽然这些简化有助于分析的可行性，但它们忽略了两个关键过程：由于自然衰减或修复活动导致的污染源随时间的消耗，以及分层土壤的固有异质性。忽略这些因素可能会在蒸汽侵入估计中引入系统偏差，并导致过于保守的修复决策。为了解决这些限制，本研究开发了一个改进的一维瞬态分析模型，该模型明确地将分层土壤中的VOC迁移与源消耗动态相结合，是对传统筛选工具的补充。通过实验数据和数值模拟对模型性能进行了系统验证，以确保预测的可靠性。此外，还进行了全面的敏感性分析，以量化源消耗参数、土壤分层异质性和建筑特性对地下蒸汽传输和室内污染物浓度的相对影响。结果表明，忽略源消耗可能导致室内污染物浓度最高被高估70%。此外，土壤的分层异质性通过引起特定层次的延迟和储存效应，对蒸汽迁移具有关键控制作用。分层模型与传统等效均匀土壤模型预测的浓度差异在土壤内部可达90%，在室内环境中可达20%。通过将瞬态源行为与分层土壤结构相结合，该模型可以在其简化假设的范围内作为二级分析评估工具，提高预测准确性，为蒸汽侵入评估和修复分析提供参考依据。

引言

从地下污染源挥发的挥发性有机化合物（VOCs）可以通过非饱和带迁移到上方的建筑物中，导致蒸汽侵入[25]。由于蒸汽侵入通常不易察觉，而人们大约87%的时间都在室内[20]，因此它已成为人类接触环境致癌物的主要途径[18]、[24]。因此，美国环境保护署已将蒸汽侵入列为场地风险评估和修复管理中的关键问题[37]。

在过去三十年中，已经开发了许多数学模型来描述VOC的迁移和侵入机制[19]、[2]、[3]、[38]、[39]、[43]、[44]、[47]、[49]、[50]、[8]。其中，分析模型因其计算效率和适用于筛选级评估而被广泛采用[47]。Johnson和Ettinger（J&E）模型[19]首次将非饱和带中的扩散传输与通过建筑物裂缝的对流进入相结合，建立了一维稳态分析框架，为后续模型奠定了基础。为了克服稳态假设的局限性，后来提出了几种瞬态模型[22]、[23]、[24]。进一步的改进包括加入额外的过程，如气体对流[45]、[48]、生物降解[1]、[38]和基础几何效应[39]。Yao等人[46]将框架扩展到二维，以考虑建筑物下有限宽度和横向无限大的污染源。

尽管取得了这些进展，EPA的蒸汽侵入风险筛选仍然主要依赖于假设土壤均匀的分析模型，或使用加权平均值来近似等效土壤性质[47]。虽然这些简化适用于风险筛选，但可能无法充分捕捉自然土壤异质性对蒸汽迁移机制的影响。尽管在非建筑环境中（如分层垃圾填埋场覆盖系统[15]、[41]和分层土壤[54]）已经开发了VOC传输的分析解，但这些分层公式很少被整合到明确考虑建筑效应的完整蒸汽侵入模型中。因此，当前筛选工具中尚未充分描述土壤分层和建筑特性对蒸汽侵入的综合影响。

此外，蒸汽侵入源通常来自受VOC污染的地下水。由于自然衰减（例如物理、化学和生物过程）和工程修复（例如泵抽处理、原位处理），地下水污染物浓度通常会随着质量减少而动态下降，表现出时间依赖的消耗行为([12]、[16]、[17]、[31]、[37]、[53])。Falta等人[12]引入了一个源消耗函数来描述这种非稳态源动态。然而，大多数蒸汽侵入模型仍然依赖于源浓度恒定的保守假设，忽略了污染物质量的时间衰减。这种简化可能导致在自然衰减或工程修复条件下长期室内蒸汽浓度被系统高估，从而人为影响筛选结果和初步修复决策。

为了解决上述限制，本研究开发了一个统一的一维瞬态分析框架，该框架在一个模型系统中明确整合了源消耗动态、土壤分层和简化的地下水-土壤-建筑物蒸汽侵入过程。本研究的具体目标是：（1）建立一种考虑源消耗的分层土壤中的一维分析蒸汽侵入模型，以便在适用条件下更准确地预测室内VOC浓度；（2）通过整合Duhamel定理、变量分离法和传递矩阵法，推导出室内污染物浓度的分析解；（3）系统评估源消耗特性、关键修复参数、土壤异质性和建筑属性对蒸汽浓度的敏感性，从而在部分场地特征数据可用时，为中级（二级）蒸汽侵入风险评估和修复决策提供更可靠的理论基础。

章节摘录

问题描述

如图1a所示，考虑到源消耗和土壤分层，蒸汽侵入过程被概念化为一个简化的一维（1-D）模型。地下水中的挥发性有机化合物（VOCs）由于主动修复或自然衰减而随时间消耗。VOCs首先从地下水中挥发成蒸汽，然后通过多层异质土壤层垂直向上迁移，并通过地基的裂缝进入上方的建筑物

实验验证

为了评估所提出的分析模型在分层土壤中VOC蒸汽传输的适用性，将模型结果与Schuetz等人[34]报告的独立现场测量数据和Mahmoodlu等人[27]的实验室柱实验数据进行了比较。首先，使用Schuetz等人[34]的现场数据进行了验证，该数据研究了法国Lapouyade垃圾填埋场中多层垃圾覆盖层内非甲烷有机化合物（NMOCs）的迁移情况。

源消耗的影响

使用经过验证的三层土壤-建筑物模型（第3.2节；表S4-S5），系统评估了源消耗对蒸汽侵入的影响。图4展示了三种源情景下蒸汽浓度的时空演变。对于不消耗源的情况，VOC蒸汽迅速穿过非饱和土壤层，最终使整个土壤剖面达到高浓度（图4a）。持续存在的源保持了陡峭的浓度梯度，

结论

本研究开发了一个改进的瞬态分析模型，用于模拟在源消耗条件下的分层土壤中的蒸汽侵入（VI）过程。该模型通过实验数据和独立数值模拟进行了可靠性验证。然后应用该模型研究了源消耗特性、土壤分层和建筑参数对VOC迁移和室内暴露风险的影响。主要发现总结如下：

(1)

环境影响

受挥发性有机化合物污染的地下水中的蒸汽侵入是将地下污染与室内人类暴露联系起来的关键途径。传统的筛选模型通常假设污染源恒定且土壤均匀，这可能会高估暴露风险并忽视自然衰减和土壤分层的影响。通过将源消耗动态和分层土壤异质性纳入瞬态分析框架，本研究提供了更

CRediT作者贡献声明

赵连恒：撰写——原始草稿，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取。孟青音：资源，项目管理。丁向红：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，监督，软件，资源，方法论，数据管理，概念化。张巧玲：撰写——原始草稿，验证，软件，方法论，调查，正式分析，概念化。戴鹏根：验证，软件，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本文描述的大部分工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号42507253）和湖南省自然科学基金（项目编号2025JJ60224）的支持。作者们非常感谢所有这些财务支持，并表示最诚挚的感谢。