河北昌黎平原區土壤中氡氣濃度調查與環境影響評估

程立群, 劉 亮, 孫建宏, 趙彥軍

(河北省地礦局 第八地質大隊，秦皇島 066000)

0 引言

氡及其短壽衰變子體是天然放射性系列中鈾系、釷系的成員，是人類受天然輻射的主要來源之一。作為一種放射性危害物質，可通過呼吸道黏膜和血氣屏障進入血液和全身，導致血液和其他臟器，如胸腺、脾臟和淋巴結等中樞和外圍免疫器官都可能受到輻射的危害，進而誘發癌癥、白血病等疾病的發生。而環境空氣中的氡主要來源于土壤，因此，調查了解土壤中氡氣濃度現狀、分布規律、危害程度、影響因素等是防止氡危害的關鍵所在[1-4]。近年來，我國雖然陸續開展了一些土壤中氡氣濃度調查工作，但工作程度還不夠，很多地方尚屬空白，特別是結合地區特點和地質背景的氡氣濃度調查與評價更是少之又少[5]。

隨著京津冀協同發展國家戰略的實施，河北省特別是一些環首都市縣將承接部分非首都功能。本著建設綠色、可持續的人居環境的理念，廊坊三河、唐山豐南等縣市率先開展了土壤中氡氣濃度水平調查與環境危害程度分類工作。成果顯示：土壤氣中氡濃度三河平均值在20 000 Bq/L～25 000 Bq/L之間，唐山平均值在15 000 Bq/L～20 000 Bq/L之間[6]。研究區內尚未開展過類似工作和研究。

通過本次調查，掌握了河北省昌黎縣平原區土壤中氡氣濃度水平、分布特征及影響因素，獲取了區域土壤中氡氣濃度背景值，并對其環境危害程度及作為民用建筑工程場地防氡措施等級進行了評價與分類。對今后區內的土地開發利用規劃和減少土壤中氡氣對人類生產生活的危害，具有重要指導意義。

1 研究區概況

1.1 自然地理

研究區位于河北省秦皇島市昌黎縣西南部，中心地理坐標：東經118°57′24″，北緯39°37′36″，面積約66.60 km2。地貌屬灤河沖洪積平原，地形總體平坦，略呈北高南低之勢，地面標高在13 m～18 m之間。區內村莊星羅棋布，勞動力富足，主要以外出務工和農業種植為生。本區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明；夏季多東南風，炎熱多雨；冬季多西北風，干燥寒冷。區域內主要地表水系―灤河由研究區西2 km處自北向南流過，區內無常年徑流地表水系，僅分布有三條人工溝渠及多個池塘(圖1)。

圖1 研究區位置及地貌地質圖

1.2 地質概況

1.2.1 地層

1)第四系(Q)。全區均被較厚第四系所覆蓋，厚120 m～420 m，北薄南厚。主要巖性為灤河洪沖積形成的粉土、粉沙土、細沙；黃褐色、淺灰色，半滾圓-滾圓狀。局部夾淤泥質粉土，淺黃灰色，飽和，稍密，含沙量較高。具水平層理，地層水平延展性好；地下水位埋深6 m～10 m；適宜作一般工業與民用建筑基礎的持力層。

2)第三系(N)。主要分布于研究區南部寧河-昌黎斷裂南側，隱伏于第四系地層之下，總厚度在700 m以上。巖性主要為長石巖屑砂巖、泥巖，局部分布有杏仁狀玄武巖及鎂質碳酸鹽化凝灰巖。其中，長石巖屑砂巖呈灰色，中細粒結構，塊狀構造；礦物成分為石英、鉀長石、斜長石、黑云母等。泥巖呈灰色，泥質結構，塊狀構造；主要成分為泥質，約占巖石總量的94%～95%，碎屑主要為石英、長石；呈次棱角狀～次圓狀，粒徑為0.02 mm～0.55 mm。

