珠江三角洲地区土壤重金属在酸雨作用下的渗滤研究—实验与数学模型

Soil heavy metal pollution is one of the most severe enviromental problems in the Pearl River Delta (PRD),which is one of the regions that are most severely impacted by acid rain in the world, with frequent occurrence of acid rain in vast areas. Characterizing the geochemical behavior of soil heavy metals under the impact of acid rain is critical for assessing the relevant environmental and ecological risks. Based on the monitoring of the soil heavy metal contents and acid rains in the PRD region, we plan to systematically investigate the release and transport of heavy metals from representative soils under the impact of acid rain, using a combination of experimental and modeling tools. Artificial acid rains with different pH, intensity and duration will be used to interact with the soil samples in batch and column leaching experiments. The dynamic characteristics of heavy metal releases will be examined and the main factors controlling the leaching and transport of metal ions in soil environmental impacted by acid rain will be identified. Based on elucidation of the metal leaching and transport mechanisms, a mechanistic mathematical model, which considers the interactions of heavy metals with the major soil components and the proton introduced by the acid rain, will be developed. This model will be used to evaulate the experimental data and to predict the release and transport of heavy metals from the soil impacted by acid rain. Furthermore, the fluxes of heavy metals mobilized by acid rain from the soils in the entire PRD region under various acid rain scenarios will be simulated to estimate the contribution of heavy metal pollution in the region by acid rain and the associated ecological risks. Results from this project is expected to provide a theoretical basis for evulauting the contribution of acid rain to heavy metal pollution in the PRD region, which can help improving the eco-environmental protection in the region.

土壤重金属污染是珠三角地区主要的生态环境问题之一。珠三角地区酸雨影响范围广、发生频率高，对土壤重金属的释放与迁移具有重要影响。土壤重金属在酸雨作用下的渗滤过程与机制研究是认识土壤重金属环境地球化学行为特征的关键，也是评估其可能带来的环境和生态风险的重要依据。本项目拟采用模拟实验和数学模型相结合的方法，系统研究典型土壤中重金属在酸雨作用下的释放与迁移规律。选择典型土壤，模拟不同pH值与降雨特征的酸雨对土壤重金属的浸出和淋溶效应，测定重金属的渗出量随时间的动态变化规律，探讨控制土壤重金属释放和迁移行为的主导因素；解析重金属释放和迁移的微观机制，建立数学模型模拟重金属离子与土壤成分、酸雨输入氢离子之间的耦合作用及机制，定量描述土壤重金属在酸雨作用下的释放和迁移；估算珠三角地区土壤重金属在不同酸雨情景下的释放通量，预测和评估酸雨对重金属污染的贡献及生态风险，为区域生态环境保护提供可靠理论依据。

由于迅速的城市化与工业化过程，土壤重金属污染是珠三角地区主要的生态环境问题之一。此外，珠三角地区酸雨影响范围广、发生频率高，加速了土壤重金属向周边环境的释放。本次研究综合运用地理信息技术和BCR分级提取等手段，研究了珠三角地区重金属的赋存状态及其空间分布特征，并评估了其潜在生态风险。结果表明：珠三角地区潜在生态风险指数最高的地区为肇庆周边地区和珠三角中心地区，土壤重金属污染潜在生态风险最大的元素是镉。珠三角地区的重金属污染及其潜在生态风险与人类活动密切相关。本次研究建立了条件推断树和有限混合单元模型相耦合的方法，定量解析了人类活动对珠三角地区土壤重金属的贡献。结果表明：重金属镉、铅、铜、锌受人为影响显著，而砷、铬、镍、汞则主要来源于自然源。结合BCR方法与空间分析技术，利用数据挖掘方法，我们进一步证实了人类活动贡献的重金属含量主要以活动态或可活动态的形式存在，而自然源贡献的重金属含量则以残渣态为主。此外，本次研究选择珠三角地区的典型土壤，模拟不同pH 值与降雨特征的酸雨对土壤重金属的淋溶浸出效应，测定重金属的渗出量随时间的动态变化规律；结合实验结果与模型模拟，解析重金属释放和迁移的微观机制，定量描述土壤重金属在酸雨作用下的释放和迁移。实验结果表明，酸性介质可大幅提升土壤中重金属的溶出总量，可达几倍至几十倍。土壤中重金属元素的活化溶出机制并不是简单的加速重金属污染物的溶解与迁移过程，还包括了改变土壤中重金属的赋存形态，溶解土壤中重金属氢氧化物、氧化物，破坏土壤胶体等综合作用。当淋溶液为酸性时，双常数模型或Elovich方程能够较好的拟合重金属的渗出过程；而当淋溶液接近中性时，除了砷与镉之外，伪零级或伪一级反应式的拟合效果更好。在地理信息系统与模型模拟的辅助下，计算了珠三角不同酸雨情景下重金属的流失量。本次研究为定量评价人为污染对珠三角地区土壤重金属污染的贡献提供了技术支持，识别了土壤中重金属在酸雨作用下流失的规律，为制定土壤重金属污染防治措施提供了理论依据。