固原市酸雨变化特征及影响因素分析

王桂芳 ，何 云，马 强，梁继忠，常耀军，马国涛

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川750002；3.宁夏固原市气象局，宁夏 固原756000）

近年来环境污染日趋严重，环境问题越来越引起人们的广泛关注。其中，酸雨对环境危害极大，已成为全球性环境污染问题之一。酸雨可造成江、河、湖等水体酸化，水生物生存受影响，与金属、混凝土等发生化学反应，加速楼房、桥梁等建筑物的侵蚀。酸雨能使土壤酸化，肥力下降，影响森林、农作物生长发育及产量，导致品质下降。总之，酸雨直接或者间接影响到社会生产和生活[1]。

酸雨通常是指pH约5.60的大气降水。大气降水的形式包括：雨、雪、雹等[2]。由于受到人类活动的影响，降水在形成过程中，受到大气中二氧化碳和其他污染气体以及大气中悬浮颗粒物可溶成分的影响，降水的pH值会出现较大幅度的变化。降水的pH值成为反映降水酸碱度特性以及受人类活动影响的主要指标之一。此外，大气中的各种可溶性污染气体和颗粒物进入降水后，使其导电能力增加，降水K值大小在一定程度上反映出降水中这些污染物的总含量水平，也成为降水被环境物质污染的指标之一。

近年来对酸雨研究越来越引起学者的广泛重视[3]，丁国安等[4]研究了中国酸雨现状及发展趋势，汤杰等[5]研究了1992—2006年中国降水酸度的变化，赵晓莉等[6]研究了四川省酸雨的时空变化特征，张永峰[7]研究了酸雨的危害和防御对策。各个地区酸雨时空变化及气象条件对酸雨影响的研究也逐渐增多，李莹等[8]研究了太原市酸雨变化与降水量、风速、大气逆温层的关系，杨何著[9]研究了济南近年来酸雨特征与PM10和SO2、降水量、大气逆温层的关系，杜建飞等[10]研究了上海地区的降水酸碱度及影响因子，这些都是工业城市，降水污染较重，酸雨发生频率较高的地区。但研究非工业区的固原市酸雨的变化特征及影响因素还不多见，陈海波等[11]只是对固原的大气干湿沉降做了对比分析。

本文利用宁夏固原市气象局国家气候基准站2001—2016年连续16 a的853次酸雨观测数据，对近年来固原市降水pH值、电导率K进行统计分析，分析酸雨在固原市的时空变化规律和趋势，为准确掌握固原市环境污染状况和生态环境治理提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文所用资料包括降水量、pH值、K值、风向、风速，均来源于宁夏固原市国家基准气候站2001—2016年连续监测资料，观测方法严格按照中国气象局《酸雨观测业务规范》[2]进行。

1.2 观测站概况

固原市国家基准气候站地处内陆黄土高原中部，位于36毅00忆N，106毅16忆E，海拔1753 m；境内六盘山脉纵横其南部，地势南高北低，沟壑纵横；地表植被稀少，干旱少雨，春季大风、沙尘天气较多；降雨季节变化大，冬春少，夏秋多。监测点周围土壤pH为7.5，周围20 km内无化肥厂、农药厂、火力发电厂等大型污染源。

1.3 降水采样、观测仪器和计算方法

按照中国气象局2005年制定颁布的《酸雨观测业务规范》进行采样和观测。采用上海精密科学仪器有限公司雷磁仪器厂生产的pHS-3B型精密酸度计和DDS-307电导率仪分别测量降水的pH值和电导率K值。

每日08时（北京时）为酸雨观测降水采样的日界，当日08时—次日08时为一个降水采样日。在一个降水采样日内，无论降水是否有间歇及间歇长短，降水量达到1.0 mm时，必须进行酸雨观测，同时记录一个采样日内的总降水量、风向风速及天气现象。计算平均pH值，采用氢离子浓度[H+]—降水量加权法，将每次降水的pH值换算成氢离子浓度后，以雨量加权求其平均值，再换算成pH值，在一段时间内统计平均值，得到该时段内平均pH值。统计时段一般有月平均、季度平均、年平均、多年累积平均等。pH值的范围0耀14，pH值约7时，降水显酸性；pH值跃7时，降水显碱性；pH值等于7时，降水显中性。以酸离子浓度来划分降水酸度等级。用统计时段内pH值约5.6的发生次数与pH值观测总次数的比值大小，即百分比来划分酸雨频率的等级，以此来衡量本地酸雨的严重程度[12]。

