污染土壤的生态风险评估标准、方法和模型.pdf
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1、第2 9卷第 5 期 2 0 0年】0月 四 川 环 境 S I C HUAN E NV I RONMENT Vo 1 2 9。No 5 Oc t o b e r 2 0i 0 生态环境 污染土壤 的生态风 险评估标准、方法和模型 谭婷,张秋劲,傅尧信(1 四川省环境保护科学研究院,成都6 1 0 0 4 1;2 四川省环境监测中心站,成都6 1 0 0 4 1)摘要:本文介绍了生态风险评估的定义,国外在污染土壤生态风险评估领域的相关土壤标准、标准设置情况及其内 容,生态风险评估的方法和步骤,土壤 一有机污染物变化及迁移暴露模型、农药根 区模型、土壤模型、土壤迁移及 变 化数据库和模型管理系统
2、、农药径流对地表水的污染模型、多介质污染物变化、迁移和暴露模型等计算机模型及其理 论基础。尤其是美国环保署在这一领域的系列工作及其思路,为国内在这方面的工作和研究提供一些参考。关键词:污染土壤;生态风险评估;标准;方法;模型 中图分类号:X 7 0 3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1 3 6 4 4(2 0 1 0)0 5-0 0 2 4-0 6 S t a n d a r d,M e t h o d o l o g y a n d M o d e l o f E c o l o g i c a l Ri s k As s e s s me n t o n Co n t a mi n
3、 a t e d S o i l T A N T i n g ,Z H A N G Q i u-j i n ,F U Y a o x i n (1 S i c h u a n A c a d e m y o fE n v i r o n me n t a l S c i e n c e s,C h e n g d u 6 1 0 0 4 1,C h i n a:2 S i c h u a n P r o v i n c i a l E n v i r o n me n t a l Mo n i t o r i n g C e n t e r,C h e n g d u 6 1 0 0 4 1,
4、C h i n a)Abs t r ac t:T h e a r t i c l e d i s c u s s e s t h e d e fi n i t i o n o f e c o l o g i c a l r i s k a s s e s s me n t a s w e l lI S c o n c e r n e d a b r o a d k n o wl e d g e s u c h a s r e l a t e d s t a n d a r d s,s t a n d a r d s e t t i n g a n d c o n t e n t,me t h
5、o d o l o g y a n d s t e p o f e c o l o g i c a l r i s k a s s e s s me n t,c o mp u t e r mo d e l s o f E ms o fl m o d e l,P R Z M 3 m o d e l,S o i l mo d e l,S T F m ode l,S o i l F u g m o d e l,MMS O I L S mo d e l a n d t h e i r t h e o r e t i c al b a s i s o f t h e e c o l o gi c a l
6、 ri s k a s s e s s me n t o n c o n t a mi n a t e d s o i l E s p e c i a l l y a s e r i e s o f w o r k a n d i d e a s i n t h i s fi e l d b y U S E n v i r o n me n t a l P r o t e c t i o n A g e n c y Th e s e w i ll p r o v i d e a r e a c t a n c e f o r d o me s t i c w o r k a n d r e s
