公路交通對土壤鉛污染預(yù)測評價

摘要：推導(dǎo)給出了公路交通對土壤鉛污染的預(yù)測計算模式，分析了采用該模式預(yù)測土壤中鉛含量時可能出現(xiàn)的3種不同結(jié)果，即高于、等于或低于背景值及其判別條件。結(jié)合中國公路交通的實際情況，論證了在不考慮非公路污染源時，公路交通引起土壤中鉛累積量在營運近期將低于土壤背景值。認(rèn)為合理確定非公路污染源強度、鉛沉降面積及鉛殘留系數(shù)是影響預(yù)測評價土壤鉛污染的主要因素。

關(guān)鍵詞：土壤　鉛　預(yù)測　模式　公路交通

Abstract　The　pollution　 prediction　models　of　Pb　in　soil　due to　highway　transportation　are　deduced．The　available　three　different　 results，i．e．greater　than　or　less　than　or　equal　to　the　background　 value，and　theirdiscriminantes　are　discussed　while　the　models　are　used　to 　predict　theamount　of　Pb　in　soil．On　the　basis　of　the　situation　of　 highway　transportation　in　China，it　is　proved　that　the　amount　of　Pb　in　 soil　is　less　than　the　background　value　during　the　short　operation　phase　 of　highway，if　the　other　pollution　sources　are　not　considered．It　is　 believed　that　rationally　taking　the　non-highway　pollution　source，the　 precipition　area　and　the　remaining　fraction　of　Pb　into　account　 incalculation　are　the　major　factors　that　affect　the　accuracy　of　 predicting　results．

Key　words　Soil　Pb　Prediction　Model　Highway　transportation
1　引言

　　自1987年起中國開展公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價工作以來，已有200多本公路環(huán)評報告書問世，在這些報告書中，對公路交通引起公路兩側(cè)土壤鉛污染的預(yù)測采用的方法都是土壤重金屬累積模式［1］，預(yù)測的結(jié)果基本上都是：營運遠(yuǎn)期(營運至第20年)土壤中鉛含量為20～80mg/kg,土壤中鉛含量隨營運年份的增加而遞增(營運遠(yuǎn)期的值＞營運中期的值＞營運基年的值)，既使對那些交通量較小的二級公路也是如此。然而在我們采用該模式所做的一些預(yù)測計算中，卻發(fā)現(xiàn)存在土壤中鉛含量逐年減小的現(xiàn)象。進(jìn)一步的分析表明，如果評價中采用的是該模式的話，那么幾乎所有的公路建設(shè)項目對土壤鉛污染的預(yù)測結(jié)果至少在營運近期都應(yīng)遵循逐年減小的規(guī)律。

2　土壤重金屬累積模式及其推導(dǎo)

　　根據(jù)重金屬污染物在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化及累積規(guī)律，土壤中重金屬污染物累積量計算模式為［2］：
　　W=K(B+R)
式中　W—重金屬在土壤中的積累量，mg/kg
　　　B—區(qū)域土壤重金屬含量背景值mg/kg
　　　R—土壤重金屬年輸入量，mg/kg
　　　K—土壤重金屬殘留率%
　　　n年內(nèi)土壤中重金屬累積量：
Wn=Kn｛Kn-1［……K2(K1(B+R1)+R2)+……Rn-1］+Rn｝=BK1K2……Kn+R1K1K2……Kn+R2K2K3……Kn+……+RnKn
　　若K1=K2=……Kn=K,則：

　(1)

　　此式即為目前在公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價中被普遍采用的土壤重金屬累積模式，其已被寫入《公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范》(試行)。

3　預(yù)測結(jié)果分析

3.1　當(dāng)Ri為常量時

　　當(dāng)Ri為常量時，即鉛污染物向土壤的輸入逐年不變。對(1)式，假設(shè)
　　R1=R2=……Rn=R,則有：

　(2)

