城市土壤重金属与多环芳烃累积过程模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 彭驰 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2013-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 陈卫平 |
| 关键词 | 城市化 重金属 多环芳烃 土壤污染 空间模型 urbanization heavy metals polycyclic aromatic hydrocarbons soil pollution spatial model |
| 其他题名 | Modeling heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons accumulation in urban soils |
| 学位专业 | 生态学 |
| 中文摘要 | 重金属和多环芳烃是城市区域中最典型的两类持久性有毒污染物，普遍存在于城市大气、水体和土壤环境中。重金属和多环芳烃会吸附到土壤颗粒中并在土壤中存留很长时间。不同于易变的大气和水体环境，土壤污染可以反映区域中长期的污染水平，是研究持久性污染物来源、归趋和风险的关键切入点。此外土壤重金属和多环芳烃对城市居民与动植物健康都有潜在威胁。本研究对重金属和多环芳烃在城市土壤中累积的驱动因子、影响因子、及其与城市化过程的相互关系做了系统性研究，基于其累积规律开发了适用于城市化区域的土壤重金属和多环芳烃污染过程回溯模型、单元随机模型以及空间模型，最后使用模型预测了北京市土壤重金属和多环芳烃的累积风险，主要研究结果如下： (1) 基于北京市城区-城郊-农村区域土壤重金属和多环芳烃的采样分析，使用多元统计学和地统计学方法分析了城市土壤重金属和多环芳烃的空间累积特征，揭示了关键影响因子与驱动因子。工业区分布和工业污染是影响重金属和多环芳烃排放与累积最重要的因素。土壤暴露在城市环境的时间长短决定着土壤污染物浓度的高低。土地利用类型可以影响到土壤距离污染源的距离、源的类型、地区人口密度和土壤扰动强度等等因素，因此也影响着土壤污染物的浓度。植物覆盖类型对污染物累积的影响十分显著，有乔木覆盖的土壤中重金属和多环芳烃浓度较高。林灌草和林地比草地更容易拦截空气中污染物，并使之进入土壤。因子分析结果表明在北京城区中，59%的土壤重金属和多环芳烃浓度升高可以被均匀的背景沉降所解释。另外15.3%的重金属和多环芳烃输入具有空间变异性，比如室内挥发、灌溉、施肥和垃圾处理等，这些输入的强度与人口密度和公路密度高度相关。风险评价结果表明北京城区土壤As 和多环芳烃具有较低的致癌风险，风险值会随着城市化程度和累积时间增加而增加。 (2) 基于质量平衡原理建立了土壤污染过程回溯模型，用于反演城市土壤重金属和多环芳烃的累积历史。通过空间数据替换时间数据的方法，使用68 个具有不同建筑历史的居民区绿地土壤中重金属和多环芳烃含量数据代替长期原位土壤的监测数据，基于回溯模型重现了北京市土壤重金属和多环芳烃的历史累积过程。从结果可知随着城市工业和能源结构的改变、能源消耗总量和能源使用效率的提高，挥发性、半挥发性和低挥发的多环芳烃占多环芳烃总量的比例也随之改变，更高的能源利用效率会排放更大比例的低环多环芳烃。此外Cd、Pb、Cu 和Zn 在土壤中的累积过程与北京市常驻人口、机动车保有量、能源消耗总量和GDP 增长趋势类似。如果保持当前的城市化速度，北京市区土壤重金属浓度将会在70 年内增加2 到3 倍。 (3) 基于污染物在土壤中累积的质量平衡过程、蒙特卡罗方法、微分迭代法和地理信息系统(GIS)开发了可以用于预测城市区域土壤重金属和持久性有机污染累积过程的单元随机模型及空间模型，并以北京城区土壤为研究对象进行了应用。结果表明：Cd、PHE 和BaP 在土壤中的累积量主要取决于其输入通量大小、累积时间以及污染物本身的物理化学性质。Cd 在城市土壤中的累积速率主要决定于大气沉降通量，如果未来北京市Cd 的沉降通量逐年降低2%，则可以保证土壤Cd 浓度100 年内不超过国家一级安全标准。城市土壤PHE 主要来源于大气沉降，其从土壤中衰减主要途径为降解、挥发和淋溶。而土壤BaP 经由灌溉和大气沉降途径输入的量相似，主要的衰减途径为降解。城市土壤PHE和BaP 分别需要30 年和80 年的累积才能达到其浓度平衡点。当前条件下，北京市土壤PHE 浓度超过140 ng g-1，BaP 超过35 ng g-1 水平的几率低于10%。空间模拟结果表明移除工业和灌溉点源后，北京市外围高污染区中的土壤PHE浓度开始减少。而城市中心区域高浓度的土壤PHE 主要来自于面源沉降，其浓 度依旧缓慢增加，只有降低人口密度才可能降低城市中心的多环芳烃污染水平。通过模拟结果与土壤实测结果的对比可知，单元模型能够较准确地预测土壤重金属和多环芳的累积趋势，也可以用于分析其累积过程的主控因素；随机模拟可以进一步获取城市区域土壤污染物随时间变化的浓度累积频率，可判断污染物超过国家安全标准阈值的概率；空间模型可以获得可视化的污染物累积过程时空动态变化结果，可以判断污染优先控制区域，可以用于预测城市长期的污染防治方案效果。 研究结果表明，在土壤质量调查与统计分析的基础上，使用土壤污染物累积过程回溯模型、单元随机模型与空间模型可以进一步分析城市化过程与污染物排放、累积的关系。可以预测不同城市发展模式下，土壤污染物的累积风险。对于城市点源与面源污染防治都具有重要的指导意义与应用价值。 |
| 公开日期 | 2014-08-28 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/7649]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_城市与区域生态国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 彭驰. 城市土壤重金属与多环芳烃累积过程模拟[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2013. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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