This report describes a simple model for the calculation of accumulation of chemical substances in soils, SOACAS (Soil Accumulation Assessment). The model is based on a simple and specific analytical solution for the accumulation of chemicals in one completely mixed soil compartment. The model accounts for the distribution of chemicals between the gaseous, liquid and solid phase, as well as for plant uptake, volatilization, degradation and leaching. The method is applied for cadmium, chromium, copper, mercury, lead, zinc and benzo(a)pyreen for a number of combinations of soil type and land use. In view of the simplicity of the model it is not suitable for analysis of local soil pollution problems. It's prime goal of application is support of national and regional environmental policy. The model can easily be incorporated into a GIS environment. In this report an example is given in which the model is used to estimate the maximum permissible soil load, based on the present soil pollution status and the given standard for soil quality.

In this literature survey to assess the accumulation of micropollutants in activities regulated by General Administrative Order (GAO) of the Dutch Soil Protection Act, seven GAOs were considered. The main aim was to determine by means of a critical load approach if the annual accumulation of micropollutants from activities regulated by the GAOs would cause exceedance of the Dutch target value within a 100-year period. A secundary aim was to evaluate this critical load approach, as described and used in earlier RIVM studies. In this approach, the actual annual loads to soil (kg.ha-1.yr-1) from activities mentioned above are compared with critical loads for micropollutants. Critical loads are calculated using a model called SOACAS and represent the annual loads which will prevent the target value for soil being exceeded for a defined time period. The annual input of micropollutants is compared with these critical loads. To avoid accumulation of micropollutants in groundwater, a critical load is introduced to protect the soil water. In conclusion, additional policy measures will have to be generated to avoid accumulation of micropollutants exceeding Dutch target values for soil and groundwater. Sharp emission reduction is especially necessary for copper and zinc from pig manure. Recommendations considered for advanced research, monitoring and policy have been proposed for each of the GAOs.

Freundlich equations (Freundlich isotherms) were derived for the three heavy metals, cadmium, copper and zinc, by regression in an extensive literature data set. The Freundlich constants were described as a function of such soil characteristics as pH, CEC and organic matter content. Freundlich isotherms were derived using both the total concentration in solution and the activity of the free metal ions in solution. The Freundlich isotherms were applied to field data for 20 Dutch soils. In general, the isotherms seem to underestimate measured values. The isotherms may provide a supplement to presently available partition data sets for estimating mobility and bioavailability of metals in soils.

For evaluation of the Dutch environmental policy there is a need for a general model to estimate the accumulation and transport of trace metals in the soil and uppermost groundwater. For this reason, the Metal Transport Assessment (METRAS) model has been developed, which has the following properties: 1. modular set-up to facilitate model development and maintenance. The model shares many modules with other models developed at LBG ; 2. dynamic and process oriented making the model suitable as a tool for scenario analysis both at the local scale, and the regional scale ; 3. multi-layer, as single-layer models cannot predict breakthrough of pollutants ; 4. simplified description of the soil chemical system. Application of the model is limited to non-point source pollutants ; and 5. all parameters can be derived from either standard soil surveys using pedo-transfer functions, or can be derived from standard experiments. This report describes the model implementation for cadmium. It summarizes the theoretical background for the model, the development and structure of the computer program, the verification of the model using batch and column experiments, and it gives guidelines for model use. Moreover, an application of the model to a forest site in 'De Kempen' is described. Although this application of METRAS can by no means be considered a validation study, the application has improved the confidence in the model concept, and has improved our understanding of the behaviour of cadmium in the soil system. Although there is a need for further model validation, and comparison of model results with those of other models, it was concluded that the model currently is a useful tool to predict metal accumulation and leaching, both on a local scale and on a national scale. This particular model application also showed that the problem of leaching of heavy metals to the groundwater may become more serious in the coming decades, in spite of reduced soil loading.

The distribution of calculated potential exposure due to soil contamination is quantified to gain insight into the reliability of the human exposure calculated with the CSOIL model. The study is focused on the distribution of exposure due to uncertainty in the input parameters caused by spatial variability and lack of information. A Monte Carlo-based sensitivity and uncertainty analysis is performed for this purpose using the UNCSAM computer package. Also investigated is the chance of occurrence of the deterministically calculated potential exposure underlying the intervention values, using the probability density function of the calculated potential exposure. Finally, the most important input parameters for the exposure distribution are derived for both potential and actual exposure. The study is focused on five contaminants, differing widely in their contaminant characteristics. The exposure via separate exposure routes is also evaluated so as to indicate the distribution of the exposure and contribution of the input parameters to exposure to other contaminants. To achieve this, other contaminants have to be characterised according to the contribution of these separate exposure routes to the total exposure. Because of large uncertainties in the calculation of the contents in the contact media (indoor air, plant content), for some contaminants one should consider performing measurements in these contact media. On the basis of probalistically derived exposure, Maximal Permissable Risk (MPR) for intake and ecotoxicological serious soil-contamination concentration (ECOTOX EBVC), it is recommended in the future to consider deriving probalistically based guidelines (e.g. intervention values) or other environmental quality objectives (e.g. final contaminant level after remediation).

