辽中地区酸雨特征及主控因子研究＊

张新民 孙新章 张 萌

(1.中国环境科学研究院,北京100012;2.中国21世纪议程管理中心,北京100038)

辽中地区酸雨特征及主控因子研究＊

张新民1孙新章2张 萌1

(1.中国环境科学研究院,北京100012;2.中国21世纪议程管理中心,北京100038)

近年来,以辽中工业群为代表的北方地区酸雨污染问题备受关注,对区域经济社会发展正在形成越来越明显的影响。为了深入了解辽中工业群地区酸雨污染特征,本研究利用XHARS30C酸雨自动采样仪系统采集了辽中地区2007年2月-2008年1月为期1年的降水样品,通过对降水样品pH值、主要阴阳离子组成的测定,分析了辽中地区酸雨的特征以及影响降水酸度的主要因素。结果表明,观测期间辽中地区降水pH值平均为5.15,酸雨频率为69.4%;雨水的主要离子组成为SO42-、NO3-和NH4+、Ca2+、Mg2+;在降雨过程中5种离子中的SO42-、NO3-、NH4+、Mg2+随降雨增加浓度呈U型变化,而Ca2+无明显规律;SO42-为主导性酸性离子,但NO3-对雨水酸度的影响不可忽视;辽中降水中起主要中和作用的是扬尘中的Mg化合物和与人类活动密切相关的NH3,扬尘中含Ca化合物中和作用相对较小。

酸雨;离子组成;主控因子;中和作用

酸雨污染目前已成为我国重要的区域大气环境问题之一[1-2]。根据有关研究结果,早在1995年我国由于酸雨和二氧化硫污染造成农作物、森林和人体健康等方面的经济损失就达1 100多亿元,接近当年国民生产总值的2%,酸雨成为制约我国经济和社会发展的重要因素之一。目前我国酸雨主要为硫酸型酸雨,其中SO42-和NO3-以及NH4+和Ca2+是主要的阴阳离子,且浓度远高于欧洲和北美[3]。与过去几年相比,目前我国区域酸雨呈以下演变特点:①南方酸雨区范围无明显变化[4],酸度则增减不一,如武汉和黄山等南方部分站点均出现有酸雨系统观测以来的最低年均降水pH值[5],而总体来看湖南省南部、贵州省中部、四川省东北部、广西自治区西北部酸雨污染又有所减轻[6];②强酸雨区范围为1994年以来最大,但酸度有所减弱;③北方酸雨区呈持续扩展趋势[5,7-9]。由于长期以来我国对于酸雨的研究主要集中在南方地区,而北方地区相对较为薄弱,这对日趋严重的北方地区酸雨控制较为不利。辽中工业群是北方的重要工业基地,近几年其酸雨问题在北方较有代表性。基于此,本研究通过为期一年的酸雨强化监测对辽中地区酸雨污染特征及主控因子进行了研究,以期为该地区酸雨防控提供科学依据。

1 样品采集及分析方法

采样地点设在辽宁省辽中县水文站内,北纬41°27′24.40″,东经 122°39′17.48″。辽中县位于辽宁中部 ,沈阳市西南,气候温和,四季分明,年平均气温8.1℃,地势平坦,南北海拔比降6 m。

采样期间为2007年2月-2008年1月,共采集降水样品36次,其中包括降雪4次。

酸雨采样仪器为XHARS30C酸雨自动采样仪(先河科技生产)。XHARS30C型酸雨自动采样仪工作原理:感雨器接收到降雨信号后,单片机控制系统将防尘盖及电磁阀1打开,同时记录开始降雨时间场次等信息,采雨漏斗开始采雨,雨水通过接雨漏斗进入计量瓶,计量瓶中的液位达到约7 ml(即0.1 mm降雨量)时,触发液位传感器使电磁阀2打开,电磁阀1关闭,雨量计数器记数加1(如果采用外部记数则用外置翻斗雨量计记数),记数后计量瓶中的雨水将装入采雨瓶(材料为聚丙烯)中,当前瓶满后,转盘转动换到下一个采雨瓶,如此反复。雨停后,如果10 min内一直没有降雨,采样器自动关盖,同时保存降雨结束时间雨量等信息。辽中酸雨采样采用的是按降雨场次采雨,每场降雨作为一条采样品采集记录。每次采完样后用离子水清洗酸雨自动采样仪及采样瓶。

