基于GIS的重庆市酸雨时空分布及变化特征研究

刘灿 李礼

摘要：利用重庆市46个酸雨监测站2011～2016年的酸雨监测数据，基于地理信息系统（GIS）技术，对重庆市2011～2016年的酸雨时空分布及变化特征进行了研究，旨在为环境管理和决策提供技术支持和科学依据。结果表明：重庆市酸雨区主要分布在西部、主城区、中部地区，非酸雨区主要分布在东北部和东南部;降水平均pH低值中心位于大足区、涪陵区，降水平均pH高值中心位于城口县、石柱县、武隆区、秀山县;2011～2016年间，重庆市大部分地区酸雨强度明显减弱，酸雨频率明显下降，可见重庆市酸雨污染明显改善。

关键词：重庆;酸雨区;时空分布;GIS

中图分类号：X517

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（ 2019） 24-0110-05

1 引言

人类社会的迅速发展，导致大气中的污染物含量急剧上升，改变大气的理化性质，影响了大气降水的酸碱度。酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪、雹等形式的大气降水[1]。其对生态环境具有极大的危害性，能污染水体、腐蚀金属和建筑、危害植被等，严重破坏生态平衡[2]。

东亚是世界三大酸雨区之一，其中中国酸雨区降水酸度最强、面积最大，已形成华东、华中、华南和西南四大酸雨区。重庆尤为严重，已成为西南地区的酸雨中心地带[3]。目前基于GIS技术开展的酸雨时空分布特征研究较多，赵艳霞研究了中国2005年的酸雨时空分布特征;王苗对湖北省2007～2014年的酸雨变化时空特征进行了分析;牟永铭基于GIS技术开展了浙江省酸雨区分布研究;唐信英分析了整个西南地区的酸雨时空分布特征;巴金基于降水监测数据分析了重庆市1997～2006年的酸雨时空分布和季节变化规律。本文利用重庆市生态环境监测的46个酸雨站点数据，探求重庆市的酸雨时空分布及变化趋势，以期为环境管理和决策提供技术支持和科学依据。

2 数据资料与技术方法

2.1 数据资料

本文的数据资料以重庆市46个酸雨站点2011～2016年降水数据为基础进行统计分析。年降水平均pH值为2011～2016年所有站点降水平均值;依照重庆的气候特点划分，春、夏、秋、冬四季降水平均pH值为所有站点3～5月份、6～8月份、9～11月份、12～次年1月份的数据计算得出;月降水pH值数据通过计算当月所有降水的pH数据计算获得。

2.2 平均pH值、酸雨频率

平均pH值的计算采用氢离子（H+）浓度一降水量加权法.即将每次降水的pH值换算成氢离子浓度，乘以相应的降水量求其平均，具体计算公式如下：

式（1）～（3）中：Ci（ H+）为氢离子摩尔浓度，单位为mol/L; Vt为每次降雨量，单位为mm。酸雨频率是一年（月）出现酸性降水样品次数除以该年（月）降水样品总次数的百分率[4]。

2.3GIS分析方法

地理信息技术是一种常用的空间数据分析技术，它具有强大的空间分析功能，能根据现有的酸雨资料和数据，按照酸雨分布机理，建立空间数值模拟模型计算出各地酸雨的分布情况，对空间信息数据进行图形化输出，形象直观，为科学准确地确定酸雨分布范围提供依据[5]。

在目前常用的GIS空间分析插值方法中[6-9]，反距离权重插值法（IDW）是一种以数据点与网格点的距离R的平方倒数（1/R2）作为权值插值方法，其应用简便，插值数据精度较高，是一种广泛采用的插值方法，本文基于IDW法对降水平均pH值进行模拟来研究重庆市的酸雨时空分布及变化特征。

