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公路交通對(duì)土壤鉛污染預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)
摘要：推導(dǎo)給出了公路交通對(duì)土壤鉛污染的預(yù)測(cè)計(jì)算模式，分析了采用該模式預(yù)測(cè)土壤中鉛含量時(shí)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(guó)公路交通的實(shí)際情況，論證了在不考慮非公路污染源時(shí)，公路交通引起土壤中鉛累積量在營(yíng)運(yùn)近期將低于土壤背景值。認(rèn)為合理確定非公路污染源強(qiáng)度、鉛沉降面積及鉛殘留系數(shù)是影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)土壤鉛污染的主要因素。
關(guān)鍵詞：土壤 鉛 預(yù)測(cè) 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(guó)開(kāi)展公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作以來(lái)，已有200多本公路環(huán)評(píng)報(bào)告書(shū)問(wèn)世，在這些報(bào)告書(shū)中，對(duì)公路交通引起公路兩側(cè)土壤鉛污染的預(yù)測(cè)采用的方法都是土壤重金屬累積模式［1］，預(yù)測(cè)的結(jié)果基本上都是：營(yíng)運(yùn)遠(yuǎn)期(營(yíng)運(yùn)至第20年)土壤中鉛含量為20～80mg/kg,土壤中鉛含量隨營(yíng)運(yùn)年份的增加而遞增(營(yíng)運(yùn)遠(yuǎn)期的值＞營(yíng)運(yùn)中期的值＞營(yíng)運(yùn)基年的值)，既使對(duì)那些交通量較小的二級(jí)公路也是如此。然而在我們采用該模式所做的一些預(yù)測(cè)計(jì)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(píng)價(jià)中采用的是該模式的話，那么幾乎所有的公路建設(shè)項(xiàng)目對(duì)土壤鉛污染的預(yù)測(cè)結(jié)果至少在營(yíng)運(yùn)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(jì)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(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)中被普遍采用的土壤重金屬累積模式，其已被寫(xiě)入《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》(試行)。
3 預(yù)測(cè)結(jié)果分析
3.1 當(dāng)Ri為常量時(shí)
當(dāng)Ri為常量時(shí)，即鉛污染物向土壤的輸入逐年不變。對(duì)(1)式，假設(shè)
R1=R2=……Rn=R,則有：
(2)
由(2)式可見(jiàn)，當(dāng)Ri為常量時(shí)，預(yù)測(cè)n年內(nèi)土壤中重金屬累積量的計(jì)算結(jié)果可能存在以下3種情況：
①預(yù)測(cè)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(shí)。
�、陬A(yù)測(cè)結(jié)果等于背景值，即Wn=B,當(dāng)R=B時(shí)。
�、垲A(yù)測(cè)結(jié)果小于背景值，即Wn＜B，當(dāng)R＜B時(shí)。
可見(jiàn)，預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果是否高于背景值，取決于R與B(1-K)/(K)的相對(duì)大小。
圖1 Ri為常量時(shí)Wn隨n的變化趨勢(shì)
為說(shuō)明當(dāng)Ri為常量時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果的逐年變化趨勢(shì)，假設(shè)B=30mg/kg,k=0.95,n=50年(一般而言，建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)年限為20年之內(nèi)，此處為更清晰地反映預(yù)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)，取n=50年)，繪制Wn隨n的變化趨勢(shì)于圖1。圖1中曲線a、b及c分別對(duì)應(yīng)于上述3種可能的預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)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(shí)
對(duì)于公路建設(shè)項(xiàng)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(guó)公路交通發(fā)展?fàn)顩r，公路交通量年增長(zhǎng)率一般在5%～12%之間，營(yíng)運(yùn)近期較高，營(yíng)運(yùn)遠(yuǎn)期較低。在此僅為說(shuō)明土壤中鉛累積量的變化規(guī)律，不妨假設(shè)其增長(zhǎng)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(shí)，n年內(nèi)土壤中鉛累積量預(yù)測(cè)結(jié)果可能存在的3種情況為：
�、兕A(yù)測(cè)結(jié)果大于背景值，即Wn＞B。其出現(xiàn)在當(dāng)R1＞B時(shí)；或當(dāng)R1=B,且n≠1時(shí)；或當(dāng)R1＜B,且n滿(mǎn)足R1-B(1-Kn)＞0時(shí)。
�、陬A(yù)測(cè)結(jié)果等于背景值，即Wn=B。其出現(xiàn)在當(dāng)R1=B,且n=1時(shí)；
或當(dāng)R1＜B,且n滿(mǎn)足
R1-B(1-Kn)=0時(shí)。
�、垲A(yù)測(cè)結(jié)果小于現(xiàn)狀值，即Wn＜B。其出現(xiàn)在當(dāng)R1＜B,且n滿(mǎn)足R1-B(1-Kn)＜0時(shí)。
與Ri為常量時(shí)的假設(shè)類(lèi)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(shuō)明Ri逐年遞增時(shí)可能出現(xiàn)的預(yù)測(cè)結(jié)果。
對(duì)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(qiáng)計(jì)算公式［1］，估算公路日交通量，其值大約為3.0萬(wàn)輛(中型標(biāo)準(zhǔn)車(chē))。也就是說(shuō)，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(wàn)輛中型標(biāo)準(zhǔn)車(chē)的公路建設(shè)項(xiàng)目，并不會(huì)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(huì)低于背景值，直至隨Ri的逐年增加，當(dāng)n滿(mǎn)足R1-B(1-Kn)=0時(shí)，Wn=B,隨之，Wn＞B(曲線c)。
圖2 Ri逐年遞增時(shí)Wn隨n的變化趨勢(shì)
為說(shuō)明區(qū)域背景值(B)對(duì)判別土壤鉛累積量預(yù)測(cè)結(jié)果(Wn)是否會(huì)低于B的判別式B(1-K)/(K)的影響，參考中國(guó)土壤元素背景值［3］，選取概率大于90%的B值，計(jì)算對(duì)應(yīng)的B(1-K)/(K)及臨界交通量(此處定義臨界交通量為：對(duì)應(yīng)R1=B(1-K)/(K)時(shí)的公路營(yíng)運(yùn)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
B
(mg/kg) K B(1-K)/(K)
(mg/kg) 臨界交通量
(萬(wàn)輛/日)
