我國東北地區(qū)城鄉(xiāng)連續(xù)空間大氣汞分布特征研究

陳 燕

（大連金州新區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，遼寧 大連 116600）

0 引言

汞主要以元素態(tài)存在于大氣中，占大氣總汞的90%以上，可停留長至2a［1－2］，故大氣介質(zhì)是重要的汞貯存庫，也是汞進(jìn)行遷移和轉(zhuǎn)化的重要渠道之一.據(jù)EPA的統(tǒng)計(jì)，有50%～70%的人為源釋汞是由化石燃料燃燒所致，這其中又有超過50%的量來自于中國、印度等亞洲發(fā)展中國家［3－4］.亞洲東部地區(qū)排放的汞，可由極地西風(fēng)攜帶，一直輸送到北美地區(qū)并沉降，因此汞已經(jīng)被認(rèn)為是全球性的污染物［3，5］.中國一度被認(rèn)為是全球主要的釋汞源區(qū)，有研究顯示約有1／3的全球總汞釋放量來自于中國的人為源［6］，其依據(jù)是中國為全球第一煤炭消費(fèi)大國，且煤炭的平均汞含量（0.15～0.20μg／g）稍高于全球煤炭的平均汞含量（0.13μg／g）［6－7］；此外，中國對燃煤釋汞的控制一直較弱［8］.

目前，大氣汞污染物的研究主要集中在建立汞排放源清單、估算排放因子、汞形態(tài)分布及測定、高汞區(qū)汞時(shí)空分布等方面［9］.如萬奇報(bào)道了長白山地區(qū)大氣總汞含量的季節(jié)分布特征［10］；方鳳滿報(bào)道了長春市大氣顆粒汞及其干沉降通量規(guī)律［11］；王起超報(bào)道了燃煤型城市長春市地氣界面汞的交換通量特征［12］；張剛報(bào)道了吉林省域范圍內(nèi)城鄉(xiāng)連續(xù)空間大氣汞分布特征［13］；王寧報(bào)道了松花江流域土法冶金礦區(qū)大氣汞的時(shí)空分布特征［14］等.上述的研究也表明，較大尺度空間大氣汞濃度的時(shí)空分布特征方面報(bào)道尚少.本研究使用車載高分辨率測汞儀，在我國東北地區(qū)，由哈爾濱市，沿哈大線至大連市，測定了范圍內(nèi)連續(xù)空間大氣環(huán)境中的汞含量，在近地面層次在較短時(shí)間內(nèi)（較小氣象要素變異）掌握了大氣環(huán)境中汞的時(shí)空分布特征，以為研究汞在中尺度空間內(nèi)環(huán)境地球化學(xué)過程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為我國人為源的汞污染及其控制等問題的解決提供參考.

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

我國東北三省位于山海關(guān)東北方向，包括遼寧、吉林、黑龍江三省，是中國的老工業(yè)基地和糧食主產(chǎn)區(qū)，具有綜合的工業(yè)體系、完備的基礎(chǔ)設(shè)施、豐富的農(nóng)產(chǎn)品資源、優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境和雄厚的科教人力資源，土地總面積78.73萬km2，占全國的8.2%，人口10715.4萬人，占全國的8.4%.遼寧省是東北地區(qū)唯一的既沿海又沿邊省份，地勢為北高南低，從陸地向海洋傾斜；山地丘陵分列于東西兩側(cè)，向中部平原傾斜；地貌劃分為三大區(qū)：東部山地丘陵區(qū)、中部平原區(qū)、西部山地丘陵區(qū)；全省屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，是東北地區(qū)降水量最多的省份，年降水量600～1100mm，從西向東逐漸減少.吉林省東南部高、西北部低，由東南向西北沉降，依次形成了“山地—丘陵—平原”三大地貌類型；全省分為四個(gè)區(qū)域：東部長白山區(qū)、東部低山丘陵區(qū)，中部沖積、洪積臺地平原區(qū)，西部沙丘覆蓋的沖積平原區(qū)；全省屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年降水量從東南向西北依次遞減，平均為400～900mm.黑龍江省西北部、北部和東南部較高，東北部、西南部較低，主要由山地、臺地、平原和水面構(gòu)成；西北部為東北—西南走向的大興安嶺山地，北部為西北—東南走向的小興安嶺山地，東南部為東北—西南走向的張廣才嶺、老爺嶺、完達(dá)山脈；區(qū)域氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，全省年降水量400～650mm，中部山區(qū)較多，東部次之，西、北部較少.