　　由(2)式可見，當(dāng)Ri為常量時，預(yù)測n年內(nèi)土壤中重金屬累積量的計算結(jié)果可能存在以下3種情況：

　?、兕A(yù)測結(jié)果大于背景值，即Wn＞B。由(2)式可推導(dǎo)出此情況出現(xiàn)在當(dāng)BKn+RK＞B，即：R＞B時。
　　②預(yù)測結(jié)果等于背景值，即Wn=B,當(dāng)R=B時。
　?、垲A(yù)測結(jié)果小于背景值，即Wn＜B，當(dāng)R＜B時。
　　可見，預(yù)測計算結(jié)果是否高于背景值，取決于R與B(1-K)/(K)的相對大小。

圖1　Ri為常量時Wn隨n的變化趨勢

　　為說明當(dāng)Ri為常量時，預(yù)測結(jié)果的逐年變化趨勢，假設(shè)B=30mg/kg,k=0.95,n=50年(一般而言，建設(shè)項目環(huán)境影響評價預(yù)測年限為20年之內(nèi)，此處為更清晰地反映預(yù)測結(jié)果的變化趨勢，取n=50年)，繪制Wn隨n的變化趨勢于圖1。圖1中曲線a、b及c分別對應(yīng)于上述3種可能的預(yù)測結(jié)果，對應(yīng)曲線a之R等于3.16mg/kg，曲線b之R等于

1.58mg/kg(=B(1-K)/(K)),曲線c之R等于0.25mg/kg。

3.2　當(dāng)Ri逐年遞增時

　　對于公路建設(shè)項目而言，Ri正比于公路交通量且隨交通量的逐年增加而增加 。根據(jù)中國公路交通發(fā)展?fàn)顩r，公路交通量年增長率一般在5%～12%之間，營運近期較高，營運遠(yuǎn)期較低。在此僅為說明土壤中鉛累積量的變化規(guī)律，不妨假設(shè)其增長率為常量，用P表示，則有：

　　Ri=R1(1+P)i-1,代入(1)式得：

　(3)

　　由(3)式可得，當(dāng)Ri逐年等速率遞增時，n年內(nèi)土壤中鉛累積量預(yù)測結(jié)果可能存在的3種情況為：

　?、兕A(yù)測結(jié)果大于背景值，即Wn＞B。其出現(xiàn)在當(dāng)R1＞B時；或當(dāng)R1=B,且n≠1時；或當(dāng)R1＜B,且n滿足R1-B(1-Kn)＞0時。

　?、陬A(yù)測結(jié)果等于背景值，即Wn=B。其出現(xiàn)在當(dāng)R1=B,且n=1時；
　　或當(dāng)R1＜B,且n滿足
R1-B(1-Kn)=0時。

　?、垲A(yù)測結(jié)果小于現(xiàn)狀值，即Wn＜B。其出現(xiàn)在當(dāng)R1＜B,且n滿足R1-B(1-Kn)＜0時。
　　與Ri為常量時的假設(shè)類似，假設(shè)B=30mg/kg,K=0.95,P=8%,R1分別為3.16，1.58，0.25mg/kg,繪制Wn隨n的變化曲線a,b及c于圖2，以說明Ri逐年遞增時可能出現(xiàn)的預(yù)測結(jié)果。

　　對應(yīng)圖2曲線b之R1,其值等于B=1.58mg/kg, 根據(jù)公路交通鉛污染物源強計算公式［1］，估算公路日交通量，其值大約為3.0萬輛(中型標(biāo)準(zhǔn)車)。也就是說，當(dāng)區(qū)域背景值為30mg/kg,且不存在其它外界污染源引起的鉛輸入的條件下，基年日交通量小于3萬輛中型標(biāo)準(zhǔn)車的公路建設(shè)項目，并不會在短期內(nèi)引起公路兩側(cè)土壤中重金屬鉛含量的增加。相反，會低于背景值，直至隨Ri的逐年增加，當(dāng)n滿足R1-B(1-Kn)=0時，Wn=B,隨之，Wn＞B(曲線c)。