(中型標(biāo)準(zhǔn)車(chē)) 45 0.95 2.37 4.5 40 0.95 2.11 4.0 35 0.95 1.84 3.5 30 0.95 1.58 3.0 25 0.95 1.32 2.5 20 0.95 1.05 2.0 15 0.95 0.79 1.5 10 0.95 0.52 1.0
K值來(lái)源于《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)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(wàn)輛中型標(biāo)準(zhǔn)車(chē)/日。就是說(shuō)在該背景值下，基年日交通量小于1.0萬(wàn)輛的公路建設(shè)項(xiàng)目所造成的公路兩側(cè)土壤中鉛的累積在營(yíng)運(yùn)近期將會(huì)低于背景值。如以營(yíng)運(yùn)基年日交通量為0.5萬(wàn)輛標(biāo)準(zhǔn)中型車(chē)的公路建設(shè)項(xiàng)目為例進(jìn)行計(jì)算，土壤中鉛累積量低于背景值的時(shí)間將持續(xù)約16年(假定P=8%時(shí))，到第17年時(shí)，等于背景值，達(dá)到動(dòng)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(xiàng)目 (既使是高速公路建設(shè)項(xiàng)目)，其營(yíng)運(yùn)基年日交通量都在1.0萬(wàn)輛中型標(biāo)準(zhǔn)車(chē)以下，且區(qū)域背景值一般都在10mg/kg以上。所以可以說(shuō)，幾乎所有的公路建設(shè)項(xiàng)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(yíng)運(yùn)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(shì)。
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(jì)算的。由土壤重金屬累積模式的推導(dǎo)過(guò)程可知，(1)式中的Ri實(shí)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(xiě)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(duì)應(yīng)于模式(1)之相應(yīng)變化為：
(4)
可見(jiàn)，對(duì)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(shí)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(cè)模式可寫(xiě)為：
(5)
對(duì)于(5)式，其存在一個(gè)特例。當(dāng)Rf=B(1-K)/(K)時(shí)，(5)式可寫(xiě)為：
（6）
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(shuō)明公路營(yíng)運(yùn)前土壤中鉛含量變化處在動(dòng)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(jiàn)，采用(6)式是可避免產(chǎn)生預(yù)測(cè)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(shí)際的較精確的預(yù)測(cè)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(cè)計(jì)算，只是一種近似的方法。
4.2 源強(qiáng)計(jì)算方法的影響
導(dǎo)致產(chǎn)生以上所述鉛含量預(yù)測(cè)結(jié)果逐年減小的另一個(gè)原因是公路向土壤的年輸鉛量計(jì)算模式中對(duì)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(jì)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(chē)輛尾氣中Pb在評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的沉降量，一般取40%
Qij—第i年j型汽油車(chē)交通量，(輛/年)
pbj—j型車(chē)用燃料中鉛化合物的添加量，各型汽油車(chē)添加鉛化合物的平均值為140mg/L
Jj—j型車(chē)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(lái)計(jì)算的，即公里長(zhǎng)的沉降面積為40ha畝，耕作層土壤比重按2 248t/ha計(jì)，則每公里長(zhǎng)路段土壤重為9×107kg。據(jù)報(bào)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(guó)公路環(huán)評(píng)報(bào)告書(shū)中預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)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(guó)艾森豪威爾快車(chē)道15 m的土壤中含鉛量高達(dá)7 600mg／kg,美國(guó)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
距公路邊距離(m) 土壤含鉛量(mg／kg) 0 809.6 91 32.5 182 36.0 273 52.0
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(shuō)有公路交通對(duì)土壤鉛污染的實(shí)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(bào)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(cè)的結(jié)果(Wn)就會(huì)增加近5倍，預(yù)測(cè)計(jì)算中Wn逐年減小的現(xiàn)象也就不會(huì)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(duì)預(yù)測(cè)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(yàn)力求準(zhǔn)確地求取K值。然而對(duì)于公路建設(shè)項(xiàng)目而言，一個(gè)公路項(xiàng)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(shí)際的精確的K值，對(duì)于環(huán)評(píng)工作而言是不現(xiàn)實(shí)的。目前基本上都是采用《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(試行)中推薦的值，即K=0.95。但K值對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果(Wn)的影響卻是客觀存在的。
5 結(jié)論
(1)公路交通對(duì)土壤鉛污染預(yù)測(cè)模式可寫(xiě)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(cè)計(jì)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(duì)大小。
(3)在不考慮非公路污染源時(shí)，幾乎所有的公路建設(shè)項(xiàng)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(yíng)運(yùn)近期將低于土壤背景值。
(4)欲較精確地預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)公路交通對(duì)土壤的鉛污染，需合理確定公路兩側(cè)鉛沉降范圍、開(kāi)展鉛沉降分布規(guī)律的研究、加強(qiáng)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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