Human exposure assessment to carbon monoxide in the Athens urban area: field inventory - development of a computational model

Abstract

The goal of this research is to determine Carbon Monoxide (CO) exposure and carboxyhemoglobin (COHb) dose levels for different population subgroups in the Athens. The specific objectives are: (1) To characterize the various microenvironments by measuring CO concentrations and identifying factors that affect the spatial and temporal variation in CO levels; (2) To assess indoor air quality; (3) To assess the representativeness of ambient fixed-site stations in predicting CO levels in specific MEs; (4) To develop and implement a computer model, in order to: (a) calculate indoor CO concentrations using a mass-balance equation, (b) calculate total CO exposure concentrations as a function of space and time, (c) predict COHb% levels under fluctuating CO exposure conditions and; (5) To assess the role of each ME type in conjunction to the various human activities, and their contribution to the total CO exposure. The research consists of two main pylons. The first pylon included field measurement studies, in which CO concentrations were measured in enclosed garages, shops, kiosks, offices, schools, and public and private transport modes between summer 1998 and spring 2000. Results confirm the occurrence of extremely high CO concentrations at garages, transport modes and kiosks, with values exceeding exposure limit values. Extensive statistical analysis on the pool of data colleted is performed to weight CO exposures against variables such as, traffic flow, time of day, day of week, travel mode, travel route, season, ambient concentrations, and meteorological data. The second pylon involved computational modeling, in which a computer model was developed to calculate CO exposure and COHb dose profiles for different population subgroups. The microenvironment approach is utilized, in which human exposure to any pollutant depends on the concentration received and the time spent in the microenvironment. The model is called HEDAAP-CO (Human Exposure and Dose Assessment to Air Pollutants-Carbon Monoxide). It incorporates the exposure and dose modules. The exposure module combines indoor and outdoor concentrations with human time-activity pattern. A mass-balance equation is employed for indoor concentration calculations as a function of ambient concentrations, airflow rates, mixing factor and indoor sources. The dose module is then evolved to assess dose levels resulting from such exposures. Model outputs (exposure and dose profiles) for the subgroup examined are analyzed with respect to type of day (workday/weekend) and season. The contribution of indoor smoking and the effect of building characteristics are discussed. The role of microenvironment type and its contribution to the total exposure is also investigated. For the first time, this work offers a useful and quite accurate insight into the nature of human exposure to CO. It can prove a valuable and flexible tool that makes a substantial contribution to the limited information currently available in Europe and Athens in particular.

Η παρούσα διατριβή έχει ως κύριο στόχο τον προσδιορισμό της έκθεσης σε μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και της δόσης σε ανθρακοοξυαιμοσφαιρίνη (COHb) για διαφορές υποομάδες πληθυσμού στην Αθήνα. Οι επιμέρους στοίχοι είναι: (1) Η μέτρηση των συγκεντρώσεων του CO σε διάφορα μικροπεριβάλλοντα (MEs); (2) Η αναγνώριση των παραγόντων που επηρεάζουν τα επίπεδα των συγκεντρώσεων; (3) Η εκτίμηση της ποιότητας του αέρα στους χώρους μέτρησης; (4) Να αποτιμηθεί εάν τα δεδομένα από σταθερούς σταθμούς αντιπροσωπεύουν με επάρκεια τις συγκεντρώσεις CO σε διάφορα MΕs, (5) Η ανάπτυξη υπολογιστικού μοντέλου που σαν σκοπό έχει να: (α) Υπολογίσει τις συγκεντρώσεις CO σε κλειστούς χώρους χρησιμοποιώντας μια εξίσωση ισοζυγίου μάζας; (β) Υπολογίσει την ολική έκθεση σε CO σαν συνάρτηση της χωρο-χρονικής απασχόλησης υποομάδων πληθυσμού; (γ) Προβλέψει τα ποσοστιαία επίπεδα της δόσης; (6) Ο προσδιορισμός του ρόλου κάθε ΜΕ στην ολική έκθεση βάσει των αντίστοιχων δραστηριοτήτων σε αυτό. Η διατριβή χωρίζεται σε δυο πυλώνες: O πρώτος πυλώνας περιλαμβάνει μετρήσεις πεδίου σε σχολεία, γραφεία, γκαραζ, μέσα μεταφοράς, καταστήματα και περίπτερα. Οι μετρησιές ολοκληρώθηκαν σε διάστημα 13 μηνών (καλοκαίρι 1998 - άνοιξη 2000). Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν υψηλά επίπεδα CO και υπερβάσεις των οριακών τιμών σε γκαραζ, περίπτερα και μέσα μεταφοράς. Η στατιστική επεξεργασία των δεδομένων έδειξε την επίδραση διαφορετικών παραμέτρων, όπως η κυκλοφοριακή ένταση, η ώρα και η ημέρα μέτρησης, το μέσο μεταφοράς, η εποχή, οι εξωτερικές συγκεντρώσεις και η μετεωρολογία, στην διαμόρφωση των επιπέδων έκθεσης σε CO. Στο δεύτερο πυλώνα αναπτύχτηκε ένα υπολογιστικό μοντέλο για τον υπολογισμό της έκθεσης και της δόσεις για διάφορες υποομάδες πληθυσμού. Πρόκειται για ένα ντετερμινιστικό μοντέλο το οποίο βασίζεται στη μικροπεριβαλλοντικη προσέγγιση. Η έκθεσης υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη την συγκέντρωση και το χρόνο παραμονής στο ME. Το μοντέλο ονομάστηκε HEDAAP-CO (Human Exposure and Dose Assessment to Air Pollutants – Carbon Monoxide). Οι υπολογισμοί των εσωτερικών συγκεντρώσεων γίνονται με μια εξίσωση ισοζυγίου μάζας η οποία προβλέπει την ανανέωση του CO με φυσικό και μηχανικό τρόπο και την ύπαρξη εσωτερικών πηγών. Για τον υπολογισμό της δόσης χρησιμοποιείται μια επικυρωμένη εξίσωση. Τα αποτελέσματα αναλύουν την συνεισφορά του κάθε ΜΕ και τούς μηχανισμούς που επηρεάζουν την χωρο-χρονική διακύμανση των επιπέδων έκθεσης, συναρτήσει και των καθημερινών δραστηριοτήτων (π.χ. η ημέρα που μελετάται (καθημερινή / σαββατοκύριακο), η εποχή (ψυχρή / θερμή), το κάπνισμα και οι συνθήκες εξαερισμού). Καθώς ο χρόνος παραμονής στην κατοικία είναι ο μεγαλύτερος, το συγκεκριμένο μικρο-περιβάλλον έχει και την μεγαλύτερη συνεισφορά στην ολική έκθεση. Εντούτοις, υπάρχουν περιπτώσεις όπου οι συγκεντρώσεις CO σε κάποιο άλλο περιβάλλον είναι ιδιαίτερα υψηλές, λόγω της ύπαρξης εσωτερικών πηγών. Στην περίπτωση αυτή, η έκθεση στο συγκεκριμένο μικρο-περιβάλλον συνεισφέρει περισσότερο στον υπολογισμό της ολικής έκθεσης. Η παρούσα μελέτη παρέχει για πρώτη φορά μια σχετικά ακριβή εικόνα της ανθρώπινης έκθεσης σε CO και αποτελέσματα τα οποία συνεισφέρουν σημαντικά στην περιορισμένη βάση δεδομένων που είναι διαθέσιμη σήμερα, στην Ευρώπη και στην Αθήνα συγκεκριμένα.