梁向鋒，楊新

(1.河南江河環(huán)境科技有限公司，鄭州 450004；2.河南鑫磊集團(tuán)控股有限公司，河南 安陽(yáng) 455141)

大氣中重金屬污染的來(lái)源主要有化石燃料的燃燒、交通尾氣的排放以及冶金化工等行業(yè)工業(yè)廢氣的排放，這些污染物在環(huán)境中穩(wěn)定，毒性大，且容易在食物鏈中富集，已經(jīng)成為威脅人類(lèi)健康的重大問(wèn)題[1]。大氣可攜帶大量重金屬隨沉降作用進(jìn)入土壤，其對(duì)土壤重金屬累積貢獻(xiàn)率在各種外源輸入因子中排在首位。工業(yè)廢氣中的重金屬元素主要是通過(guò)大氣沉降進(jìn)入土壤環(huán)境，是土壤重金屬污染的主要途徑之一[2-3]。鋼鐵企業(yè)周邊，顆粒物的沉降是土壤重金屬的最主要來(lái)源。鋼鐵企業(yè)廢氣除塵處理后，殘留在廢氣中的重金屬主要以可溶態(tài)、碳酸鹽態(tài)、可氧化態(tài)存在。

在鋼鐵廠和燃煤電廠周?chē)髿忏~的點(diǎn)源污染非常嚴(yán)重，如加拿大安大略地區(qū)熔煉廠3km內(nèi)的土壤銅含量濃度水平較50km處的土壤銅高100倍[4]。2016年土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施將土壤環(huán)境保護(hù)提到了新的高度?！董h(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 土壤環(huán)境(試行)》(HJ964—2018)給出了土壤大氣沉降的預(yù)測(cè)方法，同時(shí)指出，重金屬輸入量的計(jì)算方法依據(jù)大氣導(dǎo)則確定。

目前鋼鐵行業(yè)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中，少見(jiàn)有將重金屬作為評(píng)價(jià)因子。筆者以某鋼鐵企業(yè)為例，利用AERMOD模型計(jì)算鋼鐵企業(yè)顆粒物中含有的重金屬鉛(Pb)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鋅(Zn)對(duì)土壤累積的影響，疊加土壤背景值后與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，研究鋼鐵行業(yè)顆粒物沉降對(duì)土壤重金屬的影響。以期為同類(lèi)項(xiàng)目的土壤環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作提供借鑒參考。

1 AERMOD模型介紹

1.1 模型特點(diǎn)

AERMOD模型由美國(guó)國(guó)家環(huán)保局聯(lián)合美國(guó)氣象學(xué)會(huì)共同開(kāi)發(fā)，該模型系統(tǒng)包括大氣擴(kuò)散模型、氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理、地形數(shù)據(jù)預(yù)處理3部分，是一個(gè)穩(wěn)態(tài)煙羽擴(kuò)散模式，可模擬點(diǎn)源、面源、體源等排放出的大氣污染物在小時(shí)平均、日平均、長(zhǎng)期濃度分布，適用于農(nóng)村或城市地區(qū)，簡(jiǎn)單或復(fù)雜地形。模式使用每小時(shí)連續(xù)預(yù)處理氣象數(shù)據(jù)模擬大于等于1h平均時(shí)間的濃度分布，適用于評(píng)價(jià)范圍小于等于50km的評(píng)價(jià)項(xiàng)目。

1.2 模型數(shù)據(jù)輸入

1)氣象參數(shù)。實(shí)例分析中采用A市2017年全年逐日4次地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、溫度、相對(duì)濕度、總云量和低云量。該氣象站與某鋼鐵廠排氣筒的直線距離約為8km，可較好地反映所在地的低空氣象參數(shù)；所需高空氣象數(shù)據(jù)由中尺度氣象模式MM5模擬生成。

2)地形參數(shù)。模型采用的地形參數(shù)來(lái)源于網(wǎng)站下載的中國(guó)90m精度的strm格式地形文件。

3)污染源參數(shù)。污染源數(shù)據(jù)采用A某鋼鐵廠產(chǎn)能進(jìn)行核算，該企業(yè)位于A市西部，成立于2003年，至2018年對(duì)其下風(fēng)向村莊進(jìn)行土壤監(jiān)測(cè)期間已連續(xù)運(yùn)行15年。該企業(yè)年產(chǎn)燒結(jié)礦133萬(wàn)t/a、鐵85萬(wàn)t/a、鋼96萬(wàn)t/a，顆粒物及重金屬排放情況見(jiàn)表1。表1中重金屬鉛、銅的排放速率根據(jù)趙浩寧[5]的研究進(jìn)行核算，研究中沒(méi)有列出的按照同一工序中的最低值進(jìn)行計(jì)算。

