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    基于GIS的中國酸雨控制區(qū)酸雨空間分布特征研究

    2014-04-19 08:01:59徐曉華徐光來
    石家莊學(xué)院學(xué)報 2014年3期
    關(guān)鍵詞:酸雨插值酸性

    徐曉華,徐光來

    (安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

    基于GIS的中國酸雨控制區(qū)酸雨空間分布特征研究

    徐曉華,徐光來

    (安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

    利用全國74個酸雨監(jiān)測站點2004-2006年降水-pH 數(shù)據(jù),通過ArcGIS空間插值,模擬酸雨pH空間分布,根據(jù)酸雨“兩控區(qū)”方案,提取酸雨控制區(qū)的酸雨pH空間分布,進行GIS空間分析.結(jié)果表明:中國的酸雨嚴(yán)重區(qū)主要分布在四川盆地、長江以南廣大地區(qū),酸雨強度沿長江向西北和東部有擴大趨勢,四川盆地酸雨區(qū)已與華南酸雨區(qū)連成一片;3年間,pH<5.6的酸雨范圍相對研究區(qū)面積比值由56.73%擴大到73.11%,pH<4.5的嚴(yán)重酸雨區(qū)由2.15%擴大到10.41%,2006年增幅最大;不同等級酸雨范圍擴大趨勢明顯,酸雨污染趨于嚴(yán)重.

    酸雨;pH;GIS空間分析;酸雨控制區(qū);空間分布

    0 引言

    酸雨是指pH值小于5.6的降水(包括雨水、凍雨、雪、雹和露等濕沉降方式).隨著中國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展,汽車、工廠等向大氣中排放的SO2,NOx等酸性污染物不斷增加,導(dǎo)致酸雨的酸度不斷增強,其影響范圍也日益擴大.目前,中國南方大多數(shù)城市和地區(qū)普遍出現(xiàn)酸雨,以西南、華南地區(qū)較為突出,同時酸雨面積近年來大幅度擴大,長江以南酸雨區(qū)域已連成一片,并向長江以北蔓延,華北地區(qū)酸雨范圍擴大,甚至在東北丹東、圖們和東海海域也發(fā)現(xiàn)較強的酸性降水,同時降水的酸性不斷升高[1].

    中國大規(guī)模酸雨監(jiān)測和研究始于20世紀(jì)70年代末,國家環(huán)保部門于1982年建立了全國酸雨監(jiān)測網(wǎng)[2],中國氣象局也于1989年建立了氣象部門的全國酸雨監(jiān)測網(wǎng)[3],兩大酸雨監(jiān)測網(wǎng)為中國降水化學(xué)研究積累了大量數(shù)據(jù).通過多年的觀測記錄發(fā)現(xiàn)酸雨集中分布在西南酸雨區(qū)、福廈酸雨區(qū)、南昌酸雨區(qū)、青島酸雨區(qū)和長江以南酸性富鐵鋁土壤地區(qū)等[2].20世紀(jì)80年代以來,中國開始研究酸雨對生態(tài)系統(tǒng)的影響,發(fā)現(xiàn)降水pH值4.5以下的林區(qū),林業(yè)產(chǎn)量下降,林木生長過早衰退[4].20世紀(jì)90年代以來,王文興等[2,5-7]較系統(tǒng)地研究了中國酸雨的形成機制,從中國大陸人為源SO2和NOx的排放強度和地理分布,以及氣象要素、土壤酸堿度及大氣顆粒物酸化緩沖能力等方面分析了中國長江以南酸雨的成因與機理,發(fā)現(xiàn)自然因素在酸雨的形成中起到重要作用,酸雨前體物SO2和NOx排放強度很大的渤海和黃海地區(qū)未出現(xiàn)區(qū)域性酸雨,而排放強度不大的長江以南地區(qū)卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的區(qū)域型酸雨.南方重污染城市的酸性降水主要來源于城市高濃度大氣污染物的局地沖刷,廣闊區(qū)域和清潔地區(qū)的酸性降水則主要來源于大氣污染物的中、長距離傳輸[8].丁國安等[9]通過對1980-1995年中國酸雨狀況及發(fā)展趨勢的分析發(fā)現(xiàn),中國酸雨面積逐漸擴大,酸雨頻率逐年上升,且在部分南方省市出現(xiàn)年均降水pH<4.0的區(qū)域,長江以南成為繼歐洲和北美之后的世界第三大酸雨區(qū).2000年以來京津地區(qū)降水酸度呈較快增加的趨勢,大氣顆粒物質(zhì)量濃度的持續(xù)下降、機動車尾氣排放量的急劇增加可能是降水酸性增強的重要原因之一[10].利用不同方法來研究酸雨模式及影響機制也是酸雨研究的一個重要方向[11].今后,降水酸度的變化將由大氣SO2,NOx酸性氣體以及顆粒物、NH3排放量的相對削減和增長共同決定.