Op basis van literatuuronderzoek is nagegaan of restemissies van microverontreinigingen vanuit door AMvB's Wet Bodembescherming gereguleerde activiteiten voldoende laag zijn om over een periode van 100 jaar de streefwaarden voor bodem en grondwater te kunnen handhaven. Bij de berekeningen is uitgegaan van de maximale emissie-eisen welke in de AMvB's Wet Bodembescherming zijn vastgelegd. Deze emissies-eisen zijn vergeleken met de kritische bodembelasting en de kritische bodembelasting ter bescherming van het grondwater dit betreft de belasting waarbij respectievelijk de streefwaarde bodem en de streefwaarde grondwater net niet wordt overschreden. Per AMvB zijn conclusies en aanbevelingen opgenomen. De belangrijkste conclusies zijn: Dierlijke meststoffen (BGDM): De concentratie van koper en zink in dierlijke mest (met name varkensmest) geeft aanleiding tot overschrijding van de streefwaarde voor bodem- en grondwater hierbij is reeds rekening gehouden met voorstellen voor de fosfaat-eindnorm zoals vastgelegd in de gewijzigd meststoffenwet. Compost (BOOM): De eisen voor schone compost in het BOOM geven aanleiding tot overschrijding van de koper en zinkconcentratie in bodem en grondwater indien de compost aangewend wordt in combinatie met dierlijke mest. Voor het vaststellen van de bodembelasting is het zinvol rekening te houden met de belasting van het (ondiepe) grondwater. Met name voor zware metalen welke relatief mobiel zijn (cadmium en zink).

Voor de drie zware metalen cadmium, koper en zink zijn Freundlich-adsorptievergelijkingen (Freundlich-isothermen) afgeleid door regressie op een uitgebreide literatuur dataset. De Freundlich constante werd hierbij beschreven als functie van bodemkarakteristieken zoals pH, CEC en organisch stofgehalte. Freundlich isothermen werden afgeleid op basis van zowel de totale concentratie in oplossing als de activiteit van het vrije metaalion in oplossing. De Freundlich isothermen zijn toegepast op een velddataset voor een twintigtal Nederlandse bodems. In het algemeen lijken de isothermen het gemeten gehalte te onderschatten. Niettemin bieden de isothermen een aanvulling op momenteel beschikbare partitiegegevens voor (modelmatige) schattingen van mobiliteit en biobeschikbaarheid van metalen in de bodem.<br>

Ten behoeve van beleidsondersteuning in het kader van de Milieu-Verkenningen is het model METRAS ontwikkeld. Dit model beschrijft het transport en de accumulatie van zware metalen in de bodem en het bovenste grondwater. Het model heeft de volgende eigenschappen: 1. modulaire opbouw, waardoor ontwikkeling en onderhoud van het model eenvoudig is. Het model deelt een aantal modules met andere LBG modellen ; 2. het model is dynamisch en procesgeorienteerd. Hierdoor kan het model zowel in lokale als regionale studies voor scenario-analyses gebruikt worden ; 3. het model is een meer-lagen model. Dit is nodig, omdat numerieke een-laag modellen niet geschikt zijn voor de berekening van uitspoeling naar het grondwater ; 4. het model beschrijft een beperkt aantal bodemchemische interacties. Hierdoor wordt het model sneller, maar is vooral geschikt tot diffuse belastingen van zware metalen. 5. alle model parameters kunnen worden afgeleid uit standaardgegevens m.b.v. vertaalfuncties, of kunnen direct worden afgeleid uit laboratorium experimenten. Dit rapport beschrijft de versie van het model voor cadmium. Het beschrijft de theorie en achtergronden, de ontwikkeling en structuur van het computerprogramma, de verificatie van het model aan de hand van schud- en kolomexperimenten en het gebruik van het model. Verder wordt een toepassing van het model in de Kempen beschreven. Hoewel deze toepassing geen validatiestudie was, is het vertrouwen in het modelconcept door deze toepassing toegenomen. Er werd geconcludeerd dat het model geschikt is voor scenario-analyse op zowel een lokale schaal als op een landelijke schaal. Verdere validatie van het model, vergelijking van de resultaten van het model met andere modellen en een analyse van het effect van variaties van o.a. het weer, zijn noodzakelijk. De toepassing van het model in de Kempen heeft aangetoond dat uitspoeling van zware metalen naar het grondwater een probleem is dat in de komende jaren groter wordt.<br>