雨水样品采集后经中速定量滤纸过滤,立即测定pH值和电导率,随后在4℃冰箱中保存。降水的离子组分用离子色谱(DIONEX,USA)测定,其中阳离子用ICS-1 000离子色谱测定,阴离子用ICS-2 000离子色谱测定。降雪样品采用同等材质(材料为聚丙烯)的桶人工采集。采样桶高31 cm,桶口直径33 cm,桶底直径23 cm,每次用3个桶同时采集以增加样品代表性,融化后处理同雨水样品。

2 结果与讨论

2.1 采样期间降水量及降水pH值分析

采样期间降水量为381.9 mm,季节变化见表1。可以看出,在整个观测期间,2007年7月-10月降水较多,为257.6 mm,占总降水量的67.5%。

表1 2007年2月-2008年1月辽中降水分布情况Tab.1 The distribution of precipitation in Liaozhong from Feb.2007 to Jan.2008

采样期间36次降水的pH范围介于3.40-7.34,平均值为5.15。其中,pH值低于4.0的强酸性降水有4次,占总降水次数的11.1%;pH值低于5.6的降水(酸雨)25次,占总降水次数的69.4%。全年来看,辽中地区属于弱酸雨,污染程度属于轻-中度污染。分季节来看,冬、夏季酸雨污染较为严重,尤其是冬季属强酸雨季节;春、秋季污染则相对较轻,详见图1。

2.2 降水中的离子构成

表2为雨水样品中各离子组成的最低、最高和平均离子浓度。由表可知,各离子浓度的变化范围较大,各离子在采样期间平均浓度的顺序为:>>>>>>>K+>F-。无论是平均浓度还是最大浓度均最高,分别为 228.04μeq/L、862.23μeq/L,表明S是辽中地区降水中主导性的酸性离子。另一个酸性离子在降水中的浓度也较高,为90.01μeq/L和分别占阴离子总和的60%和24%。阳离子中浓度最高,为192.08μeq/L,其次是(132.52μeq/L)和(131.00μeq/L),、、分别占阳离子总和的34%、24%、24%。上述结果表明和、+是影响辽中地区降水化学性质的主导性阴、阳离子。

图1 2007年2月-2008年1月辽中监测点pH变化情况Fig.1 Distribution of pH in Liaozhong precipitation from Feb.in 2007 to Jan.in 2008

本研究与北京、广州、佛山主要酸雨离子浓度比较见表3,可以看出本研究中的最大值远远低于广州,而平均值则高于广州低于北京和佛山;平均值均高于广州和北京,这与监测现场周边都是农田有关;而和的平均值均高于广州,与南北方土壤酸性差异密切相关。

2.3 降水过程中离子浓度变化情况

选取3次pH比较接近的降水对降水过程中离子浓度变化进行研究。3次降水分别为2007年8月12日(编号为LZ070812,pH为 5.35)、2007年 10月 5日(编号为LZ071005,pH为 5.15)和 2007年 10月 27日(编号为LZ071027,pH为5.17),其中LZ070812共有3个降水样品,LZ071005有5个降水样品,LZ071027有4个降水样品。3次降水过程中主要离子变化情况分别如图2、图3和图4所示。从图中可以看出,3次降水过程中和变化规律一致,均呈U形变化,即开始浓度较高,随着降雨量的增加,浓度有所下降,最后又稍有回升;Ca2+在3次降水中的变化则各不相同,没有明显规律。

表2 主要离子分布(μeq/L)Tab.2 Concentration distribution of main ions(μeq/L)

图2 2007年8月12日降水过程中主要离子变化情况Fig.2 Change of the main ions in the process of precipitation on 12th Aug,2007 in Liaozhong

图3 2007年10月5日降水过程中主要离子变化情况Fig.3 Change of the main ions in the process of precipitation on 5th Oct,2007 in Liaozhong

2.4 降水酸度的主控因子

在降水化学组成中SO42-和NO3-是主要的酸性离子,而且离子浓度大小与人为排放的 SO2和NOx有关。Thomas研究[13]认为雨水中的NO3-浓度与大气中的NOx浓度成正相关。本研究中SO42-/NO3-介于0.24-8.32之间,平均为3.19。SO42-/NO3-范围较宽与采样点较容易受气象条件和周边污染源传输的影响有关。2次降水的SO42-/NO3-比值小于1说明采样期间辽中地区降水的主导性酸性离子是SO42-,但少数情况下NO3-是主导性酸性离子。值得注意的是,2次降水的SO42-/NO3-<1情况分别出现在2007年11月和12月(图5),正值当地采暖季节,该现象与国家控制SO2排放政策有关,说明同时控制NOx排放也非常重要。

