淮南市降水化學(xué)組成特征與來源分析

謝 凱，李 任，章 磊

1.安徽理工大學(xué)理學(xué)院，安徽 淮南 232001 2.淮南市環(huán)境保護(hù)局環(huán)境監(jiān)測(cè)站，安徽 淮南 232001 3.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001

淮南市降水化學(xué)組成特征與來源分析

謝 凱1，李 任2，章 磊3

1.安徽理工大學(xué)理學(xué)院，安徽 淮南 232001 2.淮南市環(huán)境保護(hù)局環(huán)境監(jiān)測(cè)站，安徽 淮南 232001 3.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001

降水；化學(xué)組分；富集系數(shù)；源解析

Keywords:precipitation;chemical composition;enrichment factor;source apportionment

降水可以有效去除空氣中的懸浮顆粒物和有害氣體，但在凈化大氣的同時(shí)其自身的化學(xué)特征也發(fā)生了相應(yīng)的變化。因此，降水化學(xué)組成和濃度水平能夠從一定程度反映大氣環(huán)境狀況和大氣中污染物的來源。自20世紀(jì)90年代中期開始，我國(guó)學(xué)者對(duì)不同地區(qū)的降水化學(xué)特征進(jìn)行了廣泛的研究，尤其在城市化進(jìn)程加快的背景下，酸雨或大氣污染等問題突出，城市地區(qū)的降水化學(xué)一直是研究的熱點(diǎn)區(qū)域[1-9]，不同區(qū)域降水化學(xué)組分及來源逐漸得以明晰，為國(guó)內(nèi)大氣污染環(huán)境治理提供了翔實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

淮南市是我國(guó)華東地區(qū)重要的能源城市，已探明煤炭?jī)?chǔ)量約400億t，是中國(guó)13億t煤炭基地之一[10]，伴隨煤炭工業(yè)的發(fā)展，其電力工業(yè)逐漸興起并發(fā)展成為獨(dú)立的工業(yè)門類，到2020年將建成裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到2 000萬kW·h的火電基地，成為名副其實(shí)的“火電三峽”?；茨厦禾俊㈦娏盎すI(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了大量的懸浮顆粒物和有害氣體，對(duì)區(qū)域大氣環(huán)境影響較大，研究該區(qū)域降水化學(xué)特征對(duì)分析大氣污染狀況、識(shí)別污染物的來源及評(píng)價(jià)其環(huán)境影響具有十分重要的意義。

研究表明，降水化學(xué)組成特征因站點(diǎn)、區(qū)域以及污染源不同而存在較大差異[2-9]，目前關(guān)于大型城市[1-2,4,8]的降水化學(xué)報(bào)導(dǎo)較多，而對(duì)污染嚴(yán)重的資源型城市相關(guān)研究較少。本研究借助酸度分析、中和因子和富集系數(shù)等分析方法，分析淮南城市的降水化學(xué)組成特征和離子來源，并與其他城市進(jìn)行比較，為能源工業(yè)城市的大氣環(huán)境研究提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

淮南市位于安徽省北部，是中國(guó)華東地區(qū)重要的能源基地，煤炭開采和火力發(fā)電是城市的支柱性產(chǎn)業(yè)。淮河由東向西貫穿淮南市，市境以淮河為界形成兩種不同的地貌類型，淮河以南為丘陵，屬于江淮丘陵的一部分，淮河以北為地勢(shì)平坦的淮北平原?；茨系貐^(qū)屬暖溫帶和亞熱帶的過渡氣候帶、半濕潤(rùn)氣候地區(qū)，氣候溫和、季節(jié)明顯，年平均氣溫為15.6 ℃，年均降水量為896.00 mm，且季節(jié)性降雨分布不均勻，汛期6～9月降水量占全年55.0%[11]。

1.2降水樣品采樣與分析

1.3數(shù)據(jù)分析方法

相對(duì)酸度(FA)是用來評(píng)價(jià)降水酸度中和程度的一個(gè)指標(biāo)，本文采用BALASUBRAMANIAN等[1,14]提出的公式進(jìn)行計(jì)算。中和因子(NF)是評(píng)價(jià)降水被堿性物質(zhì)中和的一個(gè)參數(shù)，由POSSANZINI等[1,15]提出的公式計(jì)算獲得。