1.3 顆粒物在大氣中擴(kuò)散和遷移特性參數(shù)的確定

顆粒物在大氣中擴(kuò)散和遷移規(guī)律研究表明，顆粒物粒徑分布對(duì)其在大氣中的擴(kuò)散和遷移規(guī)律影響較大。本研究對(duì)顆粒物的粒徑分布系數(shù)根據(jù)趙浩寧[5]、劉道清[6]的研究確定。

1.4 預(yù)測(cè)模式

大氣沉降分為干、濕沉降兩種形式。干沉降是指無(wú)降水條件下,空氣中的污染物通過(guò)湍流輸送和重力作用向地面沉降的過(guò)程。影響干沉降過(guò)程的因素主要分為氣象要素和污染物本身在大氣中的濃度水平。干沉降作用時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣,是干燥天氣期間和干旱半干旱地區(qū)氣溶膠的主要去除機(jī)理。濕沉降是指降雨、下雪使顆粒物沉降到地面的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，大氣顆粒物沉降量干沉降為10%～20%，濕沉降為80～90%[7]。由于該企業(yè)顆粒物采用袋式除塵器，粒度較細(xì)，受重力作用沉降的顆粒物較少，絕大部分顆粒物沉降以濕沉降為主，因此,本次計(jì)算以干沉降占10%，濕沉降占90計(jì)。

1.5 土壤重金屬預(yù)測(cè)

《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 土壤環(huán)境(試行)》(HJ964—2018)附錄E單位質(zhì)量土壤中某種物質(zhì)的增量：

△S=n(Is-Ls-Rs)/(ρb×A×D)

(1)

式中：△S為單位質(zhì)量表層土壤中某種物質(zhì)的增量，g/kg；Is為預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)范圍內(nèi)單位年份表層土壤中某種物質(zhì)的輸入量，g；Ls為預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)范圍內(nèi)單位年份表層土壤中某種物質(zhì)經(jīng)淋溶排出的量，g；Rs為預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)范圍內(nèi)單位年份表層土壤中某種物質(zhì)經(jīng)徑流排出的量，g；ρb為表層土壤容重，kg/m3(取1 250)；A為預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)范圍，m2，(1 900 000)；D為表層土壤深度，一般取0.2m；n為持續(xù)年份，15a。

同時(shí)，導(dǎo)則中還說(shuō)明涉及大氣沉降影響的，可不考慮輸出量。因此，式(1)可以變形為：

△S=n×Is/(ρb×A×D)

(2)

單位質(zhì)量土壤中某種物質(zhì)的預(yù)測(cè)值可根據(jù)其增量疊加現(xiàn)狀值進(jìn)行計(jì)算：

S=Sb+△S

(3)

式中：Sb為單位質(zhì)量土壤中某種物質(zhì)的現(xiàn)狀值，g/kg；S為單位質(zhì)量土壤中某種物質(zhì)的預(yù)測(cè)值，g/kg。

2 結(jié)果與討論

距離該鋼鐵企業(yè)最近的敏感點(diǎn)有3個(gè)：A位廠區(qū)西側(cè)，距離廠界100m；B位于廠區(qū)東南側(cè)，距離廠界500m；C位于廠區(qū)北側(cè)，距離800m。2018年對(duì)3個(gè)敏感點(diǎn)的土壤重金屬含量進(jìn)行了檢測(cè)。用上述方法預(yù)測(cè)了ABC3個(gè)敏感點(diǎn)的重金屬沉降量，并疊加背景值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較分析，具體見(jiàn)表3。土壤重金屬背景值參考李樹(shù)斌等[8]1985—1986年對(duì)安陽(yáng)市西南郊土壤重金屬的研究成果。

由表3可知，用各污染物敏感點(diǎn)沉降量預(yù)測(cè)土壤重金屬，得出的結(jié)果均較實(shí)測(cè)值偏低。各重金屬網(wǎng)格最大沉降量預(yù)測(cè)結(jié)果，與背景值疊加后的結(jié)果均較敏感點(diǎn)更接近實(shí)測(cè)值。

3 結(jié)論

利用AERMPOD模型的大氣沉降模式預(yù)測(cè)了某鋼鐵公司運(yùn)行15年后周邊3個(gè)敏感點(diǎn)土壤重金屬的疊加影響，結(jié)果表明，對(duì)預(yù)測(cè)點(diǎn)的沉降通量預(yù)測(cè)結(jié)果偏低，用評(píng)價(jià)區(qū)域網(wǎng)格最大值較為接近實(shí)測(cè)值?；诃h(huán)境影響評(píng)價(jià)應(yīng)考慮最不利因素，本文推薦在利用AERMOD進(jìn)行大氣沉降土壤重金屬預(yù)測(cè)時(shí)，采用網(wǎng)格最大值。

由于采樣數(shù)據(jù)較少，本研究用一個(gè)實(shí)例進(jìn)行模擬和實(shí)測(cè)值比較，比較結(jié)果是否準(zhǔn)確和具有普適性還有待進(jìn)一步研究。

表3 各預(yù)測(cè)點(diǎn)土壤顆粒物沉預(yù)測(cè)值