废气重金属排放对土壤累积影响评价方法探讨
朱铁才+葛仙梅
摘要：近年来，随着工业化进程的加快，工业废气对环境尤其是废气中的重金属排放对土壤累积影响逐渐加重。做好工业项目建设之处的环境影响评价，尤其是做好废气重金属排放对土壤累积影响的评价，为提前做好预测措施提供依据。本文在分析了土壤重金属累积影响评价不同方法，及其优缺点的基础上，提出了依据微积分原理的新的重金属排放对土壤累积影响评价方法。
关键词：废气重金属排放；土壤累积影响评价；微积分
中图分类号：X820.3 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）03-0044-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.03.019
Abstract： In recent years， with the acceleration of the industrialization process， the effect of industrial waste gas on the accumulation of heavy metals in the environment， especially the exhaust gas， has gradually increased. Do the environmental impact assessment of the construction of industrial projects， in particular， do the assessment of the impact of heavy metal emissions on the accumulation of soil， in order to provide a basis for forecasting measures in advance. Based on the analysis of different methods and their advantages and disadvantages of soil heavy metal accumulation impact evaluation， this paper presents a new method for evaluating the effect of heavy metal emission on soil accumulation based on calculus principle.
Key words： Exhaust gas heavy metal emission； soil cumulative impact assessment； calculus
近年来，工业废气重金属污染事件是最受关注的公共事件之一，已经对人类健康、生态环境安全构成严重威胁。土壤重金属污染来源主要是农业灌溉、汽车尾气和工业“三废”，废气重金属排放进入到土壤后具有蓄积性和难降解等特点。土壤中的重金属累积未必会立即表现出危害性，只有当废气重金属排放到土壤环境中含量蓄积超过土壤的承受限度或含量超过土壤环境质量标准时，重金属含量便会危及农作物和人类健康的安全。因此，土壤重金属累积作用及其风险被称为“化学定时炸弹”，当废气重金属排放到土壤中累积到一定程度便会爆发。因此，做好废气重金属排放对土壤累积的影响评价，早发现、早诊断工业生产对土壤重金属的累积影响，才能早预防、早治理，避免土壤重金属的持续累积造成农作物的减产和人类健康风险。工业废气排放是大气重金属污染的主要来源，在工业项目进行环境影响评价时，做好重金属废气污染对土壤累积影响预测和评价意义重大，通过评价分析，为源头做好工业污染源控制提供依据。
1 土壤重金属污染评价方法
1.1 指数法
指数法是将实际所测得的污染物浓度带入到数学公式中，得到污染指数，再与相应的评价标准进行比较，从而确定污染等级的方法。（1）内梅罗指数法评价土壤重金属累积影响能够有效避免因平均作用而削弱污染金属的权值，但也存在人为夸大或缩小某些因子的影响的可能。[1]（2）富集因子法则是通过分析表生环境污染物来源和污染程度的有效手段。（3）与其他评价重金属污染相比，地累积指数将人为污染因素、环境地球化学背景值等可能引起背景值变动等因素纳入评价范围，具有一定的优势，但在K值的选择上要赢根据实际情况做好选择。
1.2 模型指数法
