公路交通对土壤铅污染预测评价
摘要：推导给出了公路 交通 对土壤铅污染的预测 计算 模式， 分析 了采用该模式预测土壤中铅含量时可能出现的3种不同结果，即高于、等于或低于背景值及其判别条件。结合 中国 公路交通的实际情况，论证了在不考虑非公路污染源时，公路交通引起土壤中铅累积量在营运近期将低于土壤背景值。认为合理确定非公路污染源强度、铅沉降面积及铅残留系数是 影响 预测评价土壤铅污染的主要因素。
关键词：土壤 铅 预测 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年起中国开展公路建设项目环境影响评价工作以来，已有200多本公路环评报告书问世，在这些报告书中，对公路交通引起公路两侧土壤铅污染的预测采用的 方法 都是土壤重金属累积模式[1]，预测的结果基本上都是：营运远期(营运至第20年)土壤中铅含量为20～80mg/kg,土壤中铅含量随营运年份的增加而递增(营运远期的值>营运中期的值>营运基年的值)，既使对那些交通量较小的二级公路也是如此。然而在我们采用该模式所做的一些预测计算中，却发现存在土壤中铅含量逐年减小的现象。进一步的分析表明，如果评价中采用的是该模式的话，那么几乎所有的公路建设项目对土壤铅污染的预测结果至少在营运近期都应遵循逐年减小的 规律 。
2 土壤重金属累积模式及其推导
根据重金属污染物在土壤中的迁移转化及累积规律，土壤中重金属污染物累积量计算模式为[2]：
W=K(B+R)
式中 W—重金属在土壤中的积累量，mg/kg
B—区域土壤重金属含量背景值mg/kg
R—土壤重金属年输入量，mg/kg
K—土壤重金属残留率%
n年内土壤中重金属累积量：
Wn=Kn{Kn-1[……K2(K1(B+R1)+R2)+……Rn-1]+Rn｝=BK1K2……Kn+R1K1K2……Kn+R2K2K3……Kn+……+RnKn
若K1=K2=……Kn=K,则：
(1)
此式即为 目前 在公路建设项目环境影响评价中被普遍采用的土壤重金属累积模式，其已被写入《公路建设项目环境影响评价规范》(试行)。
3 预测结果分析
3.1 当Ri为常量时
当Ri为常量时，即铅污染物向土壤的输入逐年不变。对(1)式，假设
R1=R2=……Rn=R,则有：
(2)
由(2)式可见，当Ri为常量时，预测n年内土壤中重金属累积量的计算结果可能存在以下3种情况：
①预测结果大于背景值，即Wn>B。由(2)式可推导出此情况出现在当BKn+RK>B，即：R>B时。
②预测结果等于背景值，即Wn=B,当R=B时。
③预测结果小于背景值，即Wn
可见，预测计算结果是否高于背景值，取决于R与B(1-K)/(K)的相对大小。
图1 Ri为常量时Wn随n的变化趋势
为说明当Ri为常量时，预测结果的逐年变化趋势，假设B=30mg/kg,k=0.95,n=50年(一般而言，建设项目环境影响评价预测年限为20年之内，此处为更清晰地反映预测结果的变化趋势，取n=50年)，绘制Wn随n的变化趋势于图1。图1中曲线a、b及c分别对应于上述3种可能的预测结果，对应曲线a之R等于3.16mg/kg，曲线b之R等于
1.58mg/kg(=B(1-K)/(K)),曲线c之R等于0.25mg/kg。
3.2 当Ri逐年递增时
对于公路建设项目而言，Ri正比于公路交通量且随交通量的逐年增加而增加 。根据中国公路交通 发展 状况，公路交通量年增长率一般在5%～12%之间，营运近期较高，营运远期较低。在此仅为说明土壤中铅累积量的变化规律，不妨假设其增长率为常量，用P表示，则有：
Ri=R1(1+P)i-1,代入(1)式得：
(3)
由(3)式可得，当Ri逐年等速率递增时，n年内土壤中铅累积量预测结果可能存在的3种情况为：
①预测结果大于背景值，即Wn>B。其出现在当R1>B时;或当R1=B,且n≠1时;或当R10时。
②预测结果等于背景值，即Wn=B。其出现在当R1=B,且n=1时;
或当R1
R1-B(1-Kn)=0时。