    1 研究方法與插值模型

    1.1 研究方法

    筆者在已有的酸雨監(jiān)測站點數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,運用GIS的空間分析手段,按照酸雨分布機理,通過空間插值方法,模擬中國酸雨區(qū)內(nèi)的酸雨pH值,得到中國酸雨區(qū)的酸雨分布情況,從而使酸雨分布研究從定性走向定量和定位,更直觀地研究酸雨的空間分布及變化趨勢.使用反距離加權(quán)插值法(IDW)根據(jù)全國74個酸雨監(jiān)測站點數(shù)據(jù)進行內(nèi)插.

    1.2 酸雨pH值計算

    pH平均值計算方法為單次降雨量pH加權(quán)法計算取平均值.如公式(1):

    其中pH是插值點估計值,[pH]i(i=1~n)是實測樣本pH值,n為參與計算的實測樣本數(shù),Vi是實測樣本降雨量.

    1.3 IDW插值

    1.3.1 IDW空間插值模型

    空間插值[12]是一項基于數(shù)學(xué)運算的技術(shù)方法,它將離散點的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面,以便與其他空間現(xiàn)象的分布模式進行比較.空間插值假設(shè)空間位置上越靠近的點,越可能具有相似的特征值,反之特征值相似的可能性越小.采用地統(tǒng)計中的反距離加權(quán)插值法(IDW)來模擬中國酸雨區(qū)的酸雨pH值分布,可以保留監(jiān)測站點pH值不變,且使空間插值后的pH值分布介于原始觀測pH最大值和最小值范圍之內(nèi).

    反距離加權(quán)插值(Inverse Distance Weighting,簡稱IDW)是ArcGIS中最常用的空間內(nèi)插方法之一,以插值點與樣本點之間的距離為權(quán)重,距插值點越近的樣本點賦予的權(quán)重越大,權(quán)重貢獻與距離成反比.可表示為公式(2):

    其中Z是插值點估計值,Zi(i=1~n)是實測樣本值,n為參與計算的實測樣本數(shù),Di為插值點與第i個站點間的距離,k是距離的冪,能顯著影響內(nèi)插結(jié)果.設(shè)置距離權(quán)重指數(shù)k=2,站點搜索范圍為鄰近的6個站點,并對插值結(jié)果進行誤差估計.

    1.3.2 內(nèi)插結(jié)果評價

    為了對插值結(jié)果進行評價,以平均誤差 (Mean Error,ME)和均方根誤差 (Root Mean Square Error,RMSE)作為評價標(biāo)準(zhǔn).平均誤差(ME)總體反映估計值誤差的大小,均方根誤差(RMSE)可反映估計值的靈敏度和極值效應(yīng)[13].對研究中的74個站點數(shù)據(jù)2004-2006年內(nèi)插結(jié)果的估計誤差如表1所示.3年的插值平均誤差絕對值均小于0.07,負(fù)值表明估計值略低于實測值,插值精度滿足應(yīng)用要求.

    表1 2004-2006年IDW法酸雨插值誤差

    2 數(shù)據(jù)來源與處理

    2.1 數(shù)據(jù)來源

    國家環(huán)境保護局于1995年底組織開展了全國酸雨控制區(qū)和SO2污染控制區(qū)(“兩控區(qū)”)的劃分工作,在“兩控區(qū)”內(nèi)強化對酸雨和SO2污染控制[14].結(jié)合“兩控區(qū)”的劃分范圍,利用全國74個酸雨觀測站2004-2006年的降雨量-pH觀測數(shù)據(jù),求算年均降水pH值,在此基礎(chǔ)上進行插值計算,得到2004-2006年的年序列降水pH 的空間分布.酸雨控制區(qū)包括圖1中所示的pH<5.6(“黃區(qū)”)以及酸雨控制區(qū)(“紅區(qū)”)覆蓋的區(qū)域.