与指数法相比该法在土壤质量影响因素灰色性和模糊边界处理上具有优势。其中，常见的有模糊数学模型、灰色聚类模型和层次分析等方法。（1）模糊数学模型。通过隶属度来描述土壤重金属污染状况的渐变性、模糊性，对各评价等级隶属度用评价因子权重修正，得到样品对评价等级的隶属度，根据最大隶属度原则确定样品污染等级，有效解决模糊边界问题，但确定评价因子权重至关重要，评价过程繁琐，难掌握。（2）灰色聚类模型。灰色聚类是建立在模糊数学基础上，构造白化系数，引入修正因子，确定权重因子，计算聚類系数，对土壤环境中存在的灰色性进行评价。灰色聚类能够较好地解决相邻级别的边界问题，但需要建立较多的白化函数，过程繁琐。（3）层次分析法。通过构建层次结构，建立判断矩阵，单因子排序，赋予权重后重新排序得到评价结果。层次分析法适用于大规模、多因素、多指标的环境质量评价，但其不足是实际监测数值的大小未能真正参与到评价模式。
1.3 存在的问题
从土壤重金属累积评价的应用方法来看，主要涉及到三类标准：国家土壤环境质量标准值、区域或研究区土壤背景值以及对照值等。其中，土壤背景值在成壤过程中，受到人类活动影响较少，也是评价土壤是否受到外界活动影响的重要指标之一。[2]但其评价结果所反映的是土壤受人为活动影响重金属含量的累积程度，其单子因指数不涉及土壤的污染程度，仅表明土壤的实测值偏离了背景值的程度，成土地质环境背景的差异性，人为活动影响程度的不同，以及不同地区土壤重金属背景含量的平均值差异也很大都会影响到背景值的评价准确性。土壤环境质量标准是依据土壤功能、保护目标和土壤主要性质制定的，并规定土壤重金属元素含量的最高限制，以此作为评价土壤重金属是否超标的指标，但超标的原因既有自然因素导致，也有人为活动，甚至是兼而有之，因此，评价结果并不关注、也不能区分超标元素是自然还是人为活动引起的结果。综上，根据不同的研究目的采用不同的标准，选择合适的评价方法。
2 废气重金属排放对土壤累积影响评价方法
工业废气是大气中重金属污染的主要来源，在开展工业项目环境影响评价时，要认真做好重金属废气污染源对土壤的累积影响预测是关键，通过准确、定量分析废气中的重金属对土壤累积贡献量的评价，为源头上防控工业污染提供第一手资料。目前，废气重金属排放对土壤累积影响多是笼统地考虑整个区域的沉积量，而考虑污染源距离对土壤重金属累积影响的较少。
2.1 废气排放对土壤重金属累积影响思路的提出
废气对周围环境的影响预测时，首先要计算出废气污染源对土壤重金属的输入量（一般以年为单位），年输入量的计算核心是确定废气污染源排放的重金属污染物在其影响的区域内分摊权重。因此，设计出计算土壤重金属输入分摊权重方法。为此，总的思路是：根据待评价区域的气象、地形地貌以及废气污染源的影响程度，划定一定污染源影响的区域，并在该区域内确定划分污染物影响浓度等值线。再结合微积分原理，当相邻的两条等值线之间的差值趋于0时，表明这两条等值线之间的区域中各点污染物濃度趋向于等值，再以污染物浓度和相邻等值线之间的面积的乘积确定重金属污染物沉积权重，并根据废气污染物排放量计算区域内重金属的年输入量。
W= K （B+R）
式中：W—为某重金属在土壤中的累积量，mg/kg；
B—区域土壤中某重金属含量背景值，mg/kg；
R—土壤中某重金属的年输入量，mg/kg
K—土壤中某重金属残留率，%
假设土壤中的某重金属残留率保持不变（取95%），那么n年后土壤中的某重金属累积量为：
Wn=BKn+EK（1-Kn）/1-K
2.2 废气排放对土壤重金属累积影响的适用条件
废气污染源的排放量保持不变，且影响在一个固定的区域内，在该固定区域内随着距污染源护理的递减，污染物浓度也是呈现出连续和递减的。受废气污染源影响的某区域内的重金属污染物理论上全部沉降在这个区域内的土壤之中，且不考虑其输出影响等。
3 结语及展望
总得来看，在环境影响评价中，废气污染源对土壤重金属的累积影响预测方法还有待进一步完善，尤其是土壤重金属沉积年输入量计算还不够成熟，污染源距离的远近会影响沉积权重的不同这一因素考虑较少，评价的准确性有待提升。而采取微积分理论，计算出不同区域土壤重金属的沉积权重，得出该区域内土壤重金属的陈计量，相对来说比较准确的预算出废气污染源对不同区域土壤重金属的累积影响。影响废气污染源对土壤重金属的累积影响因素较多，有环境因素、气象条件、生产工况等，实际累积量与预测累积量存在差异在所难免，在实际研究和应用中逐步予以完善。
参考文献
[1]徐友宁，张江华，柯海玲等.矿业活动区农田土壤重金属累积风险的评判方法——以小秦岭金矿区为例[J].地质通报，2014，33（8）：1097-1105.
[2]姚淑梅，金海量，王献平.工业废气污染源对土壤重金属累积影响计算方法的探讨[J].大众科技，2008，（4）：104.