3 重庆市酸雨时空分布特征

3.1 重庆市酸雨强度时间分布特征

由重慶市2011～2016年月、季平均降水pH值图（图1），可以看出，重庆市降水的pH值较低，酸雨程度较为严重。从月份上看，降水平均pH值在4.50～5. 10之间，2月份最低，酸雨强度最强，8月份最高，酸雨强度最弱;从季节上看，四季降水平均pH值在4.63～5.07之间，pH值由高到低依次为夏季、春季、秋季、冬季，与月平均pH值年内变化规律一致。年内降水平均pH值变化主要分为两个阶段，3～8月份为pH上升阶段，9月份至次年2月份为pH下降阶段，即春季～夏季pH值升高，秋季一冬季pH值下降。

3.2 重庆市酸雨强度空间分布特征

重庆市年内降水pH值差异较大，市内各区域降水pH值差异也较明显。由重庆市2011～2016年降水平均pH值及酸雨强度空间分布图（图2）可知重庆市酸雨分布面积较广。渝西、主城区、西南部、东北部南部地区等为弱酸雨分布区[1O];西部的大足区、西南部的涪陵区为主要的强酸雨分布区，并形成了两个pH低值中心;万州区、云阳县、开州区交界地区pH值也较低;非酸雨区主要分布在渝东南大部和渝东北北部地区，城口县、石柱县、武隆县、秀山县为降水pH值高值中心。

从季节上看，四季降水平均pH的空间分布规律与年降水平均pH值的空间分布规律基本一致，略有差异。

春季，酸雨低值中心位于大足区，涪陵区的酸雨低值中心消失，大足区的强酸雨区面积有所扩大，其他分布情况与年降水平均pH值的空间分布规律基本一致。

夏季，只有一个酸雨低值中心，位于大足区，分布面积极少，低值中心不明显，潼南区形成一个非酸雨区，开州区的非酸雨区面积有所增加。

秋季，大足区、武隆区、涪陵区分别形成酸雨低值中心，巫溪县、城口县、巫山县三个区县的部分区域形成弱酸雨区。

冬季，大足区、武隆区、万盛区分别形成酸雨低值中心，其他分布情况与年降水平均pH值的空间分布规律基本一致。

3.3 重庆市酸雨频率时间分布特征

由重庆市2011～2016年年内月、季酸雨频率图（图3）可以看出，重庆市酸雨频率较高。从月份上看，酸雨频率在32. 05%～63. 46%之间，2月份酸雨频率最高，8月份酸雨频率最低;从季节上看，四季酸雨频率在36. 39%～43.04%之间，酸雨频率由高到低依次为冬季、秋季、春季、夏季，与月酸雨频率年内变化规律一致。年内酸雨频率的变化主要分为两个阶段，3～8月份为酸雨频率下降阶段，9月份至次年2月份为酸雨频率上升阶段，即春季一夏季酸雨频率下降，秋季一冬季酸雨频率下降。

3.4 重庆市酸雨频率空间分布特征

酸雨频率是反映酸雨强度的一个重要指标，重庆市年、季酸雨频率与酸雨强度的空间分布规律基本一致，即降水酸度强的区域，酸雨频率较高，降水酸度弱的区域，酸雨频率较低，见图4。

4 重庆市酸雨变化时空分布特征

4.1 重庆市酸雨强度变化时间分布特征

由重庆市2011～2016年、季降水平均pH值图（图5）可知，2011- 2016年重庆市年降水平均pH值呈现明显的上升趋势，四季降水平均pH值也呈上升趋势，各季变化趋势略有差异，这表明重庆市酸雨强度有所下降。

4.2 重庆市酸雨强度变化空间分布特征

重庆市2011～2016年酸雨强度变化量在-1.35～2. 32之间，全市绝大部分地区酸雨强度有不同程度的减弱，极小部分区域酸雨强度有一定程度的增强，酸雨强度减弱最明显的为开州区，酸雨强度增强最明显的为永川区。酸雨强度减弱较明显的区域为西部的荣昌区、大足区、铜梁区，主城的北碚区、沙坪坝区、渝北区、江北区、巴南，中部涪陵区、长寿区、垫江区、丰都县，西南部的武隆区，渝东北的忠县、万州区、开州区及巫溪县;酸雨强度增强的区域主要分布在永川区、綦江区、奉节县、巫山县，少部分区域分布在九龙坡区和大渡口区（图6）。