    2.2 數(shù)據(jù)處理

    1)在ArcGIS中建立全國74個酸雨觀測站點的降水-pH監(jiān)測數(shù)據(jù)庫.酸雨監(jiān)測數(shù)據(jù)庫包括:74個監(jiān)測站點的空間位置數(shù)據(jù)和2004-2006年降水pH均值數(shù)據(jù).生成插值站點及研究區(qū)域圖(圖1).

    圖1 中國酸雨“兩控區(qū)”及插值站點分布

    2)利用反距離加權(quán)插值IDW法進行插值分析,設(shè)定2次乘冪進行距離倒數(shù)插值,生成中國區(qū)域單元大小為10 km×10 km的柵格地圖.

    3)按照酸雨控制區(qū)的“黃區(qū)”范圍,以酸雨區(qū)矢量圖層為掩膜,裁切出2004-2006年的酸雨研究區(qū)域.根據(jù)圖1的酸雨監(jiān)測站點分布,可以發(fā)現(xiàn)在中國西部及西北部的青藏高原、新疆、內(nèi)蒙等省或自治區(qū)內(nèi)站點分布較稀少,空間插值后效果較東部和南部地區(qū)要差,因此利用全國74個站點插值后再提取酸雨區(qū)作為研究區(qū)域,插值效果能夠較好滿足精度要求(表1).

    4)利用生成的空間柵格數(shù)據(jù)進行空間統(tǒng)計分析.將生成的pH數(shù)據(jù)分為≤4.5,4.5-5.0,5.0-5.6,5.6-7.0,>7.0五個等級,進行分級設(shè)色,劃分出嚴(yán)重酸雨區(qū)(pH≤4.5),重酸雨區(qū)(4.55.6),結(jié)果如圖2.

    3 結(jié)果與討論

    3.1 酸雨插值結(jié)果空間格局分析

    從圖2可以看出,中國酸雨分布主要集中在四川盆地、西南、華南等長江以南廣大地區(qū).酸雨重污染區(qū)與酸雨控制區(qū)“紅區(qū)”較好的吻合.2004年,pH≤4.5的嚴(yán)重酸雨區(qū)主要分布在四川盆地、珠江三角洲、江西省南部、浙江省北部,湖北省西南部也有小范圍分布.pH≤5.0的重酸雨區(qū)主要分布在四川盆地,華南廣大地區(qū)包括福建省、江西省全部,廣東省、浙江省大部,以及湖南、湖北和廣西部分地區(qū),在山東省也有零星分布. 2005年,pH≤4.5的嚴(yán)重酸雨區(qū)位于四川盆地、珠江三角洲、湖南省南部和江西省南部及北部小部分區(qū)域,浙江省西北部有小范圍分布,其影響范圍較2004年特別在華南地區(qū)略有擴大.pH≤5.0的重酸雨區(qū)主要分布在廣東省、江西省全部,廣西、湖南、福建、浙江大部,及貴州、湖北、安徽部分地區(qū),其影響范圍較2004年明顯擴大.2006年,pH≤4.5的嚴(yán)重酸雨區(qū)主要集中在四川盆地、湖南省南部大部分區(qū)域、湖北南部、江西北部、浙江西北部及珠江三角洲,在湖南、湖北南部特別集中,嚴(yán)重酸雨區(qū)的面積也有明顯擴大.pH≤5.0的重酸雨區(qū)面積增大,連成片分布在四川盆地、長江以南地區(qū),覆蓋酸雨區(qū)將近一半的面積.

    圖2 2004-2006年IDW法酸雨插值結(jié)果空間分布格局

    3年間,不同等級酸雨范圍擴大,趨勢明顯,尤其是pH≤4.5的嚴(yán)重酸雨區(qū),表明中國南方酸雨區(qū)酸雨污染趨于嚴(yán)重,酸雨影響范圍擴張速度增快.

    3.2 2004-2006年酸雨面積變化分析

    將2004-2006年的酸雨插值柵格地圖經(jīng)過柵格計算,分別得出2004-2006年以pH值4.5,5.0,5.6為分界點的二值圖,如圖3所示.圖3直觀顯示了3年來嚴(yán)重酸雨區(qū)、重酸雨區(qū)和一般酸雨區(qū)的空間分布及面積變化.隨著年份的增加,不同級別酸雨區(qū)的面積都呈不斷增加趨勢,尤其在2006年面積擴大更為明顯.這反映了中國酸雨酸度不算加重,覆蓋范圍不斷擴大,給國民生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)帶來的影響也越來越大.

