地表層土壤重金屬污染傳播模型

摘 要：本文在獲取地表層土壤的主要重金屬污染元素分布數據的前提下，根據實際土壤中重金屬元素的傳播特性及影響因素，建立了傳播特性微分方程模型，以此可進一步確定污染源位置并進行污染預警。

關鍵詞：重金屬；插值；污染源；微分方程

隨著城市經濟的快速發展，人類工業活動中產生的重金屬污染對城市環境質量的影響日顯突出。因此，研究人類活動影響下城市地質環境的演變模式，日益成為人們關注的焦點。本文以某城市地表層土壤的八種主要重金屬元素的分布數據為基礎，根據實際土壤中重金屬元素的傳播影響因素，建立傳播特性微分方程模型，以確定污染源及對可能污染區域進行預警。

為了分析重金屬污染物的傳播特征，確定污染源的位置，首先分析在土壤中重金屬污染物的傳播方式，繼而分析影響傳播的因素。

重金屬污染物的傳播方式主要有自然傳播和人類活動影響傳播兩方面，自然傳播主要指通過土壤中泥沙顆粒的擴散來實現，人類活動影響主要來自大氣的沉降、水體的污染、固體廢物的堆放以及礦產資源的開發和冶煉等。

大氣的沉降：能源、運輸、冶金、建筑等工業，汽車尾氣的排放及輪胎的磨損，化石能源的燃燒產生的氣體和粉塵含有大量重金屬，這些元素最終通過自然沉降和雨淋沉降融入土壤。經查閱資料，煤所含的Cr、Pb、Hg等金屬和石油所含的Hg等元素，其燃燒時產生的污染物10～30%沉降在排放源十幾公里的范圍內。大氣沉降所帶來的污染與城市的人口密集度，工業發達程度，交通的便利程度有直接的關系，離污染源越近污染程度就越高。

水體的污染：水體的污染主要來源于未經處理的生活污水、石油化工污水，工業廢水、污水灌溉以及滲水坑處理污水的方式。各種污水都不同程度的含有重金屬等污染物質，例如，被鉛鋅礦廢水污染的農田土壤中含鎘高達10～136mg/kg。

固體廢物的堆放：固體廢物主要包括工業固體、化工原料、礦產業、城市垃圾等廢棄物，其種類繁多，成分復雜，不同種類其危害方式和污染程度不同，其中礦業和有毒的工業固體廢棄物污染最為嚴重。其污染范圍一般以廢棄堆為中心向四周擴散。有一些固體廢棄物被直接或通過加工作為肥料施入土壤，對土壤造成更為嚴重的污染，并且通過土壤污染地下水，將污染物流向其他地方。

礦產資源的開發和冶煉：金屬礦山的開采、冶煉、重金屬尾礦、冶煉廢渣和礦渣堆放等，可以被酸溶出含重金屬離子的礦山酸性廢水，隨著礦山排水和降雨使之帶入水環境（如河流等）或直接進入土壤，都可以間接或直接地造成土壤重金屬污染，其污染特性是隨著污染源距離延長而逐漸降低。

由于土壤中重金屬元素的擴散傳播是最基本的的傳播方式，所以在本文分析中主要考慮土壤中擴散因素。

以某城市地表層土壤的八種主要重金屬元素的實測分布數據，利用不規則數據的二元函數插值可以繪制出八種重金屬元素在研究區內的二維空間分布圖，得出每種重金屬污染元素的污染程度，同時得到濃度最高值點。但由于土壤對重金屬元素的擴散傳播特性及土壤表層植被和微生物的降解能力，結合實際地況的影響，可能導致污染源所在點的污染濃度積累值在一定區域范圍內不是最大值，例如圖1所示，若兩個污染源點處于鞍形地形的峰值點，如圖1中A、B點處，則受地理環境的影響，土壤顆粒及土壤中的水分受重力影響經一定時間的積累后，會攜帶重金屬元素向海拔低處遷移，致使鞍點處最終可能達到此地理區域內的濃度最大值，如圖中C點處。即經過理論分析得到污染濃度最大值點不一定是污染源點。

結論：由于重金屬元素污染濃度是隨時間變化的值，根據污染源點的特性可分析得污染濃度隨時間變化量最大處即為污染源點。下面對重金屬污染傳播特性建立微分方程模型。

1 條件假設

4 改進模型

式1所示模型的缺點是模型分析過于簡單，受已知數據的限制，模型中僅考慮了土壤中重金屬元素的擴散傳播，沒有考慮以下方面：生物、植被的影響；土壤性質差異對傳播特性的影響；土壤中水流量的影響；各類區域間的地理位置關系；采樣點的采樣誤差等。在模型的求解時，還將擴散系數視為等值。使得求解值與實際值有一定誤差。

為優化模型，需要收集以下信息：

（1）第i種重金屬元素在第j個采樣點的土壤顆粒性質差異對傳播特性的影響因數Kij

（2）各類區域間的地理位置關系影響因子Kr

（3）土壤水流量影響因子Kv

作者簡介

魏西媛（1979-），女，講師，碩士，西安外事學院工學院。