辽宁农宅冬季室内PM2.5扩散特性与健康风险评估

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近年来,随着我国乡村振兴战略的实施,农村住宅室内空气品质对居民健康影响备受关注。我国辽宁地区冬季气候寒冷且漫长,供暖期天数为150天。受居民经济条件、生活习惯、建筑构造等因素的制约,居民室内的炊事、供暖行为所产生的污染物不能及时有效地排除或捕集,导致PM10、PM2.5等可吸入颗粒物通过农宅室内开口部位由源头迅速扩散至各功能房间,直接危及居民健康。目前,国内外既有研究较多采用实测调查方法针对不同炉灶结构、燃料形式、供暖方式等对农宅室内空气品质的影响程度进行了分析,缺乏对农宅室内PM2.5浓度变化规律及扩散特性的理论研究与深入分析。此外,在农宅室内PM2.5扩散过程中,缺乏针对不同年龄人群的暴露剂量与健康风险评估。为明确辽宁农宅室内PM2.5扩散特性与居民健康风险,本文主要工作内容和成果如下:首先,为了明确辽宁地区农村住宅室内空气中PM2.5的变化规律,分别对辽宁沈阳、抚顺、营口等地的210户农宅进行了实测调查,主要包括:建筑基本信息、空间布局、供暖方式、燃料类型、排烟方式、日常行为及作息时间等。分析发现,61.4%的农宅面积为60-100m~2,农宅形式主要为三开间和四开间,供暖方式以火炕和土暖气联合供暖为主,主要燃料为木材、秸秆和散煤。选择其中具有代表性的3类农宅,针对其室内PM2.5浓度变化规律进行实时监测。结果表明,日常生活中炊事供暖行为产生的PM2.5浓度最高,峰值为1700μg/m~3,吸烟和清洁行为次之;由于污染源强度及PM2.5扩散路径不同,炊事供暖阶段各房间PM2.5浓度严重超标2-3倍,且随着PM2.5浓度逐渐升高,达到峰值的时刻分别滞后厨房峰值10-20min。同时,获得了PM1、PM2.5、PM10的浓度变化规律,明确了影响农宅室内PM2.5浓度变化的重要因素为居民日常行为、室内外污染源强度、PM2.5沉积特性、室内气流组织形式及室内热湿环境。其次,建立了描述辽宁农宅室内PM2.5变化特征及扩散规律的多区域网络模型,将其计算结果与实验结果进行了比较,得到相对误差在±10%以内,说明该模型可有效预测农宅室内PM2.5的变化特征。进而,探讨了居民日常生活行为对PM2.5扩散过程的影响程度。通过实验与模拟计算得到,供暖、炊事过程中,厨房PM2.5浓度峰值为1559μg/m~3时,向各房间扩散的平均速率为10.1μg/(m~3·min)~17.7μg/(m~3·min);当厨房PM2.5的浓度峰值为1059μg/m~3时,向各房间扩散的平均速率为3.5μg/(m~3·min)~6.9μg/(m~3·min);说明污染源PM2.5浓度下降500μg/m~3时,相应的扩散速率降低3倍。炊事供暖同时进行产生的PM2.5浓度约是单独供暖过程的1.5倍,时单独炊事过程的2.0倍。并且,明确了燃料用量、燃料种类、烹饪方式、开门行为等对室内PM2.5扩散过程的影响;得到,将卧室内门开门时间控制在1分钟以内,可使卧室内PM2.5浓度降至300μg/m~3;关闭卧室内门,可使PM2.5扩散风险降低50%以上。此外,利用CONTAMW软件对区域间气流量进行了理论计算,分别探讨了围护结构气密性和农宅空间布局形式对PM2.5扩散过程的影响,提出了PM2.5浓度最低时的农宅围护结构和空间布局形式。最后,通过实地测试与追踪记录的方法,明确了辽宁农宅室内不同年龄人群的行为活动规律,并获得了居民的PM2.5暴露水平。结果表明,农户多数为2~5人居住,其中40%以上为60~79岁老年人,居民86%的时间在室内度过,且71%的活动时间处于卧室。供暖期,居民最高综合暴露量和综合潜在剂量分别为6419.1μg·h/m~3和2270.9μg。通过建立PM2.5人体暴露评估模型,计算了不同污染源强度、开门时间以及空间布局下居民的PM2.5暴露水平,并基于2020年辽宁地区农村人口数量,针对农村居民的健康风险与经济损失进行了评估。计算结果表明,炊事供暖使用固体燃料时产生的PM2.5污染扩散对公共健康中内科的风险影响最大,约占44.1%;其中,急性支气管炎患者最多,约为94.8万人;早逝人数约为28358人。相应的患病额外健康支出中,慢性支气管炎造成的经济损失最大,约为5.79亿元。最终,通过文献调研和理论计算的方法,探讨分析了供暖期农宅污染源通风排烟方式,分别确定了农宅室内空气品质达到规范要求时的引风机风压及抽油烟机排烟量,并提出了一种可有效降低污染源PM2.5浓度的技术措施。
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