3)太古界(Ar)。主要分布于研究區第四系及第三系地層之下，埋深較大，巖性主要為：混合花崗巖、片麻狀混合巖、黑云變粒巖、混合巖化黑云變粒巖，次為磁鐵石英巖、磁鐵透閃石英巖、含磁鐵鐵閃石英巖、磁鐵黑云變粒巖、斜長角閃巖等。

1.2.2 構造

區內構造發育，區域性深大斷裂寧河-昌黎斷裂及其次級斷裂在研究區南部穿過。該斷裂為一條地殼基底深斷裂，西南起自寧河，向東北經本區，過昌黎轉向東入渤海，斷裂總體走向NE50～NE70°，傾向SE，為上陡下緩的鏟形正斷層，其控制了南側黃驊臺陷北段中、新生代沉積。資料顯示，該斷裂為一多期活動性斷裂，主要活動時代為晚更新世早期，近年昌黎縣東南部小震頻繁，與其活動有關[7-8]。

1.2.3 巖漿巖

區內巖漿活動較弱，在第四系地層之下只有零星脈狀偉晶巖穿插于太古代變質巖中。

1.3 土壤概況

研究區內土壤類型主要為輕壤質潮土、沙壤質潮土(圖1)，有機質含量不高，土質貧瘠[9]。土壤中有大量沙、礫石夾雜，部分區域為河流沖積沙、礫層，土質疏松、土體空隙較大。

2 調查方法

2.1 測點分布

在5條北東向的測線上進行了土壤中氡氣測量，測線間距為2 km，測點間距為40 m，測點采用GPS+羅盤定位，定位誤差小于3 m，共計測點656個(圖1)。

2.2 測量儀器和測量方法

測量儀器：本次調查使用核工業北京地質研究院研發的FD216環境氡測量儀，探測下限為300 Bq/m3。該儀器以閃爍瓶法為基礎，用氣泵將土壤中含氡的氣體吸入閃爍瓶，氡及其子體發射的α粒子使閃爍瓶中的ZnS(Ag)發光，光電倍增管把光訊號變成電脈沖；經放大整形后由控制電路進行計數。根據單位時間內的電脈沖與氡濃度的正比關系即可確定閃爍瓶中氡濃度。

測量方法：在每個樣點上，①用直徑2.0 cm左右，長80 cm的鋼釬，在土壤中打約70 cm深的孔；②將鋼釬拔出迅速將取樣器插入孔中，并將取樣器頂端地表部分用土密封壓實，以防抽氣時大氣進入孔中；③用軟橡膠管將取樣器與儀器連接，測量參數設置為：充氣時間為2 min(即采樣體積為1.5 L)，測量時間為5 min，排氣時間為2 min；④按“土壤氡”鍵進行測量，測量過程為本底測量-充氣-測量-排氣；⑤測量完成，記錄數據。

質量保障：為了避免溫度、濕度等外界因素對測量結果的影響，本次工作選在了2020年10月-11月進行，氣溫在18℃～24℃之間；如遇下雨，雨后48 h內不進行野外測量工作，每個測點觀測3次數據，取平均值作為實際觀測結果。其中6個測點數值低于探測下限，整體報出率為99.1%，說明本研究選用儀器和測量方法滿足在本研究區開展土壤中氡氣濃度測量工作要求；測量結束后對其中的70個測點進行了復查測量，大于實際測點的10%，其中3個點測量重復性誤差>5%，重復測量合格率為95.7%，測量數據可靠，滿足研究要求。

3 調查結果

3.1 土壤中氡氣濃度水平

表1 土壤中氡氣濃度統計(單位：Bq/L)

(1)

(2)

計算出的本區背景值為5 455.7 Bq/L，低于全國平均值[11]7 300 Bq/L，標準離差為3 199.3，最高值為背景值的近11倍。有超過50%的測量點數值小于全區背景值，約40%的測量點氡氣濃度值在背景值的1倍～3倍之間，不到3%的測量點氡氣濃度值在背景值的3倍以上，7個測量點氡氣濃度值大于背景值的6倍(圖2)。

