我国的南方地区, 岩溶地貌比较发育。由于某些溶洞的造型奇特, 成为了著名的地质景观和风景名胜。但是, 许多溶洞所处的地质环境比较特殊, 很容易富集氡及其子体, 尤其当溶洞周围岩石或土壤中铀、镭等放射性元素含量高、洞内通风不畅的时候, 氡及其子体的浓度会更高。有的甚至超过放射性矿区坑道作业面上最大容许浓度, 这在一定的程度上危害了旅游从业人员和游客的身体健康^[1]。然而, 由于氡及其子体的物理性质和超量辐射致病的潜伏期较长, 不少人对其危害性没有引起应有的重视。人体吸入氡气, 一部分通过渗透作用溶于血液, 不断衰变放出射线危害人体, 而吸入的氡子体半数以上被阻挡在呼吸器官, 衰变过程中放出α粒子不断对支气管上皮组织进行轰击, 诱发肺癌。氡及其子体是人类所受到的天然辐射主要来源, 约占50%^[2]。目前, 国内外对旅游溶洞内氡及其子体浓度及其成因、防治措施等的研究严重滞后^{[3, 4]}。笔者以我国的多个旅游溶洞为研究对象, 研究我国旅游溶洞中氡的危害及其防护技术, 目的是期望比较全面地了解我国旅游溶洞内部环境空气中氡浓度的实际状况、变化规律、氡的来源及其对公众的危害, 并有针对性地提出旅游溶洞中氡污染的防护措施, 为今后的防氡工程实践提供有价值的经验和借鉴。

1 旅游溶洞中氡的来源

旅游溶洞环境空气中的氡及其子体主要来源于溶洞岩石和洞内沉积物中的铀和镭、溶洞中的断层和裂隙、溶洞中流出的地下水等。

1.1 岩石和土壤析出

在地壳中广泛存在着天然放射性核素, 根据资料介绍, 各类岩石均含有²³⁸U和²²⁶Ra, 其中²³⁸U的放射性比活度平均约为520 Bq·kg^-1, ²²⁶Ra的放射性比活度平均约为37 Bq·kg^-1[5]。²²⁶Ra是氡的母体, 岩石中的²²⁶Ra会不断衰变产生氡气, 其中有一部分氡可以析出到岩石的孔隙及断裂中, 并向周围逸散。因此, 旅游溶洞中的岩石和土壤就是主要的氡的射气介质。一般来说, 溶洞围岩壁面和土壤氡的析出取决于围岩和土壤中²²⁶Ra的含量、孔隙度、水分和暴露的表面积。

1.2 地下水析出

地下水中存在着天然放射性核素。一般, 地下水中的平均镭含量约为2.0 × 10^-12 g/L; 在铀含量较高的酸性岩浆岩体的水中, 镭含量高达5.0 × 10^-11 g/L, 氡浓度高达7.4 × 10² Bq/L^[6]。此外, 地下水在氡的搬运、传递过程中起着关键作用。由于, 镭的半衰期很长(1 602 a), 由此可以解释氡在地层中做长距离迁移的可能性。如果旅游溶洞中有地下水渗漏或流出的话, 会使地底下高浓度的氡气加速向溶洞内搬运, 成为溶洞中氡的一个重要来源。

1.3 断层和裂隙释放

岩石射气系数与岩石的风化破碎程度、湿度和温度等因素有关, 特别是岩层断裂破碎带、裂隙节理发育、构造和岩性接触部位, 往往是高氡析出部位^[7]。岩石风化作用充分, 土壤孔隙度高, 孔隙联通情况好, 有利于氡释放、富集和搬运。地质断裂构造作用不但破坏了土壤和岩石的封闭结构,

提高其释氡能力, 而且为地层深处氡及其母体铀、镭的上升提供良好通道, 导致这些元素在地表积累使断裂带附近能产生高于周围数十倍甚至上百倍的高浓度氡, 将岩层深处的氡迁移到溶洞中。

2 旅游溶洞中氡及其子体的危害

美国科学院1998年关于电离辐射生物效应的第6号报告《室内氡照射对健康影响》中对11项地下矿山的研究资料进行统计分析, 该研究涉及人数为68 000, 其中有2 700人死于肺癌。为揭示氡致肺癌的剂量效应关系和定量计算肺癌危险度, BEIR推导出了氡照射引起肺癌危险的剂量效应和时间效应2个模型。由于氡的致癌作用, 1988年被国际癌症机构定为具有确定性致癌效应的A类致癌物。1990年美国有毒物质和疾病登记局将其列入ATSDR数据库。到2003年, 该数据库收集了275种有毒物质, Rn被排在104位。由于氡的普遍存在, 世界卫生组织在2000年出版的《2000空气质量准则》中将氡列入17种重要的环境致癌物质, 对室内氡的浓度进行了限定。我国根据国际放射防护委员会标准制定了我国的国家标准, 对已有建筑室内氡的行动水平定为200 Bq·m^-3平衡当量氡浓度(EEC); 对于新建建筑室内氡的行动水平定为100 Bq·m^-3(EEC)。

2.1 旅游溶洞中氡及其子体的浓度

我国的许多专家、学者对旅游溶洞的氡水平比较重视, 做了不少测试工作, 由于是各单位从事辐射防护的相关工作人员在不同时期分别测试的, 所以在测量方法和选择取样点的原则方面各不相同, 有的在考虑测量点时不完全是从估算工作人员所受职业照射的要求出发的, 同时许多文献没有给出完整的相关资料, 因此, 氡水平数据的代表性和准确性均不相同。即使这样, 也可以从中看出旅游溶洞中氡危害的严重性。

