淮南市降水化学组成特征与来源分析

谢 凯，李 任，章 磊

1.安徽理工大学理学院，安徽 淮南 232001 2.淮南市环境保护局环境监测站，安徽 淮南 232001 3.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001

淮南市降水化学组成特征与来源分析

谢 凯1，李 任2，章 磊3

1.安徽理工大学理学院，安徽 淮南 232001 2.淮南市环境保护局环境监测站，安徽 淮南 232001 3.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001

降水；化学组分；富集系数；源解析

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

降水可以有效去除空气中的悬浮颗粒物和有害气体，但在净化大气的同时其自身的化学特征也发生了相应的变化。因此，降水化学组成和浓度水平能够从一定程度反映大气环境状况和大气中污染物的来源。自20世纪90年代中期开始，我国学者对不同地区的降水化学特征进行了广泛的研究，尤其在城市化进程加快的背景下，酸雨或大气污染等问题突出，城市地区的降水化学一直是研究的热点区域[1-9]，不同区域降水化学组分及来源逐渐得以明晰，为国内大气污染环境治理提供了翔实的基础数据资料。

淮南市是我国华东地区重要的能源城市，已探明煤炭储量约400亿t，是中国13亿t煤炭基地之一[10]，伴随煤炭工业的发展，其电力工业逐渐兴起并发展成为独立的工业门类，到2020年将建成装机总容量达到2 000万kW·h的火电基地，成为名副其实的“火电三峡”。淮南煤炭、电力及化工工业的发展产生了大量的悬浮颗粒物和有害气体，对区域大气环境影响较大，研究该区域降水化学特征对分析大气污染状况、识别污染物的来源及评价其环境影响具有十分重要的意义。

研究表明，降水化学组成特征因站点、区域以及污染源不同而存在较大差异[2-9]，目前关于大型城市[1-2,4,8]的降水化学报导较多，而对污染严重的资源型城市相关研究较少。本研究借助酸度分析、中和因子和富集系数等分析方法，分析淮南城市的降水化学组成特征和离子来源，并与其他城市进行比较，为能源工业城市的大气环境研究提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1研究区域概况

淮南市位于安徽省北部，是中国华东地区重要的能源基地，煤炭开采和火力发电是城市的支柱性产业。淮河由东向西贯穿淮南市，市境以淮河为界形成两种不同的地貌类型，淮河以南为丘陵，属于江淮丘陵的一部分，淮河以北为地势平坦的淮北平原。淮南地区属暖温带和亚热带的过渡气候带、半湿润气候地区，气候温和、季节明显，年平均气温为15.6 ℃，年均降水量为896.00 mm，且季节性降雨分布不均匀，汛期6～9月降水量占全年55.0%[11]。

1.2降水样品采样与分析

1.3数据分析方法

相对酸度(FA)是用来评价降水酸度中和程度的一个指标，本文采用BALASUBRAMANIAN等[1,14]提出的公式进行计算。中和因子(NF)是评价降水被碱性物质中和的一个参数，由POSSANZINI等[1,15]提出的公式计算获得。

富集系数(EF)通过计算降水中离子浓度比例与参考物质中相同的离子浓度比例的比值来揭示元素来源的重要信息。通常以海洋作为Na+的唯一来源[16]，而Ca2+是典型的亲石元素，成分不会轻易改变，因此其可以作为陆源的参考离子[17-18]。分别根据文献方法[1]计算雨水中离子相对于Na+、Ca2+的富集系数。

淮南地区作为内陆城市，可以忽略火山和其他天然源的贡献，大气降水中离子主要来源包括海相输入、岩石土壤风化和人为活动等3部分[19]。海相输入(SSF)、岩石/土壤风化(CF)和人为活动(AF)的相对贡献计算公式如下：

(1)

(2)

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

(3)

式中：X代表降水中的不同离子；海水中X/Na+比例参照KEENE等[16]的海水成分数据；土壤中X/Ca2+比例参照TAYLOR[20]的地壳成分数据。

2 结果与讨论

2.1降水的pH和电导率

降水pH是反映区域降水化学特征的综合性指标。2013年，淮南市降水pH的实测值范围为6.30～7.03，雨量加权平均值为6.66。2014年，淮南市降水pH的实测值范围为6.23～6.84，雨量加权平均值为6.71，两年间差异较小，所有监测数据均高于酸雨临界值5.60，表明淮南市降水没有呈现酸化的状况。