    圖3 2004-2006年中國酸雨區(qū)pH小于4.5(a),5.0(b),5.6(c)的區(qū)域分布

    根據(jù)圖3,將這3年來pH≤4.5,pH≤5.0和pH≤5.6的3種不同等級的酸雨分布區(qū)的面積進行統(tǒng)計,得到不同等級酸雨區(qū)占總酸雨區(qū)面積的比值 (表2).可以看出,pH≤4.5的嚴(yán)重酸雨區(qū)在2004年只占整個酸雨區(qū)面積的2.15%,2005年增加到3.49%,而到2006年迅速增大到10.41%,和2004年相比增加了8個百分點,面積擴大到2004年的4倍.pH≤5.0的酸雨區(qū)從2004到2006年面積增加了將近1倍,從24.88%增加到46.59%.而pH≤5.6的一般酸雨區(qū)范圍則由2004年占酸雨區(qū)面積的56.73%擴大到2006年的73.11%.

    綜合2004-2006年酸雨的空間變化來看,pH 小于 4.5,5.0,5.6級酸雨范圍在 3年間分別擴大了384.19%,87.26%和28.87%.2006年不同等級的酸雨范圍都有著明顯擴大的趨勢,酸雨形勢嚴(yán)峻.

    表2 pH小于4.5,5.0,5.6的區(qū)域面積分別占整個酸雨區(qū)面積的比值

    3.3 酸雨空間分布及變化分析

    從圖3所示的2004-2006年的酸雨空間變化可以看出,pH<4.5的嚴(yán)重酸雨區(qū)范圍擴大,且有向湖南湖北省附近集中的趨勢,同時,四川盆地的酸雨酸度和范圍也在擴大和加強,見圖3(a).pH<5.0的重酸雨區(qū)同時向西部、北部和東部擴展.華南酸雨區(qū)和四川盆地酸雨區(qū)已連成一片,貴州、廣西出現(xiàn)大范圍重酸雨,四川、湖南酸雨集中且加重.另外,重酸雨一度沿著長江向北向東擴展,湖北、安徽酸雨范圍擴大,在山東等地出現(xiàn)零星分布.pH<5.6的一般酸雨區(qū)則沿著長江向西北向東擴展,且越過長江向北擴展,山東半島、江蘇以及云南等省份酸雨區(qū)范圍進一步擴大,這和一些學(xué)者[1]的研究結(jié)果相映證.

    3.4 酸雨及其主要致酸物SO2和NO2的空間分布分析

    中國酸雨中SO42-和NO3-是酸性的主要貢獻者.SO42-/NO3-一般在5-10之間,故中國的酸雨是硫酸型酸雨.而日本出現(xiàn)的酸雨中NO3-是酸性的主要貢獻者,其酸雨是硝酸型的.20世紀(jì)80年代以來,歐美酸雨也從硫化物轉(zhuǎn)向氮氧化物和氨,過去硫氮比是2∶1,現(xiàn)在接近1∶1[1].一些長期的降水化學(xué)觀測結(jié)果顯示,隨著中國機動車保有量的大幅增長,汽車尾氣排放不斷增加,導(dǎo)致NOx對降水酸性的貢獻率也不斷升高,降水中SO42-/NO3-比值明顯回落,酸雨污染開始由硫酸型逐步向硫酸-硝酸型轉(zhuǎn)變[15,16],仍以SO42-為主[17].

    酸雨的形成和致酸物質(zhì)的排放并不是簡單的對應(yīng)關(guān)系.研究表明,地面降水pH值的高低主要取決于近地層大氣成分對降水酸度的中和作用,降水酸度隨大氣垂直高度的上升有明顯增加趨勢[18,19].雖然中國北方地區(qū)人為活動向大氣中排放的SO2和NOx濃度要高于南方地區(qū)(圖4(a),(b)),但北方降水pH值普遍高于南方.這說明影響酸雨形成的主要因素除了SO2,NOx等酸性污染物的排放外,還要受到大氣中顆粒物及堿性氣溶膠粒子、酸性污染物的遷移和擴散、氣候因素等多方面的影響[20].SO2,NOx等致酸污染物的排放酸雨形成的前提條件,大氣中堿性顆粒和氣溶膠粒子的影響非常關(guān)鍵.中國大氣中的NH3水平北高南低;南方土壤多屬酸性的紅壤和黃壤,北方土壤多屬堿性土壤,堿性土壤粒子受大風(fēng)吹揚,致使空氣中堿性粒子增多,對降水酸度起到中和作用.這兩個因素可以解釋中國酸雨為何多發(fā)生在南方地區(qū),而占到全國SO2,NOx等酸性氣體排放總量40%的京津冀地區(qū)卻基本沒有酸雨出現(xiàn)[20].

