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泰山降水的化学特征研究

刘晓环  
【摘要】: 酸雨一直是国际研究的热点问题,在我国七五、八五期间被列为国家科技攻关项目。十一五期间,酸雨又被列为国家973项目,研究我国酸雨的输送态势和沉降机制;作为973项目的子课题,本项目在泰山山上和山下两个站点进行了降水化学观测。泰山地处欧亚大陆的东部边缘,东亚地区的中西部,极顶海拔1545m,山上观测点处于泰山极顶,大气边界层和自由对流层的交界处,大气湍流显著,利于污染物的扩散和传输,具有区域代表性;另一观测点——山下观测点位于泰山脚下城市郊区,海拔128.6m。对泰山山上和山下观测点的降水做对比分析,可了解该地区的大气污染和降水化学特征的空间和时间分布,分析降水污染的程度和变化趋势。 山上和山下两个观测点分别进行两年和一年的降水化学观测。观测期间,共采集有效降雨和降雪111场次,测定和分析项目包括pH值、电导率、主要水溶性阴阳离子(F~-,Cl~-,NO_2~-,NO_3~-,SO_4~(2-),HCO_3~-,NH_4~+,K~+,Na~+,Ca~(2+),Mg~(2+))、有机酸(甲酸、乙酸和草酸)以及重金属(Al,Mn,Fe,Ni,Cu,Zn,As,Cd,Pb,Cr)。通过山上和山下两个观测点的对比,初步分析了该地区的降水的化学特征。 研究结果表明,山上降水在05、06年两年的pH值变化范围为3.57~7.58,加权均值为4.55,仅在2006年的pH均值为4.53。2006年山下降水pH值变化范围为3.53~7.61,加权均值为4.42,山下降水酸度略高于山上;SO_4~(2-)、NO_3~-、NH_4~+和Ca~(2+)是所占比例较大的阴阳离子,在山上和山下的加权均值浓度分别为:SO_4~(2-)148.3/209.9μeq/l,NO_3~-38.1/49.9μeq/l,NH_4~+101.3/139.8μeq/l,Ca~(2+)69.5/100.4μeq/l,分别占总离子浓度的32.76%/33.48%,8.42%/7.96%,22.38%/22.30%和15.36%/16.01%;甲酸和乙酸是降水中主要的有机酸,部分降水检出草酸,上、下站点甲、乙、草酸的浓度分别为:甲酸8.2/10.7μeq/l,乙酸5.6/7.6μeq/l,草酸0.05/0.1μeq/l,上下站点有机酸总量分别占总离子浓度的3.07%、2.93%;Zn在两站点降水中都是含量最大的重金属,上、下站点Zn浓度分别为73.0/70.4μg/l,占重金属总量的58.5%/53.9%,元素Fe、Al和Mn浓度次于Zn,上、下浓度分别为18.9/10.8μg/l、11.7/17.9μg/l、9.0/11.8μg/l,这四种元素所占比例达重金属总量的90%多,Cr浓度最小,在所有的降水中均未检出,上、下重金属总量分别是总离子浓度的0.82%和0.62%。 山上降水两年(2005年与2006年)相比较,除个别常规离子和重金属外,2006年浓度普遍高于2005年,其中所占百分比较大的SO_4~(2-)、NO_3~-、NH_4~+、Ca~(2+)浓度以及重金属Zn、Al以及Fe在2006年降水中明显高于2005年,降水化学特征与2006年雨量偏少有关,另一方面也暗示该地区降水污染略有加重。 常规离子和重金属季节变化表明,山上降水的主要离子和重金属以及有机酸普遍在春季出现高值,表明沙尘暴对山上降水的化学特征影响很大,其他三个季节元素和离子间变化规律则各不相同,表明各种因素会共同影响降水的化学特征;山下降水的主要离子和重金属的季节变化出现两峰值,在春秋两季含量较高,最高值出现在秋季,有机酸变化规律受其来源于植物释放的影响,在夏季和秋季含量偏高。 山上和山下同期降水对比表明,地面大气对降水有一定影响,表现在山下NH_4~+、Ca~(2+)、NO_3~-、SO_4~(2-)明显高于山上同期降水浓度,而由于某些特殊的污染源的污染物对泰山高空大气的影响造成了主要的重金属组分Fe和Zn的浓度在山上明显高于山下。 统计分析表明,同一观测点降水中,NH_4~+和Ca~(2+)与酸性物质NO_3~-和SO_4~(2-)不仅相关性非常显著,且聚类分析中为同一类,表明NO_3~-和SO_4~(2-)在形成降水之前在大气中主要以(NH_4)_2SO_4、NH_4NO_3以及Ca(NO_3)_2的形式存在,氨和钙盐中和了降水中NO_3~-和SO_4~(2-);另外,As与Cd、Ni与Zn、AI与Fe以及甲酸和乙酸之间都表现出极强的相关性,说明了相近的来源;站点之间各种离子的相关性分析表明,2006年上下两站点所有场次降水的相关性较差,而发生时间接近且降水气团来向接近降水的常规离子和重金属相关性很好,表明引起降水的气团对两个观测点的降水化学特征也会有很大影响。 总之,泰山降水的酸性问题已经比较严重,山上降水在两年内污染略有加重。由于受污染物远距离传输和局地源的影响不同,山上山下降水特征差别明显,主要的离子和重金属的时间变化规律明显不同;降水发生的时间以及降水气团的来源与山上山下降水的化学特性关系密切。


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