江津区大气降水变化趋势及相关性分析

2022-09-15陈清莉郑森元

绿色科技 2022年16期

陈清莉，徐燕，袁媛，张娅，郑森元

(1.重庆市江津区生态环境监测站，重庆 402260; 2.重庆市江津区城镇基础设施建设服务中心，重庆 402260)

1 引言

近年来，我国大气环境质量整体上持续改善，但酸雨污染情况仍时有发生。降水在清除大气可溶性物质方面起着重要作用，降水的化学组成与大气中污染物密切相关[1～3]，通过研究大气降水的化学组成特征，可以了解降水的酸化程度，大气降水的化学组成特征可以间接反映出大气中污染因子、污染程度等情况[4，5]，分析各阴阳离子的浓度为酸雨污染控制提供理论依据[6]，客观反映大气污染状况及大气污染类型。通过研究2021年江津区国控监测点降水样品，分析了降水pH值、电导率及化学组成，探讨江津区大气降水的化学组成及不同来源，以期进一步了解江津区大气污染状况，为城区大气污染防治提供一定的科学支撑。

2 数据来源和分析方法

2.1 数据来源

降水监测站位于江津区西湖镇骆崃山电视转播台(E106.4089，N29.0398)，为国控监测点，周围无高大建筑物和典型污染源。降水采用装置为降水降尘自动采用器(SYC-3，青岛崂山电子仪器总厂有限公司)，每次采用前，均使用超纯水清洗采样桶，确保采样桶对样品无污染。

本研究采集2021年1～12月的共109次降水样品，按照24h为采集降水样品时间间隔，如一天中有几次降雨过程，则合并采集1个样品进行分析测定，收集降水样品用无色聚乙烯桶。水样收集后摇匀取部分样品测定电导率和pH值，其余降水样品4 ℃以下冷藏密封保存，用水系微孔滤膜(0.22 μm)过滤并于24 h内采用离子色谱法(青岛盛瀚色谱技术有限公司，离子色谱仪，CIC-D160)完成实验分析。降水的采集和实验分析均严格执行质量控制措施。

2.2 监测标准及评价方法

降水监测中的项目及方法严格按照《酸沉降监测技术规范》(HJ/T165-2004)和《酸雨观测规范》(GB/T19117-2017)执行。按照《环境监测技术规范》，当降水pH<5.6时，判定此次降水为酸雨。

降水pH平均值采用氢离子(H+)浓度雨量加权法计算。其公式如下：

pH=-log[H+]

(1)

(2)

pH平均=-log[H+]平均

(3)

式(1)～(3)中：[H+]为第i次降水中氢离子的摩尔浓度；Vi为第i次降水的实测降雨量(mm)。

硫酸根、硝酸根和电导率的平均值均按雨量加权计算算术平均值。其公式如下：

(4)

3 结果与讨论

2021年共采集降雨样品109个，降雨量为1249.8 mm，其中酸雨样品有19个，酸雨频率为17.4%，较2020年上升7.1%。

3.1 pH值变化趋势

2021年江津区降水pH平均值5.66，略高于酸雨临界pH值(pH<5.6)，较2020年下降0.34；月均降水pH值范围5.23～7.16，其中，6月份pH均值最高，5月、10月份均值低于酸雨临界值，10月份酸雨样品9个，占全年酸雨样品47.4%(图1)。

3.2 离子浓度变化趋势

2021年江津区降水中的主要阴离子为硝酸根离子和硫酸根离子，分别占离子总当量的17.8%、14.7%；降水中硫酸根离子和硝酸根离子的当量浓度比为1∶1.2，硝酸盐为降水中的主要致酸物质。降水中的主要阳离子为铵离子和钙离子，分别占离子总当量的34.5%、12.8%；铵离子和钙离子的当量浓度比为2.7∶1，铵盐是主要中和物质。降水离子浓度大小次序为铵离子>硝酸根离子>硫酸根离子>钙离子>氯离子>镁离子>钠离子>钾离子>氟离子，硝酸根离子、铵离子之和占总离子52.3%(图2)。

图1 2021年江津区降水月均pH值变化

图2 2021年江津区降水中主要离子当量浓度百分比

3.2.1 阴离子浓度变化趋势

降水中的阴离子主要是硝酸根和硫酸根，通常作为主要致酸离子，其主要源自人类活动中产生的二氧化硫和氮氧化物[7]。2021年江津区骆崃山降水中硝酸根离子平均浓度586 μmol/L，一年来浓度无较大波动；硫酸根离子平均浓度482 μmol/L，在12月份达最高值，并远超硝酸根浓度；硫酸根离子和硝酸根离子浓度3～11月份变化趋势趋于一致，均为波浪型走势；6～9月份浓度变化较小，浓度相差不大，说明硫酸根和硝酸根离子共同影响全区降水质量，主要来源于人为输入源的贡献(矿物燃料的燃烧，汽车尾气等)[8]。2021年降水中硫酸根/硝酸根=0.82，属于混合型酸雨，说明致酸物质中硫酸盐的占比在减少。氯离子的变化趋势和硝酸根离子一致，1～9月份浓度变化不大，10月氯离子浓度明显增高，除了受土壤物质的影响外，还存在其他来源，比如来自含氟有机物(如聚氟乙烯)的燃烧和分解、造纸业漂白剂以及氟化工厂等[9]；氟离子浓度波动变化不明显，对酸雨的形成影响不大(图3)。

3.2.2 阳离子浓度变化趋势

降水中的阳离子主要是铵离子和钙离子，离子浓度分别是1135 μmol/L和421 μmol/L，分别占离子总当量的34.5%、12.8%，铵离子和钙离子浓度变化趋势基本一致。铵离子浓度是阳离子中浓度最高的，说明该地区具有强大的大气铵离子来源，相关研究表明[10～12,16]，铵离子主要来源是农业耕作、肥料、粪便排放、畜禽养殖、动物排泄物释放和生物质燃烧等生产活动；钙离子浓度仅次于氨离子，钙离子大部分来源于陆源贡献[5]，说明江津区的降水离子浓度受陆源的影响较大[2]，地壳微粒由风沙、扬尘等方式进入大气，又通过降水的形式返回陆地表面[13]。钾离子、镁离子、钠离子降水中的阳离子浓度变化趋势整体一致，可能在大气中存在的形式有一定的共存性(图4)。

图3 2021年江津区骆崃山降水中阴离子浓度月变化

3.3 因子参数相关性分析

降水中离子的相关系数反映了离子的物质来源或经历的化学反应过程特征，江津区降水电导率值与降水中各个离子组分浓度呈显著的正相关性(表1)，电导率是反映溶液所含可溶性离子的综合指标，降水的电导率主要受降水中水溶性离子的控制[6]，可以反映区域大气污染的程度[14,15]。硫酸根离子和硝酸根离子呈显著相关性，两者化学性质和来源方式可能相似；硫酸根离子与钙离子和镁离子呈显著相关性，硫酸根在大气中主要以硫酸钙和硫酸镁形式存在[16]，钙离子与硫酸根的相关系数比镁离子与硫酸根的高，说明大气中的钙离子与硫酸根的结合优先于镁离子[16,17]；铵离子与硝酸根离子、硫酸根离子呈显著相关性，大气中可能主要以硝酸铵、硫酸铵和硫酸氢氨的形式存在[16]。