7、 e a r c h Ke y wo r ds:S o i l c o n t am i n a t i o n;eco l o g i c al ri s k ass e s s me n t;s t and a r d;me t h o d o l o gy;mo d e l 所谓生态风险评估,根据美国环保署的定义,是对因暴露于单一或多个污染因子而可能出现或已 经出现的有害生态影响的可能性进行评估的过程。生态风险评估涉及多个学科领域,如环境毒理学、生态学、环境化学,以 及其他科学领域和数学等。生 态影响可以通过对生物组成系统的一个或多个层级在 结构和功能方面的改变进行定性或定量的评价。近年
8、 来,国外一些机构出于管理等方面的需要,制定和开 发了污染土壤生态风险和影响评价的相关标准、方法 和评价模型,由于国内目前还未在污染土壤生态风险 评估的标准和方法及模型等方面形成系统的工具,本 文就目 前国外一些权威机构推出,并得到广泛认可的 收稿日期:2 0 1 0-0 4-2 8 作者简介:谭婷(1 9 7 6 一),女,四川冕宁县人。2 0 0 4 年毕业于四川 农业大学土壤学专业,硕士,工程师。研究方向为土壤 污染与防治。相关标准、方法和模型作简要介绍。1 国外污染土壤 的生态风险评估标准 目前,被国际上普遍认可的污染土壤生态风险 评估标准主要有 4个:一是美国环保署制定的生态 土壤筛
9、选值;二是美国能源部橡树岭实验室制 定的土壤生态受体毒性基准;三是美 国俄勒 岗 州生态风险评估筛选值【3 ;四是荷 兰土壤环境标 准(干预值)。1 1 美国环保署制定的生态土壤筛选值(E c o S S L s J 美国环保署在 2 0 0 0年发布了生态土壤筛选值。按照美国环保署的定义,所谓生态土壤筛选值就是 保护那些与土壤接触、或以生活在土壤中及土壤之 上的生物为食物的生物受体的土壤污染物浓度值。目前公布的生态土壤筛选值,包括 4个生物受 体:植物、土壤无脊椎动物、鸟类 和哺乳类野生动 5期 谭婷等:污染土壤的生态风险评估标 准、方法和模型 2 5 物。在美国环保署最初 的计划 中,生物
10、受体还包括 两栖及爬行类动物,共 6个生物受体,但因为两栖 及爬行类动物的基础数据资料不足而无法得出其生 态土壤筛选值。表 1 列 出美国环保署在 2 0 0 0年发 布的生态土壤筛选值。表 1 生态土壤筛选值 T a b 1 E c do ge al s o i l s c r e e n i n g l e v e l s (mg k g)1 2 美国能源部橡树岭实验室(O R N L)制定的 土壤生态受体毒性基准 近年来,美国能源部橡树岭实验室就污染土壤 的评估等相关 问题作了大量基础性工作,得到了国 际学术界的普遍认可。表2 将其制定的土壤生态受 体毒性基准列出。表 2 土壤重金属 毒
11、性 基准浓度 Ta b 2 Be n c hma r k c o n c e n t r a t i o n s f o r t h e p h y t o t o x i c i t y o f h e a v y m e t a l i n s o i l (m g k g)1 3 美国俄勒岗州生态风险评估筛选值 美 国俄勒岗州发布的生态风险评估筛选值,共 包括 2 0 0多种污染物,是 目前涉及污染物种类最多 的生态风险评估标准,一些不太常见的稀有金属和 有机物也包括其中。表 3列出该标准中部分污染物 的生态风险评估筛选值。表3 美国俄勒岗州的重金属生态风险评估筛选值 T a b 3 S