4.3 重庆市酸雨频率变化的时间分布特征

重庆市2011～2016年酸雨频率在23. 15%～54.97%之间，2011年酸雨频率最高，2016年酸雨频率最低，酸雨频率年均减少7%，酸雨频率的变化趋势可分为三个阶段，第一阶段为2011～2014年，酸雨频率减少较为平缓;第二阶段为2014～2015年，酸雨频率明显降低;第三阶段为2015～2016年，酸雨频率降低不明显。从季节上看，重庆市酸雨频率逐年降低，整体变化趋势与年际变化趋势一致，各季节间的变化趋势略有差异，2016年各季节的酸雨频率均较低（图7）。

4.4 重庆市酸雨频率变化的空间分布特征

重庆市2011～2016年酸雨频率变化量在-97%～45%之间，全市绝大部分地区酸雨频率有不同程度的下降，极小部分区域酸雨频率有一定程度的上升，酸雨频率下降最明显的为丰度区县，酸雨频率上升最明显的为永川区。酸雨频率下降较明显的区域为西部的铜梁区、大足区，主城的北碚区、沙坪坝区，中部长寿区、丰都县、涪陵区，西南部的万盛区，渝东北的开州区、忠县、万州区及云阳县;酸雨强度增强的区域主要分布在永川区、綦江区，少部分区域分布在九龙坡区和江津区（图8）。

5 结论与讨论

5.1 结论

（1）酸雨强度时间分布及变化特征。2011～2016年年内降水平均pH值在4.50～5.10之间，2月份最低，8月份最高;从季节上看，四季降水平均pH值在4. 63～5. 07之间，四季降水平均pH值由低到高依次为冬季、秋季、春季、夏季;2011～2016年重庆市年降水平均pH值呈现明显的上升趋势，年降水平均pH值由4. 55上升至5.43，酸雨强度明显减弱。

（2）酸雨强度空间分布及变化特征。渝西、主城区、西南部、东北部南部地区等为弱酸雨分布区;大足区、涪陵区为主要的强酸雨分布区，并形成了两个pH低值中心，万州区、云阳县、开州区交界地区pH值也较低;非酸雨区主要分布在渝东南大部和渝东北北部地区，城口县、石柱县、武隆县、秀山县为降水平均pH值的高值中心;2011～2016年重庆市降水平均pH值的变化量在-1. 35～2. 32之间，绝大部分地区降水平均pH上升，极小部分区域降水平均pH值上下降，降水平均pH值上升最明显的为开州区，降水平均pH值下降最明显的为永川区。

（3）酸雨频率时间分布及变化特征。2011～2016年酸雨频率在54. 97%～23. 15%之间，2011年酸雨频率最高，2016年酸雨频率最低。2011～2016年重庆市酸雨频率变化量在- 97%～45%之间，其中2011～2015年酸雨频率明显下降，2015～2016年酸雨频率变化不明显。

（4）酸雨频率空间分布及变化特征。全市绝大部分地区酸雨频率有不同程度的下降，极小部分区域酸雨频率有一定程度的上升，酸雨频率下降最明显的为丰度区县，酸雨频率上升最明显的为永川区。

5.2 讨论

本文利用46个站点的降水pH值监测数据，对重庆市2011～2016年的酸雨分布、变化特征进行了分析，较好的揭示了近年来重庆市酸雨的分布情况及变化规律，但是未对酸雨中的离子组分变化进行分析与研究，无法揭示重庆市酸雨中离子组分的变化情况，难以分析出重庆市酸雨变化的成因，因此，在后续的研究中将开展酸雨离子组分的变化分析，以期能为环境管理决策提供科学技术支撑。

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[10]中国气象局，酸雨观测业务规范[M].北京：气象出版社，2005.

收稿日期：2019-11-19

作者简介：刘灿（1987-）.男，硕士，工程师，主要从事生态环境遥感与地理信息技术方面的研究工作。

通讯作者：李礼（1983-）.男，博士，正高级工程师，主要从事生态环境质量监测技术研究工作。