重金属污染场地土壤风险的综合评价模型

陈 晨，温 欣，阚欣荣，唐雨蒙，王 磊

（1.唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299；2.唐山滨海软土工程技术研究中心，河北 唐山 063299；3.唐山中浩化工有限公司，河北 唐山 063611）

随着城市经济的快速发展，城市化和工业化进程的加快，土壤重金属污染问题越来越严重，从生态环境、粮食安全等诸多方向威胁着人类的健康和安全。我国现阶段提倡绿色环保和节能减排的理念，为深入贯彻落实国家碳达峰、碳中和重大战略决策，推动绿色低碳关键核心技术攻关，土壤修复绿色低碳技术显得尤为重要。污染土体的评价、防治和有效修复已经成为当前国际和国内的研究热点。

城市环境的评价的一项最重要的内容就是城市土壤重金属污染程度[1]。目前，国内外针对土壤重金属污染风险评价的方法有很多[1-5]，本文结合某地滨海地区的地域环境特点，对单项和内梅罗指数法进行修改和优化，建立了一种适用于滨海地区重金属污染土的风险预测模型。对土壤的酸碱性、含水量、重金属污染物含量以及污染种类等影响因素进行了综合分析，体现环保与经济的共同发展，为滨海软土地区的场地污染治理和环境管理提供有价值的科学依据。

1 土壤环境重金属污染风险的综合评价模型

对国内外土壤重金属污染评价的方法进行整理及对比，单项指数法、内梅罗综合污染指数法、地积累综合指数法是目前常用的几种方法。

1.1 单项指数法

单项指数法可以确定土壤中主要的重金属污染物以及重金属对土壤的污染情况，具体计算公式如（1）式所示：

式中： Pi为某一种污染物的污染指数；Ci为某一种污染物的实际检测值；Si为某一种污染物的环境背景值，单项指数法的污染程度评价标准如表1所示。

表1 土壤单项污染评价标准

1.2 单因子和内梅罗指数法

目前对土壤重金属污染评价计算中最常用的方法是内梅罗指数法[1]。此方法需要先计算出土壤中各种重金属污染物的分含量，然后计算出每个重金属分含量的平均值，最后再通过重金属的最大分含量和含量的平均值进行计算。

表2 土壤内梅罗污染指数评价标准

对单项指数法和内梅罗染指数法的评价计算进行了修正，计算式如下：

PN表示土壤中不同种类的重金属污染物的污染程度[3]。对污染物的风险评价结果进行分析，可以找出重金属污染的主要原因。

以上的评价方法对土壤重金属污染物进行评价过程中，都存在一些不足。土壤中重金属的污染毒性不仅与污染物的含量有关，还与土壤的基本属性、污染物的种类以及污染物在土壤中的存在形态有着密切的关系。

1.3 土壤重金属污染风险的综合评价模型

土壤重金属污染评价方法从不同方面表征了污染场地的重金属污染程度，各具优缺点[5]。在土壤生态环境中，有很多影响的因素对污染程度起到一定的作用，因此分析时，应综合分析土壤相关性质参数，建立能真实反映土壤健康情况的预测模型，为土壤重金属污染风险评价开拓了新思路。

对分析评价结果和新建模型评价结果进行比对，土壤中的酸碱性、含水量、重金属的实际含量以及重金属污染种类对土壤重金属污染评价有重要表征作用。本文通过对土壤的酸碱性、含水量、重金属污染物含量以及污染种类等影响因素的综合分析，建立了适用于碱性土壤的重金属污染土的风险预测模型，对（2）式评价模型进行修正，对重金属污染场地评价有一定的指导意义[6]。综合以上因素，建立如下模型：（3）

将式 (2) 和 ( 4 ) 代入式 ( 3) 中得出相应的重金属污染土评价预测模型，即

式中，S 为重金属污染种类；Pi为重金属污染物实际检测含量；ɑ为重金属污染物含量系数；W为土壤含水量；β为含水量系数。

2 污染场地实例研究

2.1 采样与检测

2.1.1 采样场地概况

本文研究区域土质以粉质黏土及粉砂为主。海拔高度4m，年平均温度17℃，属于大陆性季风气候，年平均降水量554.9mm，最大年降水量934.4mm。降水多集中在夏季，能见度低于1km的雾日数平均每年有9d，年日照为1 718.2h，该地区进入快速发展期，同时随着经济快速发展城市生态环境压力也在增加。