③预测结果小于现状值，即Wn
与Ri为常量时的假设类似，假设B=30mg/kg,K=0.95,P=8%,R1分别为3.16，1.58，0.25mg/kg,绘制Wn随n的变化曲线a,b及c于图2，以说明Ri逐年递增时可能出现的预测结果。
对应图2曲线b之R1,其值等于B=1.58mg/kg,根据公路交通铅污染物源强计算公式[1]，估算公路日交通量，其值大约为3.0万辆(中型标准车)。也就是说，当区域背景值为30mg/kg,且不存在其它外界污染源引起的铅输入的条件下，基年日交通量小于3万辆中型标准车的公路建设项目，并不会在短期内引起公路两侧土壤中重金属铅含量的增加。相反，会低于背景值，直至随Ri的逐年增加，当n满足R1-B(1-Kn)=0时，Wn=B,随之，Wn>B(曲线c)。
图2 Ri逐年递增时Wn随n的变化趋势
为说明区域背景值(B)对判别土壤铅累积量预测结果(Wn)是否会低于B的判别式B(1-K)/(K)的 影响 ， 参考 中国 土壤元素背景值[3]，选取概率大于90%的B值， 计算 对应的B(1-K)/(K)及临界 交通 量(此处定义临界交通量为：对应R1=B(1-K)/(K)时的公路营运基年(n=1)日交通量)列入表1。
表1 不同背景值下的B(1-K)/(K)值及临界交通量
|
B (mg/kg) |
K |
B(1-K)/(K) (mg/kg) |
临界交通量 (万辆/日) (中型标准车) |
| 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值来源于《公路建设项目环境影响评价规范》(试行)
表1中数据表明，既使当B小至10mg/kg,临界交通量亦达1.0万辆中型标准车/日。就是说在该背景值下，基年日交通量小于1.0万辆的公路建设项目所造成的公路两侧土壤中铅的累积在营运近期将会低于背景值。如以营运基年日交通量为0.5万辆标准中型车的公路建设项目为例进行计算，土壤中铅累积量低于背景值的时间将持续约16年(假定P=8%时)，到第17年时，等于背景值，达到动态平衡，之后，超出背景值，并逐年增加。一般的公路建设项目(既使是高速公路建设项目)，其营运基年日交通量都在1.0万辆中型标准车以下，且区域背景值一般都在10mg/kg以上。所以可以说，几乎所有的公路建设项目造成的公路两侧土壤中铅的累积量，在不存在非公路污染源的条件下，在营运近期将低于区域背景值，其逐年变化将具有如图2曲线c所示的趋势。
4 影响因素 分析
4.1 非公路污染源的影响
以上所述都是在未考虑存在非公路污染源的条件下推导或计算的。由土壤重金属累积模式的推导过程可知，(1)式中的Ri实际上包括了可能引起土壤中铅含量增加的一切外部污染源向土壤的输入。所以，Ri可写成由公路污染源年输入量与非公路污染源年输入量之和(用脚标g表示公路源，用脚标f表示非公路源)，则有：
Ri=Rgi+Rfi
对应于模式(1)之相应变化为：
(4)
可见，对于存在非公路污染源的情况，则应考虑非公路污染源的影响。
在实际 应用 中，非公路源Rfi为常量(Rfi=Rf)的情况较多，相应之预测模式可写为：
(5)
对于(5)式，其存在一个特例。当Rf=B(1-K)/(K)时，(5)式可写为：
(6)
即非公路源引起的污染增量正好等于区域背景值的衰减量，说明公路营运前土壤中铅含量变化处在动态平衡中，每年的输入量等于输出量，区域环境背景值(B)逐年保持不变。
由此可见，采用(6)式是可避免产生预测结果Wn逐年减小的现象，然而非公路污染源(比如那些位于污罐区或 工业 区的路段)究竟是以多大的年输入量(RF)影响着土壤铅含量的逐年变化呢?要想获得切合实际的较精确的预测结果，就需要更深入细致的调查工作。应用(6)式进行预测计算，只是一种近似的 方法 。
4.2 源强计算方法的影响
导致产生以上所述铅含量预测结果逐年减小的另一个原因是公路向土壤的年输铅量计算模式中对公路两侧铅沉降面积的假设。
