气源性重金属污染物在土壤中的累积效果以及影响预测分析

郭志明 韩 震 王浩宇 李 扬

(中国辐射防护研究院，太原 030006)

1 土壤污染途径

建设项目对土壤环境的影响主要来自工业“三废”排放。重金属元素污染土壤环境的主要途径包括:大气传播、水体传播以及固体废物传播等方式。

工业企业排放气源性重金属通过降水、大气扩散和重力作用降落至地面，进而进入到土壤中污染土壤环境;工业外排废水中的污染物通过直接灌溉农田或排入河流、湖泊后再作为农业灌溉用水，使土壤受到污染;固体废弃物在堆存、掩埋过程中产生的渗滤液进入到土壤，也会导致土质和土壤结构的变化，达到一定程度下会危害土壤环境。

2 重金属在土壤中的迁移和转化

重金属污染物进入土壤后较难被土壤微生物所降解，容易被农作物及植物吸收，通过食物链进入人体和动物体内，最终影响人体健康，因此重金属污染具有较大的潜在性危害。

一般情况下重金属元素在土壤中的形成可分为可溶态、可交换态和难溶态。土壤被污染时对农作物和植被的危害主要与可溶态、可交换态重金属有关。对于我国北方地区土地偏碱性，进入土壤的可溶性重金属多呈难溶态的金属氢氧化物存在，出可以碳酸盐和磷酸盐的形态存在，其溶解度都相对比较小，导致土壤淋滤液中重金属离子浓度也较低，其在土壤中的迁移速度也较缓慢。因此重金属污染大部分残留在土壤耕作层，极少向下层土壤迁移。

3 某建设项目排放重金属对土壤环境的影响及预测

以某建设项目为例，利用AERMOD模型对项目排放重金属元素(以Hg为例)影响区域为10×10km范围的土壤进行重金属输入及累积影响预测，表1给出重金属污染物的年平均地面浓度及受影响面积。表2给出项目所在区域耕作层土壤(30cm)的背景值监测数据。

表1 某项目排气筒排放重金属年均预测浓度

表2 某项目所在区域不同采样点的耕作土壤重金属背景值

3.1 气源性重金属的输入量确定

要分析气源性重金属对受影响区域内耕作土壤的影响，首先要给出由于气源性重金属在土壤中的输入量。重金属在土壤中的输入量以重金属年均浓度和受影响面积的相邻等值线面积的乘积来确定重金属污染物沉积权重，根据废气排放量计算区域内重金属年输入量。

根据气源性重金属年均地面浓度预测结果及受影响区域不同重金属的浓度等值线，把区域内受影响的土壤划分为I-III个小区(或多个小区)，统计相邻等值线间的面积，假定每个小区内的重金属全部沉降在该区域耕作土壤中，以浓度(取高值)与面积的乘积计算出相应区域内重金属输入量权重，后根据重金属排放量(Hg: 0.05t/a)计算不同小区内表层土壤的年输入量。

以上述方法估算重金属在评价区范围土壤中的输入量，其前提条件为:假定沉降于最低年均浓度等值线范围以外的重金属全部沉降在最低年均浓度等值线以内，因此采用该方法估算重金属在土壤中的输入量是保守估算。

据调查取当地土壤表层厚度30cm，土壤密度取2650kg/m3，由此计算出废气排放对土壤重金属污染物的年输入量，结果详见表3。

表3 某项目排放重金属年输入量

3.2 气源性重金属的累积量

重金属在影响范围内土壤中的累积量采用土壤评价学中通用的预测公式，如下所述。

如区域土壤污染物的背景浓度为B(mg/kg)(本项目取三监测点现状监测值的平均值)，重金属的年输入量为E(mg/kg)，重金属在土壤中的年残留率为K，则污染物一年后的累积量W为:W=K(B+E);一般情况下重金属在土壤中不易淋溶，K值取0.9左右;本次估算取K值为0.95。

表4给出在项目运营1年、5年、10年、20年后，项目所在区域一定范围内土壤中重金属的累积量Wn。

表4 项目所在区域一定时间内重金属累积量

4 预测过程中存在的不足及解决方案

(1)根据以上对气源性重金属在土壤中的累积量的预测，得出以下结果，即:随着预测时间的延长，土壤中重金属累积量呈现逐步降低的趋势，并远低于土壤背景值。如图1所示。

(2)产生原因:造成以上结果的原因，作者认为与污染物在土壤中累积量的预测公式存在不足所致，该预测公式将土壤重金属的本底值同样考虑了残留率。

图1 气源性重金属在土壤中的累积量随时间变化曲线

我们知道，土壤中重金属的来源是由成土母岩中含有的重金属元素带入的，而母岩风化形成土壤需要几万年、几百万年的地质年代，一般情况下土壤背景值会在一定时期内维持在一个相对稳定的范围内，即土壤中重金属的输入、输出达到一个相对的平衡。因此该重金属累积预测公式中对于背景浓度考虑衰减应是一个不足之处。

(3)解决方案:在了解了预测结果存在的不足，即可以考虑对气源性重金属在土壤中的累积量预测公式进行调整。当不考虑土壤中重金属背景浓度的衰减时，原累积公式调整为:

气源性重金属一年后的累积量W为:W=B+KE;

5 调整公式后预测结果

在对气源性重金属累积公式进行调整后，重新对某项目排放气源性重金属对土壤的影响进行预测，其结果见表5。即随着外来气源性重金属的输入时间的延长，重金属在土壤中的累积量逐步增加。如图2所示。

表5 项目所在区域一定时间内重金属累积量(调整预测公式后)

图2 气源性重金属在土壤中的累积量随时间变化曲线(调整预测公式)

6 结论

(1)根据气源性重金属在土壤中的累积效果分析表明，当考虑土壤中背景重金属的衰减时，其预测结果往往不能准确反映气源性重金属在土壤中的累积效果;

(2)由于土壤的形成时间与气源性重金属的输入时间差异较大，建议在对土壤进行气源性重金属输入影响分析时，可以不考虑土壤背景中重金属的衰减影响。