2 结果分析

2.1 降水pH值、电导率K值变化特征

2.1.1 降水pH值和电导率K值的概率分布

固原市基准站2001—2016年共测量降水样品853个，加权平均降水pH值为7.44、K值为74.9。图1为降水pH值概率分布图。其中，pH值臆5.6的发生概率为0.47%，共出现4次酸雨，分别出现在2001年9月20日和9月28日、2002年的8月12日和8月14日，降水pH值最小为5.19，对应K值为29.6，出现在2001年9月20日。8.00约pH值臆9.18出现的概率为9.5%。5.6约pH值臆7.0的发生概率为13.48%，7.00约pH值臆8.0发生概率为76.55%。降水pH值最大为8.81，对应K值为131.0，出现在2003年6月6日。由此可见，固原市降水总体显示弱碱性，属于非酸雨区，与周围土壤pH值7.5一致。

图1 固原站2001—2016年降水pH值的概率分布

2.1.2 降水pH值，电导率K值的年变化

对2001—2016年降水月平均pH值、K值逐月计算，计算结果表明，年平均pH值为7.42、K值为75.2。月平均pH值最大为8.33，出现在2006年2月，月平均电导率K值最大值为230.5，出现在2002年2月；月平均pH值最小值为6.66，出现在2002年8月，月平均电导率K值最小值为30.7，出现在2013年7月。各月的变化如图2所示，从图2可以发现，月平均pH值、K值变化范围分别为 7.33耀7.62、56.8~119.1。月平均pH值的变化为：1—2月和9—12月处在上升期，2月达到最高值，3—8月处于下降期，8月达到最低值。pH值，电导率K值的变化趋势基本一致。月平均K值的变化为：1—3月、10—12月处于上升期，3月达到最大值，4—9月处于下降期，9月到达最低值。从图上可以看出，月平均pH值、K值的变化都属于单谷单峰分布，这种变化主要由于受气候影响，2—3月固原土壤开始解冻，地表疏松，自然植被还未完全覆盖，加之干旱少雨，地面土壤容易被风卷起污染大气导致pH值，电导率K变大；4月以后自然植被慢慢覆盖，降水逐渐增多，本地和远处的尘土杂质不易吹起污染大气，使得pH值，电导率K逐渐变小。10月—次年1月，随着雨季退去，自然植被逐渐冬眠，固原站附近没有其他大型污染源，尘土沙粒又易吹起污染大气，所以pH值、电导率K值逐渐增大。

图2 固原站累年不同月份月平均降水pH值、K值

2.1.3 降水pH值，电导率K值的四委变化

按照气候学划分季节标准，上年12—2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季。对固原市2001—2016年的降水pH值、K值按照对应的季分别进行统计平均，计算结果见图3。固原市的平均季降水pH值、K值分别为7.49和89.7，显示弱碱性。降水pH值、K值有明显的季节变化，二者变化基本一致。pH值春季最高，秋季最低，冬季次高，夏季次低。K值是冬季最高，春季次高，秋季最低，夏季次低。均呈现出单谷型，这种变化与当地的气候变化有密切关系。固原春季风沙最大，干旱少雨，自然植被还未返青，农作物也未长出，风大容易吹起本地尘土沙粒，致使空气中悬浮大量尘埃沙粒，影响到降水pH值、K值，若降水达到酸雨的标准，降水样本浑浊一般都有沉淀。夏秋季是固原自然植被最好，作物生长旺盛，雨水最多的季节，风小本地沙粒不易吹起，加之雨水多对大气有一定清洁作用，导致降水pH、K值较小，特别是秋季若是连阴雨且雨量大，降水pH值接近7.0，电导率K值很小，每天测定的降水pH值、K值几乎相等。

图3 固原站累年不同季节平均降水pH值、K值分布

2.1.4 降水pH值，电导率K值的年际变化

图4是固原市降水的pH值、电导率K值的年平均时序变化。由图4可知，多年平均pH为7.42，属于非酸雨区；多年平均电导率K值为75.2，年平均pH值在6.99耀7.72之间，电导率K值在59.1耀89.7之间，各年之间并没有表现出较大的差异。年平均pH值最大值出现在2014年（7.72），最小出现在2001年（6.99），年平均电导率K值最大出现在2002年（89.7），最小出现在2013年（59.1）。

从年际变化总体趋势看，固原市的降水呈现弱碱性，pH值、K值在逐渐增大，说明固原市环境污染少，空气质量越来越好。究其原因，可能与近年来固原市先后推进大六盘生态经济圈、大六盘生态保护长廊建设、大力实施退耕还林草、植树造林、保护天然林、生态移民、污染减排等措施保护生态环境、固原市的森林覆盖率达22.2%等措施取得的成效有关。