1.2 采樣及測定方法

2012年10月3日，由哈爾濱市出發(fā)，沿“哈爾濱市—雙城市—扶余市—德惠市—長春市區(qū)—公主嶺市—四平市—開原市—鐵嶺市—沈陽市區(qū)—燈塔市—遼陽市—鞍山市—海城市—大石橋市—蓋州市—瓦房店市—普蘭店市—大連市”一線，利用車載高分辨率測汞儀進(jìn)行采樣.車載高分辨率測汞儀（LUMEX Zeeman RA915＋）時(shí)間分辨率為1s，最小量度1ng／m3.連續(xù)行車同步測定沿途大氣汞質(zhì)量濃度，平均行車速度約80km／h，累計(jì)行車12h.采樣時(shí)將測汞儀采樣頭探出汽車右側(cè)窗，距地面1.5m，連續(xù)記錄每10s內(nèi)大氣汞質(zhì)量濃度的平均值，共獲數(shù)據(jù)4320組.使用合眾思壯GARMIN：GPS76記錄途徑區(qū)域的地理信息.

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)域內(nèi)大氣介質(zhì)的汞含量

研究區(qū)域大氣氣態(tài)總汞質(zhì)量濃度范圍為1～44ng／m3，均值為（9.1±5.4）ng／m3，見表1.其中，最高值44ng／m3出現(xiàn)在沈陽市區(qū)，最低值1ng／m3分別出現(xiàn)在扶余市、公主嶺市和蓋州市等規(guī)模較小的縣級市轄區(qū)內(nèi)的偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村.哈爾濱市、長春市和沈陽市作為東北三省的區(qū)域中心城市，其大氣汞質(zhì)量濃度明顯高于其他各地級城市，各地級市一般又明顯高于縣級市.開原市區(qū)大氣汞質(zhì)量濃度略高于鐵嶺市，這可能與開原市近年來城鎮(zhèn)化過程迅速有關(guān).分析結(jié)果表明，研究區(qū)域大氣汞質(zhì)量濃度分布呈現(xiàn)明顯的以大規(guī)模區(qū)域中心城市為圓心，逐步向規(guī)模稍小的城市（鎮(zhèn)）及鄉(xiāng)村地區(qū)輻射遞減的空間分布格局.

東北地區(qū)范圍內(nèi)各城市均屬典型的燃煤型能源結(jié)構(gòu)，對于以燃煤為主要能源的城市，燃煤釋汞是主要的汞輸出源，城市規(guī)模與經(jīng)濟(jì)發(fā)展一般和能源消耗成正比.據(jù)《中國統(tǒng)計(jì)年鑒（2009）》、《中國2010年第六次全國人口普查主要數(shù)據(jù)公報(bào)》和《2010年中國城市競爭力藍(lán)皮書：中國城市競爭力報(bào)告》，按照城市綜合競爭力、轄區(qū)人口密度以及GDP等指標(biāo)進(jìn)行的比較（見表2）表明，城市規(guī)模和實(shí)力較強(qiáng)的城市一般為區(qū)域中心城市，包括哈爾濱市、長春市、四平市、沈陽市、鞍山市、大連市，該類城市一般表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城市規(guī)模宏大、人口密度高、綜合實(shí)力強(qiáng)，故其資源與能源消耗強(qiáng)度相對較高，大氣汞含量分布特征為：哈爾濱市區(qū)（20.4±12.1）ng／m3、長春市區(qū)（12±11）ng／m3、四平市（14.4±7）ng／m3、沈陽市（17.2±11.5）ng／m3、鞍山市（15.1±10）ng／m3、大連市區(qū)（15.2±8.8）ng／m3，明顯高于其他地縣級小規(guī)模城市.