收稿日期：2017-05-10
作者简介：朱铁才（1985-），硕士，工程师，研究方向为环境影响评价。
摘要：近年来，随着工业化进程的加快，工业废气对环境尤其是废气中的重金属排放对土壤累积影响逐渐加重。做好工业项目建设之处的环境影响评价，尤其是做好废气重金属排放对土壤累积影响的评价，为提前做好预测措施提供依据。本文在分析了土壤重金属累积影响评价不同方法，及其优缺点的基础上，提出了依据微积分原理的新的重金属排放对土壤累积影响评价方法。
关键词：废气重金属排放；土壤累积影响评价；微积分
中图分类号：X820.3 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）03-0044-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.03.019
Abstract： In recent years， with the acceleration of the industrialization process， the effect of industrial waste gas on the accumulation of heavy metals in the environment， especially the exhaust gas， has gradually increased. Do the environmental impact assessment of the construction of industrial projects， in particular， do the assessment of the impact of heavy metal emissions on the accumulation of soil， in order to provide a basis for forecasting measures in advance. Based on the analysis of different methods and their advantages and disadvantages of soil heavy metal accumulation impact evaluation， this paper presents a new method for evaluating the effect of heavy metal emission on soil accumulation based on calculus principle.
Key words： Exhaust gas heavy metal emission； soil cumulative impact assessment； calculus
近年来，工业废气重金属污染事件是最受关注的公共事件之一，已经对人类健康、生态环境安全构成严重威胁。土壤重金属污染来源主要是农业灌溉、汽车尾气和工业“三废”，废气重金属排放进入到土壤后具有蓄积性和难降解等特点。土壤中的重金属累积未必会立即表现出危害性，只有当废气重金属排放到土壤环境中含量蓄积超过土壤的承受限度或含量超过土壤环境质量标准时，重金属含量便会危及农作物和人类健康的安全。因此，土壤重金属累积作用及其风险被称为“化学定时炸弹”，当废气重金属排放到土壤中累积到一定程度便会爆发。因此，做好废气重金属排放对土壤累积的影响评价，早发现、早诊断工业生产对土壤重金属的累积影响，才能早预防、早治理，避免土壤重金属的持续累积造成农作物的减产和人类健康风险。工业废气排放是大气重金属污染的主要来源，在工业项目进行环境影响评价时，做好重金属废气污染对土壤累积影响预测和评价意义重大，通过评价分析，为源头做好工业污染源控制提供依据。
1 土壤重金属污染评价方法
1.1 指数法
指数法是将实际所测得的污染物浓度带入到数学公式中，得到污染指数，再与相应的评价标准进行比较，从而确定污染等级的方法。（1）内梅罗指数法评价土壤重金属累积影响能够有效避免因平均作用而削弱污染金属的权值，但也存在人为夸大或缩小某些因子的影响的可能。[1]（2）富集因子法则是通过分析表生环境污染物来源和污染程度的有效手段。（3）与其他评价重金属污染相比，地累积指数将人为污染因素、环境地球化学背景值等可能引起背景值变动等因素纳入评价范围，具有一定的优势，但在K值的选择上要赢根据实际情况做好选择。
1.2 模型指数法
