2020年濟(jì)南市大氣降水無機(jī)離子組分特征分析

劉建軍 朱玉玲 郭萌萌 馬姍姍

(1.山東省濟(jì)南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，濟(jì)南 250014；2. 濟(jì)南市食品藥品檢驗(yàn)檢測(cè)中心，濟(jì)南 250014)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城區(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市環(huán)境空氣污染物容量超過負(fù)荷，大氣降水被認(rèn)為是凈化大氣環(huán)境最為有效的手段[1]，是大氣污染物重要的匯[2]。因此對(duì)大氣降水的化學(xué)組分研究可以反映大氣污染程度、判斷大氣污染因子等情況，有利于地區(qū)大氣污染問題的預(yù)防與控制。近年來，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)大氣降水化學(xué)組分及其來源已經(jīng)做了大量研究，比如北京、西安、鄭州、寧波、桂林等。濟(jì)南市地理位置優(yōu)越，北連首都經(jīng)濟(jì)圈，南接長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)圈，東西連通山東半島與華中地區(qū)，是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)和京滬經(jīng)濟(jì)軸上的重要交匯點(diǎn)，是京津冀及周邊“2+26”城市之一，但大氣污染問題較為嚴(yán)峻，根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的168 個(gè)重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量排名中，2020年5-10 月濟(jì)南均處于后 20名內(nèi)，全年位于倒數(shù)11名。目前對(duì)濟(jì)南市大氣降水化學(xué)組分和沉降特征的研究較少，本研究測(cè)定了濟(jì)南市2020年1月-12月大氣降水中無機(jī)離子濃度，分析了降水污染特征和各離子組分來源，以期為區(qū)域大氣污染防治決策提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

濟(jì)南市位于山東省中部(116°11′-117°44′E ，36°01′-37°32′N)，地處魯中南低山丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，地下水蓄存量豐富，城內(nèi)百泉爭(zhēng)涌，是著名的泉城和國(guó)家歷史文化名城，屬暖溫帶半濕潤(rùn)的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北-西南風(fēng)，年平均氣溫13.8℃，平均降水量685 mm。2020年濟(jì)南全市平均降水量為736 mm，較常年降水量高約7%。

1.2 樣品采集與分析

本研究降水樣品采集點(diǎn)位于山東省濟(jì)南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心實(shí)驗(yàn)樓頂層(117°8′E，36°38′N)，距離地面約20m。采樣點(diǎn)周邊為居民區(qū)、辦公區(qū)和交通道路，局地有部分建筑工地，附近無工業(yè)企業(yè)等固定污染源。樣品采集采用手工采樣方式，用聚乙烯塑料小桶收集降水樣品，同時(shí)放置標(biāo)準(zhǔn)雨量筒收集雨水記錄降雨量。樣品采集全過程降水，逢雨必測(cè)，每24小時(shí)采樣1次，采樣時(shí)間和頻率依據(jù)《酸沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T165-2004)要求開展。2020年1月-12月共采集有效降水樣品51個(gè)。樣品測(cè)定指標(biāo)包含pH、電導(dǎo)率、降水量及硫酸根、硝酸根、氟、氯、銨、鈣、鎂、鈉、鉀9種離子。

1.3 質(zhì)量控制

樣品采集和分析過程均依據(jù)《酸沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 165-2004)要求開展質(zhì)量保證與質(zhì)量控制工作。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠，對(duì)所有采集的有效水樣中的總陰離子、總陽離子當(dāng)量濃度進(jìn)行線性回歸分析(圖1)，總陰離子和總陽離子的相關(guān)系數(shù)為0.857，為相關(guān)性為P<0.01的極顯著相關(guān)，樣品質(zhì)量具有一定可靠性。

圖1 總陰離子、總陽離子當(dāng)量濃度線性回歸

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量和降水pH

2020年1月1日-12月31日，共采集有效降水樣品51個(gè)。降水樣品pH值范圍在6.24～7.93之間，按降水量加權(quán)平均值為6.79。按照大氣降水化學(xué)特性的酸堿分類方法，pH值大于5.6的不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害的稱為堿性降水[4]，本研究中所有降水樣品pH值均大于5.6，總體呈弱堿性。

按月份分析，月變化特征見圖2。

圖2 2020年濟(jì)南市大氣降水量與pH值月變化趨勢(shì)

大氣降水pH值月變化除12月份外，基本呈現(xiàn)先升后將的趨勢(shì)，與降水量呈顯著的負(fù)相關(guān)性。從季節(jié)分布來看，濟(jì)南市降水pH加權(quán)均值春季(3-5月)為6.93高于其他季節(jié)，且出現(xiàn)單次降水pH最大值7.93，分析原因?yàn)闈?jì)南市春季大氣受風(fēng)沙浮沉影響，大氣中含有豐富的堿性陽離子，隨著降水增多，大氣中堿性的沙塵受降水沖刷沉降，大氣降水pH逐漸降低，酸性增強(qiáng)。

2.2 降水電導(dǎo)率(EC)

降水EC值主要由其中的水溶性離子組分決定，對(duì)降水污染程度有一定的指示作用，可間接反應(yīng)區(qū)域大氣的污染程度[5]。本次研究中，降水樣品EC值范圍為7.5～206 μs/cm，平均值為67.6 μs/cm，遠(yuǎn)高于我國(guó)降水背景點(diǎn)瓦里關(guān)山的平均電導(dǎo)率14.8 μs/cm[6]，略高于同為北方城市的北京52.23 μs/cm[7]和鄭州52.47 μs/cm[8]，間接說明濟(jì)南市大氣污染狀況較重。

2.3 降水離子組分特征

表1 北方東西部重點(diǎn)城市大氣降水主要離子濃度 單位：μeq/L

圖3 2020年濟(jì)南市大氣降水中主要離子濃度占比

濟(jì)南市大氣降水中各季節(jié)主要離子按雨量加權(quán)濃度數(shù)據(jù)見表2。

表2 2020年濟(jì)南市大氣降水中主要離子濃度 單位：μeq/L

2.4 降水類型

表3 北方部分城市大氣降水中值

2.5 降水離子Pearson相關(guān)分析

通過離子之間的相關(guān)性分析，可以在一定程度上分析離子的來源。本研究利用SPSS軟件的Person相關(guān)性算法，計(jì)算出各離子濃度之間的相關(guān)性系數(shù)(表4)。

表4 濟(jì)南市2020年大氣降水中主要離子相關(guān)系數(shù)矩陣

3 結(jié)論

(1)濟(jì)南市2020年大氣降水pH值范圍在6.24～7.93之間，按降水量加權(quán)平均值為6.79，與降水量呈顯著的負(fù)相關(guān)性，總體呈弱堿性。

(2)濟(jì)南市降水樣品EC值范圍為7.5～206 μs/cm，按降水量加權(quán)平均值為67.6 μs/cm，遠(yuǎn)高于我國(guó)降水背景點(diǎn)，間接表明空氣污染狀況較重。