富集系數(shù)(EF)通過計(jì)算降水中離子濃度比例與參考物質(zhì)中相同的離子濃度比例的比值來揭示元素來源的重要信息。通常以海洋作為Na+的唯一來源[16]，而Ca2+是典型的親石元素，成分不會(huì)輕易改變，因此其可以作為陸源的參考離子[17-18]。分別根據(jù)文獻(xiàn)方法[1]計(jì)算雨水中離子相對(duì)于Na+、Ca2+的富集系數(shù)。

淮南地區(qū)作為內(nèi)陸城市，可以忽略火山和其他天然源的貢獻(xiàn)，大氣降水中離子主要來源包括海相輸入、巖石土壤風(fēng)化和人為活動(dòng)等3部分[19]。海相輸入(SSF)、巖石/土壤風(fēng)化(CF)和人為活動(dòng)(AF)的相對(duì)貢獻(xiàn)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

AF(%)=100-SSF(%)-CF(%)

(3)

式中：X代表降水中的不同離子；海水中X/Na+比例參照KEENE等[16]的海水成分?jǐn)?shù)據(jù)；土壤中X/Ca2+比例參照TAYLOR[20]的地殼成分?jǐn)?shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1降水的pH和電導(dǎo)率

降水pH是反映區(qū)域降水化學(xué)特征的綜合性指標(biāo)。2013年，淮南市降水pH的實(shí)測(cè)值范圍為6.30～7.03，雨量加權(quán)平均值為6.66。2014年，淮南市降水pH的實(shí)測(cè)值范圍為6.23～6.84，雨量加權(quán)平均值為6.71，兩年間差異較小，所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均高于酸雨臨界值5.60，表明淮南市降水沒有呈現(xiàn)酸化的狀況。

2013年，淮南市降水電導(dǎo)率實(shí)測(cè)值范圍為15.0～71.0 μS/cm，雨量加權(quán)平均值為38.9 μS/cm。2014年，降水電導(dǎo)率實(shí)測(cè)值范圍為26.3～71.0 μS/cm，雨量加權(quán)平均值為34.3 μS/cm(表1)。兩年監(jiān)測(cè)期間，淮南市降水樣品EC的雨量加權(quán)平均值和國(guó)內(nèi)其他站點(diǎn)的比較如表2所示。淮南市為36.6 μS/cm，低于克拉瑪依[5]、北京[2]、太原[6]等北方城市，略高于深圳[4]、金華市[7]，大大高于國(guó)內(nèi)北方降水背景站點(diǎn)瓦里關(guān)山降水的平均電導(dǎo)率14.8 μS/cm[21]。降水樣品電導(dǎo)率主要由其中的水溶性離子組分決定，其數(shù)值與水溶性離子濃度總和有關(guān)[22]，降水中離子成分有一部分來源于降水對(duì)大氣污染物的清除過程。因此，電導(dǎo)率對(duì)降水的污染程度有一定的指示作用。與國(guó)內(nèi)其他站點(diǎn)和背景站對(duì)比來看，淮南地區(qū)降水中含有較多的大氣污染物，大氣降水受人為污染的影響較重。

表1 淮南城市降水pH、EC及各離子組分的雨量加權(quán)平均濃度Table 1 Volume weighted mean values of pH, EC, and concentrations for major ions of precipitationin the Huainan City

注：EC單位為μs/cm，其他離子單位均為μeq/L。

表2 淮南城市降水EC和離子總濃度的雨量加權(quán)均值與國(guó)內(nèi)其他站點(diǎn)的比較Table 2 Volume weighted mean values of EC and total ionic concentrations in the Huainan City and comparisionwith other sites in China

2.2降水的離子濃度特征及組成分析

降水化學(xué)組成和降水量逐月變化如圖1所示?？傮w來看，降水量較小的季節(jié)離子濃度要高于降水量較大季節(jié)，冬季遠(yuǎn)高于其他季節(jié)。2013年，淮南市降水主要分布在6—8月，雨季降水中總離子濃度較小，其中6月最低，為230.19 μeq/L，而其他降水量較小月份離子濃度較高，其中4月高達(dá)1 180.76 μeq/L；2014年，淮南市降水量8月最高，達(dá)到273.20 mm，其他月份降水量較為均衡，均值為54.50 mm，降水量小的1—2月離子濃度最高，分別為1 099.94、723.50 μeq/L，其他月份離子濃度變化不大，均值為451.70 μeq/L。