将待修复地块划分为若干单元，一般采用S形采样法，在S形路线上取10~15个采样点，2个检测点之间距离不超过30m。以直推式设备（ 达304不锈钢取土器）进行土壤样品的采集工作。本文的取样点共有30个，覆盖滨海地区的化工厂区、生活区域、农田耕地以及高速公路[2]。根据之前采样孔取得的岩土性状来看，污染区域内表层至1m左右的深度主要是人工填土、粉质粘土、沙土、圆砾等渗透性较好的土壤结构，易溶盐以碱金属氯盐和硫酸盐为主，地下水水质偏碱性，其主要矿物成分为黏土矿物，PH值介于6.5~8，属于碱性土。

2.1.2 土壤重金属含量检测

将所采集的土样在室温中自然风干，对土壤进行筛分，选取200目筛选的土样备用。称取土样1g于50mL锥形瓶中，用水润湿后加入10mL的H2SO4，在电炉上加热使其初步消解，取下稍冷却，然后再加入5mL的HClO4，锥形瓶在电炉上进行加热消解，液体待冷却后过滤出上层清液，待测备用。对土样的重金属含量进行测定时，每个样品进行三次平行试验，最终样品测定的重金属含量为三次试验的平均值。

从检测的案例场地重金属含量的结果来看：案例场地土壤各重金属滨海地区周边土壤中重金属 Cd、Pb、Cr 及Hg的平均含量分别是4.02、447.76、128.46、1.67mg/kg ，重金属呈现出不同程度的累积现象，详细见表3。

表3 案例污染区土壤重金属含量（mg·kg-1）

2.2 案例区域土壤中重金属污染的综合评价

根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》，通过 PN 可知，滨海地区不同重金属污染程度依次为：Pb＞Cr＞Cd＞Hg。重金属污染分布情况与当地煤化工企业、钢厂等有害金属的排放以及金属的冶炼有紧密联系。根据对周边地区相关厂区的调查与研究发现，土壤重金属污染的种类、来源以及污染程度与化工、钢厂生产企业的位置有重要关系。

由于PN是基于内梅罗指数法所建立的，其有一套较成熟的指数评价标准，由表4可知，为进一步检验新建立的PN预测对土壤重金属污染风险评价的准确性与真实性，对分析评价结果和新建模型评价结果进行比对，PN结果与PN预测的结果排序基本一致，新建模型中土壤的酸碱性、含水量、重金属污染物含量以及污染种类等影响因素的引入，更加全面的表征土壤重金属污染的风险信息[7-8]。

表4 案例场地土壤中重金属污染的综合评价结果

分析案例场地土壤中重金属污染的综合评价结果可知：污染场地呈现中量或重量级污染，其污染来源主要受到近海水域以及地下石油开采的影响以及周边企业生产污染物的排放，包括煤化工企业、钢厂等有害金属的排放以及金属的冶炼等，评价结果同检测结果相符。

3 结论

1) 污染场地案例评价结果显示，土壤中各类重金属污染风险等级由高到低依次为:Pb＞Cr＞Cd＞Hg，重金属呈现出不同程度的累积现象。

2) 对单因子和内梅罗指数法的评价方法进行优化，对土壤中的酸碱性、含水量、重金属污染物含量以及污染种类的三种影响因素进行综合分析，建立了一种适用于滨海污染场地的重金属污染风险预测模型。对分析评价结果和新建模型评价结果进行比对，PN结果与PN预测的结果排序基本一致，新建模型中几种影响因素的引入，更加全面的表征土壤重金属污染的风险信息。

3)污染场地呈现中量或重量级污染，其污染来源主要受到近海水域以及地下石油开采的影响以及周边企业生产活动的排放，包括煤化工企业、钢厂等有害金属的排放以及金属的冶炼等，评价结果同检测结果相符。