2.5 碱性扬尘对降水中和作用

在我国北方降雨中碱性扬尘中的CaCO3和CaO对雨水酸度中和现象很普遍[14-15],甚至在广州也发现同类现象[10]。辽中地区土壤多为褐土等碱性土壤,为了评价各碱性物质对辽中雨水酸度的中和作用,本文采用Possanzini提出的中和因子算法来进行定量评价[16]。计算公式为:

图5 观测期间/N变化Fig.5 The change ofduring observation time

式中,NF为中和因子,Xi为需要评价的离子。

2007年辽中地区Ca2+、Mg2+和NH4+对酸雨的中和因子分别为0.42、0.68和0.63(表4),Mg2+的中和因子最大,这表明辽中降水中起主要中和作用的是扬尘中的Mg化合物和与人类活动密切相关的NH3,扬尘中含Ca化合物中和作用相对较小。

表4 2007年酸雨中Ca2+、Mg2+和NH4+的中和因子NF Tab.4 NF for Ca2+,Mg2+and NH4+in the acid rain of 2007

3 结 论

(1)采样期间辽中降水pH范围介于3.40-7.34,平均值为5.15,酸雨频率为69.4%,辽中地区属于弱酸雨,污染程度属于轻-中度污染。分季节来看,冬、夏季酸雨污染较为严重,春、秋季污染相对较轻。

(2)各离子在采样期间平均浓度的顺序为:SO42->NH4+>Ca2+>Mg2+>Na+>NO3->Cl->K+>F-。其中SO42-、NO3-和 NH4+、Ca2+、Mg2+是影响辽中地区降水化学性质的主导性离子,平均离子浓度为228.04μeq/L、90.01μeq/L和192.08μeq/L、132.52μeq/L、131.00μeq/L。与其他研究相比,本研究中Mg2+浓度较高,其可能原因是在监测点附近的冶炼厂影响所致,局部小环境导致降水中Mg2+较高。

(3)在降水过程中 ,SO42-、NO3-和 NH4+、Mg2+开始浓度较高,随着降雨量的增加,浓度有所下降,最后又稍有回升,呈U形变化,而Ca2+则没有明显规律。

(4)采样期间辽中地区降水的主导性酸性离子是SO42-,但在11月和12月份出现了2次NO3-是主导性的酸性离子,这说明在控制SO2排放的同时还必须高度重视NOx的排放控制。

(5)辽中的碱性扬尘对降水具有明显中和作用,起主要中和作用的是扬尘中的Mg化合物和与人类活动密切相关的NH3,扬尘中含Ca化合物中和作用相对较小。

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Characters and Primary Factors of Acid R ain in Liaozhong,Liaoning Province

ZHANG Xin-min1SUN Xin-zhang2ZHANG Meng1
(1.Chinese Research Academy of Environmental Science,Beijing 100012,China;2.The Administrative Center for China’s Agenda 21,Beijing 100038,China)

In recent years,acid rain in north China especially in Liaozhong urban industrial agglomeration of Liaoning Procince has attracted more and more attention.Acid rain is becoming one of the main adverse influencing factors on local economic and social development.T o understand the characteristics acid rain pollutionof Liaozhong industrial agglomeration,all acid rain sampleswere collected by XHARS30C acid rain automatic sampler during the period from Feb.2007 to Jan.2008 for determining pH values and major cation of acid rain,then the characteristics and primary factors of acid rain inLiaozhong were analyzed.The results showed that the mean pH values of precipitation during observation time was 5.15,and 69.4%of precipitation were acid rain;the ionic composition analysis indicated that SO42-,NO3-,NH4+,Ca2+and Mg2+were the dominant ions in the precipitation;the concentration of SO42-,NO3-,NH4+and Mg2+in different process during one precipitation presented as a U-shape changing pattern,while Ca2+did not show such an obvious changing pattern;SO42-is the dominant acidic ion of the precipitation inLiaozhong,but NO3-has become more and more important to the acidityof precipitation;dust sourced Mg2+and anthropogenic emission NH3appeared to play a more significant role than dust sourced Ca2+in neutralizing the acidity in precipitation.

acid rain;ionic composition;primary factor;neutralization

X517

A

1002-2104(2010)10-0142-05

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.10.024

2010-05-12

张新民,博士,副研究员,主要研究方向为大气化学和大气污染控制

＊ 国家“973”项目(编号:2005CB422208)资助。

(编辑:李 琪)