有研究表明，化石燃料的燃燒是重要的人為汞釋放源［15－16］.吉林省區(qū)域中心城市長春市年耗煤量約為707.6×104t，煤中含汞量為626.8kg，其中排入大氣中的汞量為425.6kg／a［12］，進(jìn)入大氣中的汞又以多種形式參與區(qū)域乃至全球大氣汞的循環(huán).此外，城市生活垃圾中經(jīng)常摻雜一些高汞固體廢棄物，如電池、熒光燈管等，這些物質(zhì)在垃圾站或垃圾填埋場堆放后，可逐漸釋放出揮發(fā)性汞化合物，從而造成區(qū)域的環(huán)境汞污染問題.馮新斌的研究表明，垃圾填埋場既是大氣汞源，又是大氣中甲基汞的重要來源；垃圾填埋場向大氣的排汞過程是通過兩種途徑發(fā)生的，一是從填埋場的排氣筒與垃圾廢氣同時(shí)排放到環(huán)境空氣中，另外還通過垃圾填埋場的上覆土層間接排向大氣［17］.相對于規(guī)模較大的城市區(qū)域，能源消耗少和經(jīng)濟(jì)實(shí)力弱的小規(guī)模城市，其工業(yè)企業(yè)和人類活動十分分散，人為源所致大氣汞含量較低，空間變異程度弱，一般大氣汞質(zhì)量濃度最低值在1～5ng／m3間變動，最大值則分布于7～30ng／m3，其中燈塔市和普蘭店市最大值為8ng／m3，而蓋州市最大值僅為7ng／m3.

表1 研究區(qū)域大氣汞含量統(tǒng)計(jì)

各個(gè)城市的大氣汞含量空間分布特征（見圖1），呈現(xiàn)以大規(guī)模城市為中心，向小規(guī)模城市（鎮(zhèn)）逐次遞減的變化趨勢，即大氣汞含量與所在地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市規(guī)模呈現(xiàn)一定的同向關(guān)系.

圖1 研究區(qū)域沿線大氣汞含量分布趨勢

表2 研究區(qū)域內(nèi)各地級城市規(guī)模與綜合實(shí)力分析表

2.2 研究區(qū)域自北向南大氣汞含量空間分布特征

2.2.1 黑龍江省大氣汞含量空間分布

黑龍江省是國家重要的能源工業(yè)基地，同時(shí)也是主要的燃煤大省之一；此外，電力和燃?xì)庑袠I(yè)也占有重要地位.研究結(jié)果表明，區(qū)域大氣汞含量（按研究路線哈爾濱—雙城計(jì)）均值為（12.6±7.2）ng／m3，其中哈爾濱市為（20.4±12.1）ng／m3，明顯高于所監(jiān)測的其他城市，雙城大氣汞含量均值為4.7ng／m3.由圖2可見，黑龍江省大氣汞含量在哈爾濱市區(qū)出現(xiàn)峰值，明顯高于其他地縣級小規(guī)模城市.