与指数法相比该法在土壤质量影响因素灰色性和模糊边界处理上具有优势。其中，常见的有模糊数学模型、灰色聚类模型和层次分析等方法。（1）模糊数学模型。通过隶属度来描述土壤重金属污染状况的渐变性、模糊性，对各评价等级隶属度用评价因子权重修正，得到样品对评价等级的隶属度，根据最大隶属度原则确定样品污染等级，有效解决模糊边界问题，但确定评价因子权重至关重要，评价过程繁琐，难掌握。（2）灰色聚类模型。灰色聚类是建立在模糊数学基础上，构造白化系数，引入修正因子，确定权重因子，计算聚類系数，对土壤环境中存在的灰色性进行评价。灰色聚类能够较好地解决相邻级别的边界问题，但需要建立较多的白化函数，过程繁琐。（3）层次分析法。通过构建层次结构，建立判断矩阵，单因子排序，赋予权重后重新排序得到评价结果。层次分析法适用于大规模、多因素、多指标的环境质量评价，但其不足是实际监测数值的大小未能真正参与到评价模式。
1.3 存在的问题
从土壤重金属累积评价的应用方法来看，主要涉及到三类标准：国家土壤环境质量标准值、区域或研究区土壤背景值以及对照值等。其中，土壤背景值在成壤过程中，受到人类活动影响较少，也是评价土壤是否受到外界活动影响的重要指标之一。[2]但其评价结果所反映的是土壤受人为活动影响重金属含量的累积程度，其单子因指数不涉及土壤的污染程度，仅表明土壤的实测值偏离了背景值的程度，成土地质环境背景的差异性，人为活动影响程度的不同，以及不同地区土壤重金属背景含量的平均值差异也很大都会影响到背景值的评价准确性。土壤环境质量标准是依据土壤功能、保护目标和土壤主要性质制定的，并规定土壤重金属元素含量的最高限制，以此作为评价土壤重金属是否超标的指标，但超标的原因既有自然因素导致，也有人为活动，甚至是兼而有之，因此，评价结果并不关注、也不能区分超标元素是自然还是人为活动引起的结果。综上，根据不同的研究目的采用不同的标准，选择合适的评价方法。
2 废气重金属排放对土壤累积影响评价方法
工业废气是大气中重金属污染的主要来源，在开展工业项目环境影响评价时，要认真做好重金属废气污染源对土壤的累积影响预测是关键，通过准确、定量分析废气中的重金属对土壤累积贡献量的评价，为源头上防控工业污染提供第一手资料。目前，废气重金属排放对土壤累积影响多是笼统地考虑整个区域的沉积量，而考虑污染源距离对土壤重金属累积影响的较少。
2.1 废气排放对土壤重金属累积影响思路的提出
废气对周围环境的影响预测时，首先要计算出废气污染源对土壤重金属的输入量（一般以年为单位），年输入量的计算核心是确定废气污染源排放的重金属污染物在其影响的区域内分摊权重。因此，设计出计算土壤重金属输入分摊权重方法。为此，总的思路是：根据待评价区域的气象、地形地貌以及废气污染源的影响程度，划定一定污染源影响的区域，并在该区域内确定划分污染物影响浓度等值线。再结合微积分原理，当相邻的两条等值线之间的差值趋于0时，表明这两条等值线之间的区域中各点污染物濃度趋向于等值，再以污染物浓度和相邻等值线之间的面积的乘积确定重金属污染物沉积权重，并根据废气污染物排放量计算区域内重金属的年输入量。
W= K （B+R）
式中：W—为某重金属在土壤中的累积量，mg/kg；
B—区域土壤中某重金属含量背景值，mg/kg；
R—土壤中某重金属的年输入量，mg/kg
K—土壤中某重金属残留率，%
假设土壤中的某重金属残留率保持不变（取95%），那么n年后土壤中的某重金属累积量为：
Wn=BKn+EK（1-Kn）/1-K
2.2 废气排放对土壤重金属累积影响的适用条件
废气污染源的排放量保持不变，且影响在一个固定的区域内，在该固定区域内随着距污染源护理的递减，污染物浓度也是呈现出连续和递减的。受废气污染源影响的某区域内的重金属污染物理论上全部沉降在这个区域内的土壤之中，且不考虑其输出影响等。
3 结语及展望
总得来看，在环境影响评价中，废气污染源对土壤重金属的累积影响预测方法还有待进一步完善，尤其是土壤重金属沉积年输入量计算还不够成熟，污染源距离的远近会影响沉积权重的不同这一因素考虑较少，评价的准确性有待提升。而采取微积分理论，计算出不同区域土壤重金属的沉积权重，得出该区域内土壤重金属的陈计量，相对来说比较准确的预算出废气污染源对不同区域土壤重金属的累积影响。影响废气污染源对土壤重金属的累积影响因素较多，有环境因素、气象条件、生产工况等，实际累积量与预测累积量存在差异在所难免，在实际研究和应用中逐步予以完善。
参考文献
[1]徐友宁，张江华，柯海玲等.矿业活动区农田土壤重金属累积风险的评判方法——以小秦岭金矿区为例[J].地质通报，2014，33（8）：1097-1105.
[2]姚淑梅，金海量，王献平.工业废气污染源对土壤重金属累积影响计算方法的探讨[J].大众科技，2008，（4）：104.
收稿日期：2017-05-10
作者简介：朱铁才（1985-），硕士，工程师，研究方向为环境影响评价。