從表2數(shù)據(jù)對(duì)比來看，兩年期間，淮南市降水離子總濃度均值為524.36 μeq/L，遠(yuǎn)低于沈陽[1]、北京[2]、天津[8]等大氣污染嚴(yán)重的北方城市，而遠(yuǎn)高于沿海的深圳[4]、臨安[23]，與西南地區(qū)的成都[24]、滄州[25]等城市相近。北方污染嚴(yán)重城市，以北京為例，受中國(guó)西北部沙塵源區(qū)的影響比較大，同時(shí)北京及其周邊地區(qū)能源消耗主要以煤炭為主，在冬季取暖期更為突出，空氣污染嚴(yán)重。此外，北京屬半干旱氣候條件，年降水量較少，各種空氣污染物容易在大氣中累積，導(dǎo)致降水中離子的濃度較高。而大氣污染相對(duì)較低的南方城市，以深圳為例，屬亞熱帶海洋性氣候，受海洋季風(fēng)的影響較大，年降水量大，污染物不易在大氣中累積，此外深圳沒有取暖期，對(duì)煤炭的使用比北方城市少，大氣中污染物的濃度相對(duì)較低，從而導(dǎo)致降水中離子濃度的水平相對(duì)較低[4]。

圖1 淮南市降水中水溶性離子濃度組成及降水量的月變化Fig.1 Monthly distribution for precipitation and composition of major ions in the Huainan City

綜合淮南市的能源結(jié)構(gòu)和氣候環(huán)境來看，作為華東地區(qū)著名的能源基地，受煤礦開采和火力發(fā)電等人為活動(dòng)影響，空氣污染較為嚴(yán)重，但所在區(qū)域?qū)倥瘻貛Ш蛠啛釒У倪^渡氣候帶、半濕潤(rùn)氣候地區(qū)，相較沈陽、北京等北方污染較重城市，該市雨水較為豐富，尤其在夏季汛期，降水頻繁，從一定程度上可以減輕污染物在大氣中的累積，因此大氣污染處于中度污染水平。

2.3降水酸化和中和

2.4降水中離子來源分析

通常降水中離子有共同的物質(zhì)來源或經(jīng)過了相同化學(xué)反應(yīng)過程都會(huì)有較好的相關(guān)性[28]，因此

表3 淮南城市降水pH、EC及主要離子之間的相關(guān)性Table 3 Correlation matrix for pH, EC, and major ions of precipitation in the Huainan City

注：“*”表示P<0.05；“** ”表示P<0.01。

表4 降水樣品相對(duì)于海洋和土壤的富集系數(shù)Table 4 Enrichment factor of precipitation samples relative to sea and soil

表5 淮南城市大氣降水中離子組分各種來源的相對(duì)貢獻(xiàn)率Table 5 Percent ratio of three source contribution for different type of major ions of precipitation in the Huainan City %

3 結(jié)論

1)研究期間，淮南市降水pH實(shí)測(cè)值范圍為6.23～7.03，均大于5.60，雨量加權(quán)平均值為6.68，不屬于酸性降水。降水EC的雨量加權(quán)平均值為36.6 μS/cm，與國(guó)內(nèi)其他站點(diǎn)和背景站對(duì)比來看，淮南地區(qū)降水中含有較多的大氣污染物，處于中度污染水平。

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ChemicalCompositionandSourceAssessmentofPrecipitationinHuainan

XIE Kai1, LI Ren2, ZHANG Lei3

1.School of Sciences, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China 2.Environmental Monitoring Station of Huainan Environmental Protection Bureau, Huainan 232001, China 3.School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China

X823

A

1002-6002(2017)03- 0031- 08

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.06

2016-03-09;

2016-03-30

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51504012)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51579001)；安徽理工大學(xué)青年教師科學(xué)研究基金自然類重點(diǎn)項(xiàng)目(QN201426)

謝 凱(1980-)，男，安徽定遠(yuǎn)人，博士，副教授。