圖2 哈爾濱—雙城沿線大氣總汞含量分布

圖3 扶余—德惠—長春沿線大氣總汞含量分布

2.2.2 吉林省大氣汞含量空間分布

吉林省是中國重要的工業(yè)基地和商品糧生產(chǎn)基地，加工制造業(yè)比較發(fā)達(dá)，汽車、石化、農(nóng)產(chǎn)品加工為三大支柱產(chǎn)業(yè)；同時(shí)吉林省生態(tài)環(huán)境優(yōu)越，是國家生態(tài)建設(shè)試點(diǎn)省.研究結(jié)果表明，吉林省地域大氣汞含量均值為（8.3±5.4）ng／m3，其中長春市區(qū)（（12±11）ng／m3）和四平市（（14.4±7）ng／m3）明顯高于公主嶺市（（5.6±3.9）ng／m3），較大城市的大氣汞含量明顯高于規(guī)模較小、經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢的小城市（見圖3和圖4）.研究數(shù)據(jù)表明，長春市和四平市大氣汞含量明顯高于我國西南的重慶市主城區(qū)大氣汞含量均值（（6.45±0.03）ng／m3）［18］，也略高于我國南方的典型城市廈門地區(qū)的大氣汞含量均值（11.037ng／m3）［19］，但明顯低于吉林省東部山區(qū)以土法冶金著稱的夾皮溝金礦（129ng／m3）［14］.

圖4 公主嶺—四平—開原沿線大氣總汞含量分布

圖5 鐵嶺—沈陽—燈塔沿線大氣總汞含量分布

2.2.3 遼寧省大氣汞含量空間分布

遼寧是我國重要的老工業(yè)基地之一，裝備制造業(yè)和原材料工業(yè)比較發(fā)達(dá)，冶金礦山、輸變電、石化通用、金屬機(jī)床等重大裝備類產(chǎn)品和鋼鐵、石油化學(xué)工業(yè)在全國占有重要位置.研究結(jié)果表明，遼寧省大氣汞含量均值為（8.8±8.6）ng／m3，其中沈陽市（（17.2±11.5）ng／m3）、鞍山市（（15.1±10）ng／m3）、大連市區(qū)（（15.2±8.8）ng／m3）是遼寧省內(nèi)大氣汞含量較高的幾個(gè)城市，明顯高于其毗鄰的小規(guī)模地縣級城市（鎮(zhèn)），遼寧省的大氣汞含量由北向南相繼出現(xiàn)了3次高峰值，詳見圖5、圖6和圖7.這與鄭冬梅所報(bào)道的遼西工業(yè)重鎮(zhèn)葫蘆島市（市區(qū)大氣氣態(tài)汞質(zhì)量濃度為35～3300ng／m3，平均為1200ng／m3）［20］相比，研究區(qū)域大氣汞污染水平相對較低.人為汞釋放是城市大氣汞空間分布特征的重要影響因素，其釋放速率受工業(yè)發(fā)展、能源燃燒等諸多因素的影響.

圖6 遼陽—鞍山—海城—大石橋沿線大氣總汞含量分布

圖7 蓋州—瓦房店—普蘭店—大連沿線大氣總汞含量分布

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)域大氣汞含量均值為（9.1±5.4）ng／m3，介于1～44ng／m3之間；最高值出現(xiàn)在沈陽市區(qū)，最低值出現(xiàn)在扶余市、公主嶺市、蓋州市，均明顯高于北半球大氣汞背景值（1.5～2ng／m3）.

（2）研究區(qū)域大氣汞含量空間分布特征為：大氣汞含量以大規(guī)模城市（哈爾濱、長春、四平、沈陽、鞍山、大連等）為中心，向小規(guī)模城市、鄉(xiāng)村地區(qū)呈現(xiàn)逐漸輻射遞減的趨勢，規(guī)模大的城鎮(zhèn)區(qū)域明顯高于規(guī)模小的城鎮(zhèn)區(qū)域，說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展及能源消耗是決定大氣汞含量的主要原因.

（3）大氣汞含量較高的幾個(gè)區(qū)域中心城鎮(zhèn)區(qū)為哈爾濱市（（20.3±12.1）ng／m3）、長春市（（12±11）ng／m3）、四平市（（14.4±7）ng／m3）、沈陽市（（19.7±12.5）ng／m3）、鞍山市（（15.6±10）ng／m3）、大連市（（15.2±8.8）ng／m3），大氣汞含量均值最低為蓋州市（（3.3±1.7）ng／m3）.

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