圖2　Ri逐年遞增時Wn隨n的變化趨勢

為說明區(qū)域背景值(B)對判別土壤鉛累積量預(yù)測結(jié)果(Wn)是否會低于B的判別式B(1-K)/(K)的影響，參考中國土壤元素背景值［3］，選取概率大于90%的B值，計算對應(yīng)的B(1-K)/(K)及臨界交通量(此處定義臨界交通量為：對應(yīng)R1=B(1-K)/(K)時的公路營運基年(n=1)日交通量)列入表1。
表1　不同背景值下的B(1-K)/(K)值及臨界交通量

K值來源于《公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范》(試行)

　　表1中數(shù)據(jù)表明，既使當(dāng)B小至10mg/kg,臨界交通量亦達(dá)1.0萬輛中型標(biāo)準(zhǔn)車/日。就是說在該背景值下，基年日交通量小于1.0萬輛的公路建設(shè)項目所造成的公路兩側(cè)土壤中鉛的累積在營運近期將會低于背景值。如以營運基年日交通量為0.5萬輛標(biāo)準(zhǔn)中型車的公路建設(shè)項目為例進(jìn)行計算，土壤中鉛累積量低于背景值的時間將持續(xù)約16年(假定P=8%時)，到第17年時，等于背景值，達(dá)到動態(tài)平衡，之后，超出背景值，并逐年增加。一般的公路建設(shè)項目 (既使是高速公路建設(shè)項目)，其營運基年日交通量都在1.0萬輛中型標(biāo)準(zhǔn)車以下，且區(qū)域背景值一般都在10mg/kg以上。所以可以說，幾乎所有的公路建設(shè)項目造成的公路兩側(cè)土壤中鉛的累積量，在不存在非公路污染源的條件下，在營運近期將低于區(qū)域背景值，其逐年變化將具有如圖2曲線c所示的趨勢。

4　影響因素分析

4.1　非公路污染源的影響

　　以上所述都是在未考慮存在非公路污染源的條件下推導(dǎo)或計算的。由土壤重金屬累積模式的推導(dǎo)過程可知，(1)式中的Ri實際上包括了可能引起土壤中鉛含量增加的一切外部污染源向土壤的輸入。所以，Ri可寫成由公路污染源年輸入量與非公路污染源年輸入量之和(用腳標(biāo)g表示公路源，用腳標(biāo)f表示非公路源)，則有：
　　Ri=Rgi+Rfi
　　對應(yīng)于模式(1)之相應(yīng)變化為：

(4)

　　可見，對于存在非公路污染源的情況，則應(yīng)考慮非公路污染源的影響。

　　在實際應(yīng)用中，非公路源Rfi為常量(Rfi=Rf)的情況較多，相應(yīng)之預(yù)測模式可寫為：

(5)

對于(5)式，其存在一個特例。當(dāng)Rf=B(1-K)/(K)時，(5)式可寫為：

?。?）

　　即非公路源引起的污染增量正好等于區(qū)域背景值的衰減量，說明公路營運前土壤中鉛含量變化處在動態(tài)平衡中，每年的輸入量等于輸出量，區(qū)域環(huán)境背景值(B)逐年保持不變。

　　由此可見，采用(6)式是可避免產(chǎn)生預(yù)測結(jié)果Wn逐年減小的現(xiàn)象，然而非公路污染源(比如那些位于污罐區(qū)或工業(yè)區(qū)的路段)究竟是以多大的年輸入量(RF)影響著土壤鉛含量的逐年變化呢?要想獲得切合實際的較精確的預(yù)測結(jié)果，就需要更深入細(xì)致的調(diào)查工作。應(yīng)用(6)式進(jìn)行預(yù)測計算，只是一種近似的方法。

4.2　源強計算方法的影響

　　導(dǎo)致產(chǎn)生以上所述鉛含量預(yù)測結(jié)果逐年減小的另一個原因是公路向土壤的年輸鉛量計算模式中對公路兩側(cè)鉛沉降面積的假設(shè)。

　　公路交通向土壤的年輸鉛量Ri計算模式如下［1］：

　　Ri=ηρΣj=1QijpbjJj/G　(7)
式中　Ri—第i年公路交通鉛污染物向土壤的年輸入量，(mg/年.kg)