2013年，淮南市降水电导率实测值范围为15.0～71.0 μS/cm，雨量加权平均值为38.9 μS/cm。2014年，降水电导率实测值范围为26.3～71.0 μS/cm，雨量加权平均值为34.3 μS/cm(表1)。两年监测期间，淮南市降水样品EC的雨量加权平均值和国内其他站点的比较如表2所示。淮南市为36.6 μS/cm，低于克拉玛依[5]、北京[2]、太原[6]等北方城市，略高于深圳[4]、金华市[7]，大大高于国内北方降水背景站点瓦里关山降水的平均电导率14.8 μS/cm[21]。降水样品电导率主要由其中的水溶性离子组分决定，其数值与水溶性离子浓度总和有关[22]，降水中离子成分有一部分来源于降水对大气污染物的清除过程。因此，电导率对降水的污染程度有一定的指示作用。与国内其他站点和背景站对比来看，淮南地区降水中含有较多的大气污染物，大气降水受人为污染的影响较重。

表1 淮南城市降水pH、EC及各离子组分的雨量加权平均浓度Table 1 Volume weighted mean values of pH, EC, and concentrations for major ions of precipitationin the Huainan City

注：EC单位为μs/cm，其他离子单位均为μeq/L。

表2 淮南城市降水EC和离子总浓度的雨量加权均值与国内其他站点的比较Table 2 Volume weighted mean values of EC and total ionic concentrations in the Huainan City and comparisionwith other sites in China

2.2降水的离子浓度特征及组成分析

降水化学组成和降水量逐月变化如图1所示。总体来看，降水量较小的季节离子浓度要高于降水量较大季节，冬季远高于其他季节。2013年，淮南市降水主要分布在6—8月，雨季降水中总离子浓度较小，其中6月最低，为230.19 μeq/L，而其他降水量较小月份离子浓度较高，其中4月高达1 180.76 μeq/L；2014年，淮南市降水量8月最高，达到273.20 mm，其他月份降水量较为均衡，均值为54.50 mm，降水量小的1—2月离子浓度最高，分别为1 099.94、723.50 μeq/L，其他月份离子浓度变化不大，均值为451.70 μeq/L。

从表2数据对比来看，两年期间，淮南市降水离子总浓度均值为524.36 μeq/L，远低于沈阳[1]、北京[2]、天津[8]等大气污染严重的北方城市，而远高于沿海的深圳[4]、临安[23]，与西南地区的成都[24]、沧州[25]等城市相近。北方污染严重城市，以北京为例，受中国西北部沙尘源区的影响比较大，同时北京及其周边地区能源消耗主要以煤炭为主，在冬季取暖期更为突出，空气污染严重。此外，北京属半干旱气候条件，年降水量较少，各种空气污染物容易在大气中累积，导致降水中离子的浓度较高。而大气污染相对较低的南方城市，以深圳为例，属亚热带海洋性气候，受海洋季风的影响较大，年降水量大，污染物不易在大气中累积，此外深圳没有取暖期，对煤炭的使用比北方城市少，大气中污染物的浓度相对较低，从而导致降水中离子浓度的水平相对较低[4]。

图1 淮南市降水中水溶性离子浓度组成及降水量的月变化Fig.1 Monthly distribution for precipitation and composition of major ions in the Huainan City

综合淮南市的能源结构和气候环境来看，作为华东地区著名的能源基地，受煤矿开采和火力发电等人为活动影响，空气污染较为严重，但所在区域属暖温带和亚热带的过渡气候带、半湿润气候地区，相较沈阳、北京等北方污染较重城市，该市雨水较为丰富，尤其在夏季汛期，降水频繁，从一定程度上可以减轻污染物在大气中的累积，因此大气污染处于中度污染水平。

2.3降水酸化和中和

2.4降水中离子来源分析

通常降水中离子有共同的物质来源或经过了相同化学反应过程都会有较好的相关性[28]，因此

表3 淮南城市降水pH、EC及主要离子之间的相关性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 降水样品相对于海洋和土壤的富集系数Table 4 Enrichment factor of precipitation samples relative to sea and soil

表5 淮南城市大气降水中离子组分各种来源的相对贡献率Table 5 Percent ratio of three source contribution for different type of major ions of precipitation in the Huainan City %

3 结论

1)研究期间，淮南市降水pH实测值范围为6.23～7.03，均大于5.60，雨量加权平均值为6.68，不属于酸性降水。降水EC的雨量加权平均值为36.6 μS/cm，与国内其他站点和背景站对比来看，淮南地区降水中含有较多的大气污染物，处于中度污染水平。

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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

国家自然科学基金青年基金项目(51504012)；国家自然科学基金面上项目(51579001)；安徽理工大学青年教师科学研究基金自然类重点项目(QN201426)

谢 凯(1980-)，男，安徽定远人，博士，副教授。