图4 固原站2001—2016年年平均降水pH值、K值年际变化

2.2 影响降水pH值、电导率K值的气象条件分析

降水的pH值、电导率K值除了受当地大气污染的影响外，气象条件的影响也至关重要，随着气象要素的变化，pH值、电导率K值也会变化。

2.2.1 降水量对降水pH值，电导率K值的影响

月平均降水量与pH、K值的关系见图5，由图5可以看出，1—12月累年月平均降水量亦呈单峰单谷型分布，但与pH值、电导率K值变化趋势相反。降水量从1月开始逐渐递增，8月达到最大值，9月开始递减，12月份降水量达到最小值。pH值、K值从1月开始慢慢上升，2月pH值达到最大为7.62，3月K值达到最大为119.1，以后开始下降，4、5、6、7月每月下降，8月pH值降到最小为7.33；9月K值达到最小为56.8。10月又开始上升，直到次年的2，3月。pH值、K值与降水量成负相关，随着降水量的增加（减小），pH值，K值逐渐减小（增加），说明降水下降过程中冲洗了空中的杂质、泥土等污染物，对天空有洁净作用。

2.2.2 风速对降水pH值、电导率K值影响

从某种意义上讲，风是表征大气对污染物输送、扩散的重要因子[13-14]。近地面的风对降水pH值、电导率K值的影响是非常大的。

由图6可以看出，1—5月、10—12月平均风速逐渐增大，6—9月平均风速逐渐减小，5月达到最大值为3.2 m/s，9月风速降到最小值为2.3 m/s。降水pH值1—2月、10—12月逐渐递增，6—9月逐渐减小，2月pH值达到最大值，8月为最小值。电导率K值在1—3月、10—12月降水逐渐增大，4—9月电导率K值在逐渐减小，而且4—8月K值下降趋势很快，8—9月下降缓慢。

由此可见，风速越大，降水pH值、K值越大；风速越小，pH值、K值越小。降水pH值、电导率K值的最大值没有出现在风速最大值5月间，而是出现在2—3月，是因为3月下旬到4月自然植被开始返青，5月基本全部返青，对地面的沙土有一定的保护作用。虽然风大，但沙土、尘埃等污染物不易吹起。

2.2.3 降水前有浮尘、扬沙、沙尘暴天气现象对降水pH值、电导率K值影响个例分析

为了进一步研究降水前有浮尘、扬沙、沙尘暴天气现象对降水pH值、电导率K值影响，开展个例分析（表1），降水前有扬沙、沙尘暴或浮尘天气现象对pH值、K值影响个例分析。如果降水前有扬沙、浮尘或者沙尘暴天气现象，一旦出现降水，由于降水的“冲刷”作用，会将天空中泥土、沙粒、杂质等尘埃稀释或清洗掉，收集到的降水样品通常悬浮混浊，有泥土杂质沉淀，所测得pH值大都在8.00以上、K值一般都在100.0以上。足以说明，这三种天气现象对降水pH值，电导率K值影响非常大。

图5 固原站月平均降水量与pH值（a）及K值（b）的变化

图6 月平均风速与pH值（a）及K值（b）变化图

表1 降水前有浮尘或扬沙天气个例分析

3 结论与讨论

利用固原市2001—2016年的酸雨观测资料，分析了平均降水pH值，电导率K值的变化特征和影响因素，结论如下：

（1）固原市逐年平均降水pH值在6.99耀7.72，多年平均降水pH值均跃7.0，月降水pH值7.0耀9.18，频率为76.6%，平均降水pH值显碱性，年际变化总体呈上升趋势。

（2）自2001年6月开展酸雨观测项目以来，固原市共有4次弱酸雨，出现频率为0.5%，远远小于20%的酸雨区划分标准，属于非酸雨区。

（3）固原市降水pH值分布有明显的季节变化，冬春季高，在7.5以上，夏秋季逐渐降低，在7.2上下，呈现单谷、单峰的变化趋势。

（4）固原市平均降水pH值、K值的单谷、单峰变化主要与当地的气候和土壤条件有关，与降水量成负相关，与本地的风速、大风扬沙、浮尘、沙尘暴成正相关。

（5）酸雨的形成以及影响降水的pH值、K值是复杂的大气化学过程，影响因素很多。由于此次研究收集的资料有限，只是从气象因素对降水pH值、K值的影响做的分析。

本文研究没有考虑上游空气的污染源、风向以及化学成分对降水pH值、K值的影响。今后将继续加强酸雨及主要污染物的监测工作，并进一步从天气学角度探索天气系统、逆温层等对酸雨发生规律以及影响降水pH值、K值的因素，为固原市环境治理提供更科学的依据。

参考文献：

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