η—排氣管排放效率，一般取75%
ρ—車輛尾氣中Pb在評價范圍內(nèi)的沉降量，一般取40%
Qij—第i年j型汽油車交通量，(輛/年)
pbj—j型車用燃料中鉛化合物的添加量，各型汽油車添加鉛化合物的平均值為140mg/L
Jj—j型車每公里耗油量(L/km.輛)
J大=0.41L/km.輛
J中=0.27L/km.輛
J小=0.115L/km.輛
G—評價范圍內(nèi)1公里路段耕作層土壤的質(zhì)量kg/km)；G=9×107kg/km

　　在(6)式中，評價范圍內(nèi)1 km路段耕作層土壤的質(zhì)量(G=9×107 kg/km)是按Pb在公路兩側(cè)的沉降面積為公路兩側(cè)各200 m來計算的，即公里長的沉降面積為40ha畝，耕作層土壤比重按2 248t/ha計，則每公里長路段土壤重為9×107kg。據(jù)報導(dǎo)［5］，在公路兩側(cè)路邊緣附近鉛的含量不僅是逐年增加，而且具有相當(dāng)高的值，遠(yuǎn)高于中國公路環(huán)評報告書中預(yù)測評價鉛污染所采用的公路兩側(cè)各200m范圍內(nèi)的不均值—20～80mg/kg)如表2所示。據(jù)調(diào)查［5］，歐洲和亞洲的大城市中，土壤表層含鉛量為200～2 000mg／kg，在離美國艾森豪威爾快車道15 m的土壤中含鉛量高達(dá)7 600mg／kg,美國中西部城市住宅區(qū)平均鉛1 636mg／kg，商業(yè)區(qū)土壤含鉛
2 413mg／kg。
表2　公路邊土壤含鉛量

　　所以，用公路兩側(cè)各200m沉降面積上的鉛平均含量尚不足以說有公路交通對土壤鉛污染的實際狀況。假如我們把鉛的沉降面積設(shè)定為公路兩側(cè)各 40m的范圍(據(jù)報導(dǎo)，公路交通排放的Pb大部分沉積于公路兩側(cè)40m的范圍［5］，那么預(yù)測的結(jié)果(Wn)就會增加近5倍，預(yù)測計算中Wn逐年減小的現(xiàn)象也就不會出現(xiàn)。

4.3　殘留系數(shù)的影響

　　(1)式中土壤Pb殘留系數(shù)K的取值對預(yù)測結(jié)果的影響是較大的。在不同區(qū)域，土壤特性各異，K值也完全不同。為獲取較精確的K值，不同區(qū)域應(yīng)根據(jù)小區(qū)和盆栽試驗力求準(zhǔn)確地求取K值。然而對于公路建設(shè)項目而言，一個公路項目上百公里公路沿線兩側(cè)的土壤性能及環(huán)境特征變化很大，要想逐段獲取切合于實際的精確的K值，對于環(huán)評工作而言是不現(xiàn)實的。目前基本上都是采用《公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價技術(shù)規(guī)范》(試行)中推薦的值，即K=0.95。但K值對預(yù)測結(jié)果(Wn)的影響卻是客觀存在的。

5　結(jié)論

　　(1)公路交通對土壤鉛污染預(yù)測模式可寫近似如下的形式：

　　Wn=BKn+R1K(（1+P)n-Kn)/((1+P)-K)

　　(2)采用土壤重金屬累積模式預(yù)測計算土壤中鉛含量可能出現(xiàn)3種不同結(jié)果，即高于、等于或低于背景值，其主要取決于R1與B(1-K)/(K)的相對大小。

　　(3)在不考慮非公路污染源時，幾乎所有的公路建設(shè)項目引起公路兩側(cè)各200m范圍內(nèi)土壤中鉛累積量平均值在營運近期將低于土壤背景值。

　　(4)欲較精確地預(yù)測評價公路交通對土壤的鉛污染，需合理確定公路兩側(cè)鉛沉降范圍、開展鉛沉降分布規(guī)律的研究、加強非公路污染源的調(diào)查和合理地確定K值。

參考文獻(xiàn)

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