12、 c e mn g v al u e s f o r e c d o c al ri s k a s s e s s m e n t o f h e a v y m e t als i n O r e g o n (m g k g)1 4 荷兰土壤环境标准(干预值)荷兰土壤环境标准由目标值和干预值两部分组 成,目 标值其实就是荷兰土壤的背景值,而干预值 是需采取修复等干预行动的标准。荷兰在制定干预 值时的要求是干预值能保护与土壤相关的5 0 的 物种和 5 0 的生物过程。所 以荷兰土壤环境标准 中的干预值被认为可用于污染土壤生态风 险评估。表 4列 出荷兰土壤环境标准中的部分干预值。表 4
13、荷兰土壤环境标 准中的部分干预值 Ta b 4 Pa r t o f t h e v a l u e o f i nt e r v e n t i o n i n D u t c h s o i l e n v i r o n me n t al s t a n d a r d (m g k g)四 川 环 境 2 9卷 2 污染土壤生态风险评估方法 生态风险评估包括 3个主要阶段,即问题的提 出、问题分析和风险描述,评估技术路线见下图。在问题提出阶段,需选择评估终点并对最终目 标作出评价,制定概念模型和分析计划;在分析阶 段,需评估对污染 因子的暴露,以及污染水平和生 态影响之间的关系;第三
14、阶段,需通过对污染暴露 和污染一 响应情况的综合评估来估计风险,通过讨 论一系列证据来描述风险,确定生态危害性,然后 编写生态风险评估报告。分析问题 阶段包括两个内 容,暴露水平描述和生态影响描述,暴露水平描述 揭示了污染物的来源及其在环境中的分布和它们与 生物受体的联系。美国环保署对污染土壤的生态风险评估过程,提出了一个八步法过程 J,其 主要 步骤及 内容如 下。2 1 提出问题和生态影响评估 提出问题包括:现场调查环境条件和污染 物,污染物的变化和迁移,生态毒性和潜在受体,所有 暴露途径,评价终点和测定终点。l 接受任务l 工 州 趟 俐 怨 王 忿 髟 咐 帕 硷I l达 成 共 识。
15、制 定 计 划 I I J r 工 I 场 地 历 史 资 料 收 集 现场调查l l 生 态 问 题 提 出I J 生 态 影 响 评 价l 暴露评估和风险计算 基础风险评估问题的提出 1 工 二 I 生 态 毒 性 文 献 评 估 暴 露 途 径 描 述l l:评 价 终 点 和 概 念 模 型I I 风 险 问 题 描 述 评估终点和研究设计 制定工作、取样 和分析计划 验证现场取样设计 现场勘察及数据分析 风险特征描述 风 险 管 理 修 复 措 施 图 污染土壤生态风险评估技术路线 F i g T e c h n o l o g i c a l r o u t e c h a r t
16、 o f e c o l o g i c a l r i s k a s s e s s me n t o n c o n t a mi n a t e d s o i l 生态影响评估包括:重要毒性数据,剂量换 算,不确定性评价。2 2 暴露估计和风险计算 包括:暴 露参数(如动物的活动范围、生物 可利用率、生命 阶段,体重和食物摄人量、食物组 成等)的确定,不确定性分析;风险计算包括:损害商(H Q)的计算,计算 公式如下:=或 邯=E E 丽 C 式 中:H Q 为损 害 商;D 为 污 染 物 摄取 量(如:毫克污染物 公斤 体 重 日);E E C为污染 5期 谭婷等:污染土壤的生态
17、风险评估标准、方法和模型 2 7 物浓度;N O A E L为无 有害影 响值。当损害商低于 1时表 明不可能引起有害生态影响;当同时出现多 个污染物时,需用损害商之和即有害指数。当有害 指数低于 1时,表明这组污染物不可能引起有害生 态影响,但损害商和有害指数低于 1并不表明不存 在生态影响,而应按照计算值的大小和影响的程度 进行解释。以上计算的 目的仅在于作出一个保守的估计,以保证一些潜在的生态威胁不被忽略。2 3 基础风险评估问题的提出 包括:确定与生态相关 的污染物;进一步表征 污染物的生态影响;对有关污染物变化和迁移、暴 露途径、有潜在风险的生态系统的信息进行评估和提 炼;选择评价终