圖2 土壤濃度分布直方圖

3.2 土壤中氡氣濃度分布特征

根據本次實測656個測點數據制作土壤中氡氣濃度等值線圖(圖3)。由圖3可知，土壤中氡氣濃度值低于背景值的區域主要分布在研究區中部和東北部故河道附近，面積約27.09 km2，占研究區總面積的40.67%；土壤中氡氣濃度值大于等于背景值而低于2倍背景值(≥5 455.7 Bq/L～<10 911.4 Bq/L)區域,主要分布于研究區中北部故河道沿岸一帶，面積約25.86 km2，占研究區總面積的38.83.%；土壤中氡氣濃度值大于等于2倍背景值而低于3倍背景值(≥10 911.4 Bq/L～<16 367.1 Bq/L)的增高區,主要呈條帶狀分布于研究區西南和東部區域，面積約11.41 km2，占研究區總面積的17.13.%；大于等于3倍背景值(≥16 367.1 Bq/L)的異常區,主要分布于研究區中南部和東部區域，面積約2.24 km2，占研究區總面積的3.37%。

4 環境影響評價

4.1 環境危害程度評價

Akerblom[12]將土壤中氡氣濃度對環境危害分為3級：Ⅰ級(低風險)土壤中氡氣濃度≤10 000 Bq/L；Ⅱ級(中風險)土壤中氡氣濃度在10 000 Bq/L～50 000 Bq/L之間；Ⅲ級(高風險)土壤中氡氣濃度≥50 000 Bq/L。

將研究區內所有測點按該分類等級進行統計，并制作成危害程度分區圖(圖4)。從圖4中可知，研究區內環境危害Ⅰ級(低風險)區面積為52.75 km2，占研究區總面積的79.20%；環境危害Ⅱ級(中風險)區面積為13.81 km2，占研究區總面積的20.74%；環境危害Ⅲ級(高風險)區面積為0.04 km2，占研究區總面積的0.06%。總體來看，研究區屬土壤中氡氣危害中低風險區，只有極少的區域為高風險級別，且分布于農田中，對人居環境危害程度較低。

圖4 土壤中氡氣濃度對環境危害程度分區圖

4.2 防氡措施等級評估

根據2010年公布的中華人民共和國國家標準(GB50325-2010)，即《民用建筑工程室內環境污染控制規范》要求，土壤中氡氣濃度不同，民用建筑工程場地要采取相應的防護措施[13]：Ⅰ級防氡區 土壤中氡氣濃度≤20 000 Bq/L時，民用建筑工程場地可不采取防氡措施；Ⅱ級防氡區 土壤中氡氣濃度20 000 Bq/L～30 000 Bq/L時，應采取建筑物底層地面抗開裂措施；Ⅲ級防氡區 土壤中氡氣濃度為30 000 Bq/L～50 000 Bq/L時，應采取建筑物底層地面抗開裂措施和一級防水；Ⅳ級防氡區 土壤中氡氣濃度≥50 000 Bq/L時，應采取建筑物綜合防氡措施。

由圖5可知，Ⅰ級防氡區面積為65.02 km2，占研究區總面積的97.62%；Ⅱ級防氡區面積為1.35 km2，占研究區總面積的2.03%；Ⅲ級防氡區面積為0.19 km2，占研究區總面積的0.29%；Ⅳ級防氡區面積為0.04 km2，占研究區總面積的0.06%。總體來看，研究區內絕大部分區域作為民用建筑工程場地可不采取防氡措施；少部分需要采取建筑物底層地面抗開裂措施或一級防水；極少部分需采取建筑物綜合防氡措施。且這些需要采取防氡措施的區域均分布于村莊之外，對人居環境沒有影響。

圖5 民用建筑防氡措施分區圖

5 影響因素討論

研究表明，影響氡氣在土壤中濃度的因素較多，如氣候、氣象、測量深度[14-17]等。本次研究統一了測量深度，并在相同季節、氣象條件下開展野外測量工作。因此，本次著重從地質角度對土壤中氡氣濃度起到決定作用的因素進行探討。