公路交通向土壤的年输铅量Ri计算模式如下[1]：
Ri=ηρΣj=1QijpbjJj/G (7)
式中 Ri—第i年公路交通铅污染物向土壤的年输入量，(mg/年.kg)
η—排气管排放效率，一般取75%
ρ—车辆尾气中Pb在评价范围内的沉降量，一般取40%
Qij—第i年j型汽油车交通量，(辆/年)
pbj—j型车用燃料中铅化合物的添加量，各型汽油车添加铅化合物的平均值为140mg/L
Jj—j型车每公里耗油量(L/km.辆)
J大=0.41L/km.辆
J中=0.27L/km.辆
J小=0.115L/km.辆
G—评价范围内1公里路段耕作层土壤的质量kg/km);G=9×107kg/km
在(6)式中，评价范围内1 km路段耕作层土壤的质量(G=9×107 kg/km)是按Pb在公路两侧的沉降面积为公路两侧各200 m来计算的，即公里长的沉降面积为40ha亩，耕作层土壤比重按2 248t/ha计，则每公里长路段土壤重为9×107kg。据报导[5]，在公路两侧路边缘附近铅的含量不仅是逐年增加，而且具有相当高的值，远高于中国公路环评报告书中预测评价铅污染所采用的公路两侧各200m范围内的不均值—20～80mg/kg)如表2所示。据调查[5]，欧洲和亚洲的大城市中，土壤表层含铅量为200～2 000mg/kg，在离美国艾森豪威尔快车道15 m的土壤中含铅量高达7 600mg/kg,美国中西部城市住宅区平均铅1 636mg/kg，商业区土壤含铅
2 413mg/kg。
表2 公路边土壤含铅量
| 距公路边距离(m) | 土壤含铅量(mg／kg) |
| 0 | 809.6 |
| 91 | 32.5 |
| 182 | 36.0 |
| 273 | 52.0 |
所以，用公路两侧各200m沉降面积上的铅平均含量尚不足以说有公路交通对土壤铅污染的实际状况。假如我们把铅的沉降面积设定为公路两侧各40m的范围(据报导，公路交通排放的Pb大部分沉积于公路两侧40m的范围[5]，那么预测的结果(Wn)就会增加近5倍，预测计算中Wn逐年减小的现象也就不会出现。
4.3 残留系数的影响
(1)式中土壤Pb残留系数K的取值对预测结果的影响是较大的。在不同区域，土壤特性各异，K值也完全不同。为获取较精确的K值，不同区域应根据小区和盆栽试验力求准确地求取K值。然而对于公路建设项目而言，一个公路项目上百公里公路沿线两侧的土壤性能及环境特征变化很大，要想逐段获取切合于实际的精确的K值，对于环评工作而言是不现实的。 目前 基本上都是采用《公路建设项目环境影响评价技术规范》(试行)中推荐的值，即K=0.95。但K值对预测结果(Wn)的影响却是客观存在的。
5 结论
(1)公路交通对土壤铅污染预测模式可写近似如下的形式：
Wn=BKn+R1K((1+P)n-Kn)/((1+P)-K)
(2)采用土壤重金属累积模式预测计算土壤中铅含量可能出现3种不同结果，即高于、等于或低于背景值，其主要取决于R1与B(1-K)/(K)的相对大小。
(3)在不考虑非公路污染源时，几乎所有的公路建设项目引起公路两侧各200m范围内土壤中铅累积量平均值在营运近期将低于土壤背景值。
(4)欲较精确地预测评价公路交通对土壤的铅污染，需合理确定公路两侧铅沉降范围、开展铅沉降分布 规律 的 研究 、加强非公路污染源的调查和合理地确定K值。
参考 文献
[1] 中华人民共和国交通部.公路建设项目环境影响评价规范(试行).1996
[2] 郦桂芳.环境质量评价.北京：中国环境 科学 出版社，1989
[3] 国家环境保护局，中国环境监测总站.中国土壤元素背景值.北京：中国环境科学出版社，1990
[4] 曹申存.公路建设项目环境影响评价进展与改进意见.环境科学，1996，17(增)：38～44
[5] 廖自基.环境中微量重金属元素的污染危害与迁移转化.北京：科学出版社，1989
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