2011年, 作者对江西省部分旅游溶洞进行了氡及其子体的实地测量, 并结合文献[7]和[8]所提供的资料, 给出了我国部分旅游溶洞的氡水平, 详见表 1。从表 1可以看出国内多个省份旅游溶洞环境空气中氡浓度平均值范围为774~1 983 Bq·m^-3, 有些省份的均值已超过国家规定的普通放射性工作场所空气中氡的最大容许浓度1 100 Bq·m^-3; 少数溶洞内最大值达29 800 Bq·m^-3, 已超过放射性矿区坑道作业面上最大容许浓度3 700 Bq·m^-3。

2.2 旅游溶洞中氡及其子体所致的剂量

氡为惰性气体, 它与有机体组织部发生化学反应。因此, 对肺来说氡的有效剂量只需要计算溶解在肺组织里的氡和肺内氡的α射线的贡献。ICRP假设成年人肺内含氡气体总容积为3.2 × 10^-3 m³, 则在平衡状态下, 氡照射的有效剂量为^[9] :

1)

式中: H_E-氡照射的有效剂量, Sv; C_Rn-空气中氡的浓度, Bq·m^-3; t-照射时间, h; 对旅游溶洞的工作人员t可取约2 000 h(每天工作8 h, 每个月工作20 d)。此外, 根据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》 (GB18871-2002)表B2所列的氡子体剂量转换系数, 可用下式估算氡子体α潜能内照射所致溶洞工作人员的有效剂量:

2)

式中: H_P-氡子体照射的有效剂量, Sv; 1.4-旅游溶洞的剂量转换系数, Sv/(J·h·m³); C_pi-第i区的α潜能浓度, J/m³; t_i-第i区的工作或生活时间, h (根据实际情况取2 000 h)。

因此, 由表 1的数据计算可知, 旅游溶洞中氡及其子体吸入可致年均有效剂量范围为0.1~50.4 mSv。部分旅游溶洞的年均有效剂量大大超过我国《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》规定的公众及工作人员个人全身受到年有效剂量的限值。

3 旅游溶洞中的防氡措施 3.1 隔离氡气渗入途径

① 使用防氡性能好的水泥沙浆或涂料处理氡析出率较高的溶洞表面。对旅游溶洞的围岩表面可选择使用高密度的水泥沙浆或涂料, 可防止氡的析出, 减少氡进入溶洞的渗透路径。②在不影响景观的前提下使用混合沙浆堵塞或密封空隙和裂缝。空隙和裂缝是氡从地基和周围岩石进入溶洞的主要途径, 可以采取多种工程方式堵塞或密封进入溶洞的所有通路、孔隙, 并防止富氡地下水的渗入。

3.2 通风排氡

通风是降低旅游溶洞内氡浓度、提高空气质量最简单最有效的方法^[10]。旅游溶洞四周被土壤和岩体包围, 氡从溶洞周围的岩石和地面析出, 向外扩散, 其扩散需要一定时间, 通风能加速其均匀化, 从而使氡浓度降低。通过加大新风换气量可以将洞内的氡及其子体排至洞外, 用洞外空气稀释洞内空气中的氡浓度。通风应使新鲜空气直接送到人员活动场所为宜, 风源应是地面清洁空气, 并严防风流受污染。且通风方式最好选择由洞外向洞内鼓风的方法, 这样可增加洞内的空气压力, 从而减少周围岩石和土壤中的氡向空气中析出。

3.3 采用局部空气净化技术

对于氡浓度异常的旅游溶洞, 有条件的部门, 可采用高压静电过滤静化器, 静电织物净化, 电离式负离子发生器等净化技术。试验证明, 高压静电及织物过滤, 不但对旅游溶洞环境中的尘埃有净化作用, 同时对氡子体也有明显净化效果^[11]。

3.4 加强溶洞内氡及其子体浓度的监测

在溶洞旅游资源评价和规划中, 应把溶洞中氡及其子体的浓度作为评价和规划指标, 请有关部门对溶洞内的氡及其子体浓度进行调查。对浓度严重超标, 开发利用前景不大、经济效益一般的溶洞应不予以开发。对已开发利用的溶洞, 各地的环保、质监部门也应根据有关的国家标准对溶洞内氡及其子体浓度进行监测, 对严重超标的应责令其设立监测点, 采取相应的降氡措施。

3.5 合理安排工作人员工作时间

旅游企业和行业主管部门应重视旅游溶洞内从业人员的健康, 合理安排其工作时间, 尽可能减少在洞内的滞留时间, 以减少氡及其子体吸入所致剂量。

4 结论

目前, 我国的旅游溶洞中存在着严重的氡及其子体污染问题, 必须加强对旅游溶洞中氡及其子体污染状况的监测, 以便采取合理的措施进行防治。为了使我国的旅游溶洞中氡的污染得到控制, 并达到尽可能低的水平, 从而保护旅游工作人员和游客的身体健康。在开发旅游溶洞的时候, 应避开岩石或土壤中镭含量高的溶洞; 对旅游溶洞周围的岩石和土壤可选择使用防氡性能好的水泥沙浆或涂料处理氡析出率较高的溶洞表面, 堵塞或密封空隙和裂缝以便隔离氡气渗入途径, 并加强通风, 有条件的可采用局部净化技术等措施降低氡污染。