18、点;对假定问题作个概念性模型。在第三步中确定了 目标,范围和基础生态风险 评估的重点,也确定了评价终点,或受保护的特定 的生态价值。2 4 研究设计和数据质量目标过程 该步中要确定量度终点(所谓量 度终点就是 指诸如死亡率、繁殖和生长等),考虑物种、群落 和栖息地,完成在第三步中开始 的概念性模型,做 研究设计和确立数据质量 目标,制定采样和分析计 划以明确风险模型参数。2 5 采样计划的现场验证 采样计划的现场验证对保证数据质量 目标极其 重要。此阶段需对过去获得的信息进行核对,检查 采样的可行性,初步采样即可确定是否存在 目标物 种;核对选择的评价终点、假设、暴露途径模型、度量终点及 在第
19、 三和第 四步中的研究设计 是否适 合、是否可执行。2 6 现 场调 查和分 析 现场调查收集的信息将用于表征暴露和生态影 响。现场调查包括现场采样和实施生态风险评价所 需的各种调查。2 7 风 险表征 风险表征是风险评价过程的最后阶段,它包括 两个主要部分:即风险估计和风险描述。风险估计 中有暴露 一 影响情况和相关不确定性汇总;风险描 述提供解释风险后果的信息,确定对评价终点产生 有害影响的阈值。2 8 风险管理 风险管理和风险评价是完全不同的过程。风险 评价是确定风险是否存在、风险的等级和范围,而 风险管理是综合考虑 了风险评价的结果后作出的风 险管理决策。3 污染土壤生态风险评估的相关
20、模型 与污染土壤生态风险评估相关的模型,数量和 形式都 比较多,很多机构乃至个人从不同的角度出 发,推 出了各种评估模型。但 目前国际上在污染土 壤风险评估 中被广泛认可和接受 的主要有 以下几 个。3 1 土壤 一有机 污染物 变化及 迁移 暴露模 型(E m s o f t 模型)该模型由美国国家环境评价 中心开发,主要适 用于挥发 性有 机污染 物对 土 壤的 污染,可 用 于:(1)确定 土 壤 中污染 物在 给定 时 间 内的残 留量(土壤初始浓度 已知);(2)量化污染物进人大气 的质量流(转移速率)随时间的变化;(3)通过 将质量流值输入到大气扩散模型中计算出空气 中污 染物浓度
21、。也可以用来计算在某时段指定土壤深度 的化学污染物平均浓度。该模型的主要理论基础为以下方程:0 Cr+誓+:0 上式中:C 为每单位体积土壤的溶质质量;J 为单位时间内每单位土壤面积的溶质质量流;为 降解速率;t 为时间;Z 为土壤深度。上式 中的 J 可用以下方程表示:C a C J s:一DG 一D L +J CL 式中:D。为土壤 一 气体扩散系数;D 为土壤 一液体扩散 系数;C。为污染 物在气相 中的浓度;C。为污染物在液相中的浓度;J 为水通量。3 2 农药根 区模型 7 1(P R Z M 3模型)该模型 由美国环保署下属的暴露评价模拟中心 开发,从 1 9 9 2年发布第一版
22、至 2 0 0 6年发 布第八 版,其间对模型作了不断的补充,修改和完善。它 包含两个模型,即 P R Z M和 V A D O V I 。P R Z M为一 维有限差分模型,它主要模拟农药在作物根区和土 壤表层以下非饱和区的变化。该模型可以同时模拟 多个农药,以及农药与其降解产物的关系,估计农 药在各种介质 中的浓度 和通量 以用 于暴露评 价。P R Z M可模拟土壤温度、农药挥发、土壤中气相农 药的传输以及模拟灌溉、微生物转化和进行特定算 法以消除数值弥散。而 V A D O F T模型全称为“渗 流区流动 和迁移 模型”,该模 型为 一维有 限元 程 序,用于解非饱和区流动的理查德方程
23、。使用时通 过压力、水含量、水力传导性等参数问的关系来解 流动方程。V A D O b-模型可模拟两个农药母体和两 个降解产物的变化。P R Z M模型模拟的过程包括以下 8个:污染物 2 8 四 川 环 境 2 9卷 在土壤 中的迁移、水的流动、化学品的施加、叶面 冲失、溶于径流中的化学品、土壤侵蚀、灌溉和氮 过程。以上 8个过程都分别有 自己的数学模型,如污 染物在土壤中的迁移可用以下方程表示:A z =l D一1 vJ D 一1U +J A P P+FJr R v A z :一l n s l R A:。式中:A为土柱断面面积(c m );AZ 为层深 度;C 为农药的溶解浓度(g c m
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