公路交通對土壤鉛汙染預測評價

摘要：推導給出了公路交通對土壤鉛汙染的預測計算模式，分析了採用該模式預測土壤中鉛含量時可能出現的3種不同結果，即高於、等於或低於背景值及其判別條件。結合中國公路交通的實際情況，論證了在不考慮非公路汙染源時，公路交通引起土壤中鉛累積量在營運近期將低於土壤背景值。認為合理確定非公路汙染源強度、鉛沉降面積及鉛殘留係數是影響預測評價土壤鉛汙染的主要因素。

關鍵詞：土壤　鉛　預測　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專案環境影響評價工作以來，已有200多本公路環評報告書問世，在這些報告書中，對公路交通引起公路兩側土壤鉛汙染的預測採用的方法都是土壤重金屬累積模式［1］，預測的結果基本上都是：營運遠期***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。然而在我們採用該模式所做的一些預測計算中，卻發現存在土壤中鉛含量逐年減小的現象。進一步的分析表明，如果評價中採用的是該模式的話，那麼幾乎所有的公路建設專案對土壤鉛汙染的預測結果至少在營運近期都應遵循逐年減小的規律。

2　土壤重金屬累積模式及其推導

　　根據重金屬汙染物在土壤中的遷移轉化及累積規律，土壤中重金屬汙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專案環境影響評價中被普遍採用的土壤重金屬累積模式，其已被寫入《公路建設專案環境影響評價規範》***試行***。

3　預測結果分析

3.1　當Ri為常量時

　　當Ri為常量時，即鉛汙染物向土壤的輸入逐年不變。對***1***式，假設
　　R1=R2=……Rn=R,則有：

　***2***

　　由***2***式可見，當Ri為常量時，預測n年內土壤中重金屬累積量的計算結果可能存在以下3種情況：

　　①預測結果大於背景值，即Wn＞B。由***2***式可推匯出此情況出現在當BKn+RK＞B，即：R＞B時。
　　②預測結果等於背景值，即Wn=B,當R=B時。
　　③預測結果小於背景值，即Wn＜B，當R＜B時。
　　可見，預測計算結果是否高於背景值，取決於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Ri為常量時，預測結果的逐年變化趨勢，假設B=30mg/kg,k=0.95,n=50年***一般而言，建設專案環境影響評價預測年限為20年之內，此處為更清晰地反映預測結果的變化趨勢，取n=50年***，繪製Wn隨n的變化趨勢於圖1。圖1中曲線a、b及c分別對應於上述3種可能的預測結果，對應曲線a之R等於3.16mg/kg，曲線b之R等於

1.58mg/kg***=B***1-K***/***K******,曲線c之R等於0.25mg/kg。

3.2　當Ri逐年遞增時

　　對於公路建設專案而言，Ri正比於公路交通量且隨交通量的逐年增加而增加 。根據中國公路交通發展狀況，公路交通量年增長率一般在5%～12%之間，營運近期較高，營運遠期較低。在此僅為說明土壤中鉛累積量的變化規律，不妨假設其增長率為常量，用P表示，則有：

　　Ri=R1***1+P***i-1,代入***1***式得：

　***3***

　　由***3***式可得，當Ri逐年等速率遞增時，n年內土壤中鉛累積量預測結果可能存在的3種情況為：

　　①預測結果大於背景值，即Wn＞B。其出現在當R1＞B時；或當R1=B,且n≠1時；或當R1＜B,且n滿足R1-B***1-Kn***＞0時。

　　②預測結果等於背景值，即Wn=B。其出現在當R1=B,且n=1時；
　　或當R1＜B,且n滿足
R1-B***1-Kn***=0時。

　　③預測結果小於現狀值，即Wn＜B。其出現在當R1＜B,且n滿足R1-B***1-Kn***＜0時。
　　與Ri為常量時的假設類似，假設B=30mg/kg,K=0.95,P=8%,R1分別為3.16，1.58，0.25mg/kg,繪製Wn隨n的變化曲線a,b及c於圖2，以說明Ri逐年遞增時可能出現的預測結果。

　　對應圖2曲線b之R1,其值等於B=1.58mg/kg, 根據公路交通鉛汙染物源強計算公式［1］，估算公路日交通量，其值大約為3.0萬輛***中型標準車***。也就是說，當區域背景值為30mg/kg,且不存在其它外界汙染源引起的鉛輸入的條件下，基年日交通量小於3萬輛中型標準車的公路建設專案，並不會在短期內引起公路兩側土壤中重金屬鉛含量的增加。相反，會低於背景值，直至隨Ri的逐年增加，當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

為說明區域背景值***B***對判別土壤鉛累積量預測結果***Wn***是否會低於B的判別式B***1-K***/***K***的影響，參考中國土壤元素背景值［3］，選取概率大於90%的B值，計算對應的B***1-K***/***K***及臨界交通量***此處定義臨界交通量為：對應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

B ***mg/kg***	K	B***1-K***/***K*** ***mg/kg***	臨界交通量 ***萬輛/日*** ***中型標準車***
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值來源於《公路建設專案環境影響評價規範》***試行***