Modellering van het gedrag van zware metalen in de bodem door het RIVM vindt plaats in het kader van uiteenlopende projecten bij het Laboratorium voor Bodem- en Grondwateronderzoek, Laboratorium voor Water- en Drinkwateronderzoek, Laboratorium voor Ecotoxicologie en Laboratorium voor Afvalstoffen en Emissies. De doelstelling van de projecten loopt uiteen: berekening van accumulatie in de bodem en uitspoeling naar het grondwater ; onderbouwing van normstelling en bepaling van actuele risico's ; analyse van effecten op organismen; accumulatie in en vrijzetting uit onderwatersedimenten ; en bepaling van uitlooggedrag van reststoffen. De systeembeschrijving en het toepassingsbereik van de voor bovenstaande doelstellingen gebruikte modellen vertonen belangrijke overeenkomsten. Mede met het oog op het belang voor integrale produkten en samenhangende analyses in het kader van de RIVM-milieuplanbureautaak zijn een vijftal modellen, te weten CATS-1, METRAS, NMPCULTY, SimpleBox en SOACAS vergeleken wat de resultaten voor het bodemcompartiment betreft. Hiertoe zijn een viertal eenvoudige modelsituaties voor cadmium en koper doorgerekend, met als uitgangspunten de modelparameters van het model SOACAS. De modellen bleken goed overeen te stemmen wat de berekende bodemgehaltes en uitspoeling betreft, maar af te wijken wat de berekende plantopname van zware metalen betreft. De verschillen in resultaten tussen modellen zouden aanzienlijk groter zijn geweest wanneer de verschillende modellen hun default-instellingen hadden gebruikt, met name wat plantopname betreft. De belangrijkste vaststelling is dan ook de overeenkomst van het gedrag van de gebruikte rekenregels voor accumulatie en uitspoeling. Er kan echter niet geconcludeerd worden dat de bodemmodules simpel uitwisselbaar zijn ; hiervoor verschillen de gebruikte modelleersoftware (FORTRAN, Lotus-123 etc.), en de verwerking en presentatie van de resultaten te veel. In de toekomst is afstemming van gebruikte modelconcepten en modelparameters voor sorptie, transport en plantopname mogelijk en zinvol. Aanzetten voor afstemming van de beschrijving van sorptie zijn reeds in gang gezet.<br>

Om inzicht te verkrijgen in de betrouwbaarheid van de met het CSOIL-model berekende blootstelling is, middels een op Monte Carlo-technieken gebaseerde gevoeligheids- en onzekerheidsanalyse met behulp van het software pakket UNCSAM, de spreiding in de potentiele blootstelling in beeld gebracht. Dit betreft de spreiding die veroorzaakt wordt door onzekerheid in de input-parameters ten gevolge van zowel ruimtelijke spreiding als gebrek aan informatie. Tevens wordt, op basis van de kansverdeling van de berekende potentiele blootstelling, de kans van voorkomen aangegeven van de deterministisch (op puntschatting gebaseerde) berekende potentiele blootstelling, zoals ten grondslag ligt aan de interventiewaarden. Tenslotte is onderzocht door welke input-parameters de spreiding in de blootstelling wordt bepaald, voor zowel de potentiele als de actuele blootstelling. De studie is uitgevoerd voor een vijftal contaminanten met uiteenlopende eigenschappen. Bovendien is de blootstelling via de separate blootstellingroutes geevalueerd. Op grond van grote onzekerheden in de berekening van gehaltes in de contact-media, met name binnenlucht-concentratie en gewasgehalte, dient voor sommige contaminanten meting in deze contact-media te worden overwogen. Aanbevolen wordt in de toekomst probabilistisch onderbouwde normen (zoals interventiewaarden) en/of andere milieu-kwaliteitsdoelstellingen (zoals saneringseinddoel) af te leiden. Hiertoe zal, behalve de in deze studie afgeleide probabilistische weergegeven blootstelling, tevens het Maximaal Toelaatbare Risico (MTR) voor blootstelling en de ecotoxicologische ernstige-bodemverontreinigingsconcentratie (ECOTOX EBVC) in probabilistische vorm moeten worden vertaald.<br>