    圖4中對流層SO2和NO2垂直柱濃度的分布表明,中國北方及東部地區(qū)的排放水平較高,而北方地區(qū)降水量少,對SO2,NOx的雨下清除作用較小,南方地區(qū)的雨水沖刷作用致使大氣中大量的SO2和NOx以酸雨的形式濕沉降.因此,北方地區(qū)對流層大氣中的SO2和NO2柱濃度要遠高于南方地區(qū),而南方地區(qū)降水酸度較高.

    4 結(jié)論

    基于74個監(jiān)測站點數(shù)據(jù),利用IDW空間插值模擬了中國南方酸雨控制區(qū)2004-2006年酸雨pH的空間分布,運用GIS空間分析方法研究了中國酸雨區(qū)不同等級酸雨范圍(pH≤4.5,4.5-5.0,5.0-5.6,>5.6)的空間分布及變化特征.研究結(jié)果表明:

    1)中國pH<4.5的酸雨嚴(yán)重區(qū)主要分布在四川盆地和長江以南廣大地區(qū),酸雨強度沿長江向西北及東部地區(qū)有不斷擴大的趨勢,四川盆地酸雨區(qū)已與華南酸雨區(qū)連成一片;

    2)2004-2006年間,各等級酸雨范圍都呈擴大趨勢,pH<5.6的酸雨范圍相對整個研究區(qū)面積比值由56.73%擴大到73.11%,pH<5.0的重酸雨區(qū)由24.88%擴大到46.59%,pH<4.5的嚴(yán)重酸雨區(qū)擴張最快,由2.15%擴大到10.41%,擴大了384.19%,2006年擴張最快,酸雨污染趨于嚴(yán)重.

    目前,中國已發(fā)生多次大范圍重度霧霾污染,大氣顆粒物是中國首要控制的污染物,由于政策的干預(yù)作用,大氣中的酸性污染氣體、顆粒物及堿性氣體的相對增長和削減關(guān)系將更為復(fù)雜,這必將對降水化學(xué)組成產(chǎn)生重大影響,還需要進行更深入系統(tǒng)的研究.因此,進一步研究中國的酸雨成因及其空間分布變化趨勢仍是今后一段時間的重要任務(wù).

    圖4 (a)2006年對流層SO2垂直柱濃度空間分布;(b)2006年對流層NO2垂直柱濃度空間分布

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    (責(zé)任編輯 李健飛)

    Spatial Distribution of Acid Rain in Acid Rain Pollution Controlled Area of China Based on GIS

    XU Xiao-hua,XU Guang-lai
    (School of Territorial Resources&Tourism,Anhui Normal University,Wuhu,Anhui 241000,China)

    The pH distribution of acid rain in the acid rain pollution controlled area in China is simulated by using the monitoring data of acid rains from 2004 to 2006 obtained from 74 acid rain monitoring sites with spatial interpolation of ArcGIS.GIS spatial analysis method is used to analyze the distribution of acid rain of the acid rain pollution areas which is extracted from the interpolated map.As the results show,the most serious acid rain polluted areas are located in Sichuan Basin and areas to the south of the Yangtze River;the variations of gradual acid rain region expand from southern China to the northwest and Eastern China along the Yangtze River;the ratio of acid rain range of pH less than 5.6 to the acid rain pollution controlled area expands from 56.73%to 73.11%in the 3-year period;the ratio of the most serious polluted area of pH less than 4.5 expands from 2.15%to 10.41%,which grew the fastest in 2006;the expanding trends of acid rain ranges of different grades are very significant;and the acid rain pollution has become more serious.

    acid rain;pH spatial analysis of GIS;acid rain pollution controlled area;spatial distribution

    X131.1

    :A

    :1673-1972(2014)03-0077-07

    2014-01-15

    國家自然科學(xué)基金青年項目(41301029);安徽師范大學(xué)人才培育基金(160721253)

    徐曉華(1980-),女,河南信陽人,助教,主要從事環(huán)境遙感研究.

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