　　表1中資料表明，既使當B小至10mg/kg,臨界交通量亦達1.0萬輛中型標準車/日。就是說在該背景值下，基年日交通量小於1.0萬輛的公路建設專案所造成的公路兩側土壤中鉛的累積在營運近期將會低於背景值。如以營運基年日交通量為0.5萬輛標準中型車的公路建設專案為例進行計算，土壤中鉛累積量低於背景值的時間將持續約16年***假定P=8%時***，到第17年時，等於背景值，達到動態平衡，之後，超出背景值，並逐年增加。一般的公路建設專案 ***既使是高速公路建設專案***，其營運基年日交通量都在1.0萬輛中型標準車以下，且區域背景值一般都在10mg/kg以上。所以可以說，幾乎所有的公路建設專案造成的公路兩側土壤中鉛的累積量，在不存在非公路汙染源的條件下，在營運近期將低於區域背景值，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　非公路汙染源的影響

　　以上所述都是在未考慮存在非公路汙染源的條件下推導或計算的。由土壤重金屬累積模式的推導過程可知，***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汙染源向土壤的輸入。所以，Ri可寫成由公路汙染源年輸入量與非公路汙染源年輸入量之和***用腳標g表示公路源，用腳標f表示非公路源***，則有：
　　Ri=Rgi+Rfi
　　對應於模式***1***之相應變化為：

***4***

　　可見，對於存在非公路汙染源的情況，則應考慮非公路汙染源的影響。

　　在實際應用中，非公路源Rfi為常量***Rfi=Rf***的情況較多，相應之預測模式可寫為：

***5***

對於***5***式，其存在一個特例。當Rf=B***1-K***/***K***時，***5***式可寫為：

　（6）

　　即非公路源引起的汙染增量正好等於區域背景值的衰減量，說明公路營運前土壤中鉛含量變化處在動態平衡中，每年的輸入量等於輸出量，區域環境背景值***B***逐年保持不變。

　　由此可見，採用***6***式是可避免產生預測結果Wn逐年減小的現象，然而非公路汙染源***比如那些位於汙罐區或工業區的路段***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測結果，就需要更深入細緻的調查工作。應用***6***式進行預測計算，只是一種近似的方法。

4.2　源強計算方法的影響

　　導致產生以上所述鉛含量預測結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鉛沉降面積的假設。

　　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年公路交通鉛汙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在評價範圍內的沉降量，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新增量，各型汽油車新增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—評價範圍內1公里路段耕作層土壤的質量kg/km***；G=9×107kg/km

　　在***6***式中，評價範圍內1 km路段耕作層土壤的質量***G=9×107 kg/km***是按Pb在公路兩側的沉降面積為公路兩側各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。據報導［5］，在公路兩側路邊緣附近鉛的含量不僅是逐年增加，而且具有相當高的值，遠高於中國公路環評報告書中預測評價鉛汙染所採用的公路兩側各200m範圍內的不均值—20～80mg/kg***如表2所示。據調查［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7 600mg／kg,美國中西部城市住宅區平均鉛1 636mg／kg，商業區土壤含鉛
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汙染的實際狀況。假如我們把鉛的沉降面積設定為公路兩側各 40m的範圍***據報導，公路交通排放的Pb大部分沉積於公路兩側40m的範圍［5］，那麼預測的結果***Wn***就會增加近5倍，預測計算中Wn逐年減小的現象也就不會出現。

4.3　殘留係數的影響

　　***1***式中土壤Pb殘留係數K的取值對預測結果的影響是較大的。在不同區域，土壤特性各異，K值也完全不同。為獲取較精確的K值，不同區域應根據小區和盆栽試驗力求準確地求取K值。然而對於公路建設專案而言，一個公路專案上百公里公路沿線兩側的土壤效能及環境特徵變化很大，要想逐段獲取切合於實際的精確的K值，對於環評工作而言是不現實的。目前基本上都是採用《公路建設專案環境影響評價技術規範》***試行***中推薦的值，即K=0.95。但K值對預測結果***Wn***的影響卻是客觀存在的。

5　結論

　　***1***公路交通對土壤鉛汙染預測模式可寫近似如下的形式：

　　Wn=BKn+R1K***（1+P***n-Kn***/******1+P***-K***

　　***2***採用土壤重金屬累積模式預測計算土壤中鉛含量可能出現3種不同結果，即高於、等於或低於背景值，其主要取決於R1與B***1-K***/***K***的相對大小。

　　***3***在不考慮非公路汙染源時，幾乎所有的公路建設專案引起公路兩側各200m範圍內土壤中鉛累積量平均值在營運近期將低於土壤背景值。

　　***4***欲較精確地預測評價公路交通對土壤的鉛汙染，需合理確定公路兩側鉛沉降範圍、開展鉛沉降分佈規律的研究、加強非公路汙染源的調查和合理地確定K值。

參考文獻

［1］　中華人民共和國交通部.公路建設專案環境影響評價規範***試行***.1996
［2］　酈桂芳.環境質量評價.北京：中國環境科學出版社，1989
［3］　國家環境保護局，中國環境監測總站.中國土壤元素背景值.北京：中國環境科學出版社，1990
［4］　曹申存.公路建設專案環境影響評價進展與改進意見.環境科學，1996，17***增***：38～44
［5］　廖自基.環境中微量重金屬元素的汙染危害與遷移轉化.北京：科學出版社，1989