5.1 地層巖性因素

土壤中的放射性氡氣主要由土壤中含有的U、Th等放射性核素衰變產生，因此土壤中這些放射性元素含量的高低直接影響了土壤中氡氣濃度水平[18]。由表2可知，研究區土壤中U、Th含量均低于冀東平原及全國平均水平，是造成本區土壤中氡氣濃度背景值相對較低的一個重要因素。

表2 土壤中放射性核素含量

和其他氣體一樣，氡氣在土壤中的運移主要體現在擴散作用和對流作用上，這兩種作用的強弱取決于土壤的孔隙度等結構狀態。研究區地貌類型為灤河洪沖積扇中Ⅰ級階地。由于地質歷史時期，灤河曾發生過多次重要改道，在冀東平原上遺留下眾多故河道及洼地，近河道地帶多沙垅[21]。1970年以來的多次造林改造，活動沙丘己基本消滅，但本區土壤中的含沙量及疏松的物理性質卻沒什么變化，特別是故河道分布范圍內土壤成分主要為含礫中細沙；淺灰黃-淺灰色，松散；礦物成分以石英為主，含長石及少量暗色礦物；次棱角狀；富水性、透水性較好。因此，故河道及其附近區域，氡氣濃度明顯低于背景值及其他區域(圖3、圖6、圖7)，甚至包括寧河-昌黎斷裂經過的部分區域，說明這些區域土壤的性質不利于氡氣的儲存，深部運移上來的氡氣能夠迅速逃逸到空氣中。

圖6 3線土壤氡濃度地質綜合剖面圖

圖7 2線土壤氡濃度地質綜合剖面圖

5.2 斷層因素

由于區內基巖埋深較大，且巖性單一，均為太古代變質巖，基巖中礦物成分對區內土壤中氡濃度影響基本可以忽略不計。由圖7可知，2線剖面南段氡濃度值較高，分布范圍較大，據前人成果分析推測為沿寧河-昌黎活斷層從地殼深處向上遷移的U、Ra、Rn在斷層中富集，形成氡源，隨著氡的對流、擴散作用，由氡源形成的氡氣不斷向上遷移，在覆蓋層中形成了以斷層面為中心不斷向四周衰減的氡濃度的分帶[22-24]。而寧河-昌黎斷裂的次級構造又增加了新的深部氡氣來源，疊加在寧河-昌黎斷裂的氡源之上，形成了本區的氡異常場；由于其形成時代更新、埋深更淺，在一些區域對土壤中氡氣的貢獻甚至超過寧河-昌黎主干斷裂。雖然受地表淺部土壤理化性質的影響并不是所有區域土壤中氡氣濃度都顯示高異常，但其對研究區環境中氡氣的分布還是具有重要作用，將來對土地規劃利用時須引起足夠重視。

同時，本次研究也對以往針對寧河-昌黎斷裂的研究給予了一定的佐證，再次證明了運用土壤中氡氣測量開展斷裂構造研究的有效性。

6 結論

1)河北省昌黎縣平原區土壤中氡氣濃度范圍為531.9 Bq/L～59 787.2 Bq/L，平均值為5 455.7 Bq/L，低于全國平均水平。

2)研究區整體屬土壤中氡氣危害中低風險區，只有極少的區域為高風險級別，但分布于農田中，對人居環境危害程度很低。

3)根據國家標準，研究區97.62%的區域可不采取防氡措施；2.32%的區域需要采取建筑物底層地面抗開裂措施或一級防水；0.06%的區域需采取建筑物綜合防氡措施。但這些需要采取防氡措施的區域均分布于村莊之外，對目前的人居環境沒有影響。

4)整體看來，研究區內土壤中放射性核素含量較低、土壤松散、含沙量大，不利于氡氣的生成與儲存，特別是故河道及其附近區域，氡氣濃度明顯低于背景值；土壤氡氣濃度較高區域主要受寧河-昌黎斷裂及其次級斷裂的影響，該活動性斷裂為氡氣的運移提供了良好通道。