固原市酸雨變化特征及影響因素分析

王桂芳 ，何 云，馬 強，梁繼忠，常耀軍，馬國濤

（1.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川750002；2.寧夏氣象防災減災重點實驗室，寧夏 銀川750002；3.寧夏固原市氣象局，寧夏 固原756000）

近年來環境污染日趨嚴重，環境問題越來越引起人們的廣泛關注。其中，酸雨對環境危害極大，已成為全球性環境污染問題之一。酸雨可造成江、河、湖等水體酸化，水生物生存受影響，與金屬、混凝土等發生化學反應，加速樓房、橋梁等建筑物的侵蝕。酸雨能使土壤酸化，肥力下降，影響森林、農作物生長發育及產量，導致品質下降。總之，酸雨直接或者間接影響到社會生產和生活[1]。

酸雨通常是指pH約5.60的大氣降水。大氣降水的形式包括：雨、雪、雹等[2]。由于受到人類活動的影響，降水在形成過程中，受到大氣中二氧化碳和其他污染氣體以及大氣中懸浮顆粒物可溶成分的影響，降水的pH值會出現較大幅度的變化。降水的pH值成為反映降水酸堿度特性以及受人類活動影響的主要指標之一。此外，大氣中的各種可溶性污染氣體和顆粒物進入降水后，使其導電能力增加，降水K值大小在一定程度上反映出降水中這些污染物的總含量水平，也成為降水被環境物質污染的指標之一。

近年來對酸雨研究越來越引起學者的廣泛重視[3]，丁國安等[4]研究了中國酸雨現狀及發展趨勢，湯杰等[5]研究了1992—2006年中國降水酸度的變化，趙曉莉等[6]研究了四川省酸雨的時空變化特征，張永峰[7]研究了酸雨的危害和防御對策。各個地區酸雨時空變化及氣象條件對酸雨影響的研究也逐漸增多，李瑩等[8]研究了太原市酸雨變化與降水量、風速、大氣逆溫層的關系，楊何著[9]研究了濟南近年來酸雨特征與PM10和SO2、降水量、大氣逆溫層的關系，杜建飛等[10]研究了上海地區的降水酸堿度及影響因子，這些都是工業城市，降水污染較重，酸雨發生頻率較高的地區。但研究非工業區的固原市酸雨的變化特征及影響因素還不多見，陳海波等[11]只是對固原的大氣干濕沉降做了對比分析。

本文利用寧夏固原市氣象局國家氣候基準站2001—2016年連續16 a的853次酸雨觀測數據，對近年來固原市降水pH值、電導率K進行統計分析，分析酸雨在固原市的時空變化規律和趨勢，為準確掌握固原市環境污染狀況和生態環境治理提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文所用資料包括降水量、pH值、K值、風向、風速，均來源于寧夏固原市國家基準氣候站2001—2016年連續監測資料，觀測方法嚴格按照中國氣象局《酸雨觀測業務規范》[2]進行。

1.2 觀測站概況

固原市國家基準氣候站地處內陸黃土高原中部，位于36毅00憶N，106毅16憶E，海拔1753 m；境內六盤山脈縱橫其南部，地勢南高北低，溝壑縱橫；地表植被稀少，干旱少雨，春季大風、沙塵天氣較多；降雨季節變化大，冬春少，夏秋多。監測點周圍土壤pH為7.5，周圍20 km內無化肥廠、農藥廠、火力發電廠等大型污染源。

1.3 降水采樣、觀測儀器和計算方法

按照中國氣象局2005年制定頒布的《酸雨觀測業務規范》進行采樣和觀測。采用上海精密科學儀器有限公司雷磁儀器廠生產的pHS-3B型精密酸度計和DDS-307電導率儀分別測量降水的pH值和電導率K值。

每日08時（北京時）為酸雨觀測降水采樣的日界，當日08時—次日08時為一個降水采樣日。在一個降水采樣日內，無論降水是否有間歇及間歇長短，降水量達到1.0 mm時，必須進行酸雨觀測，同時記錄一個采樣日內的總降水量、風向風速及天氣現象。計算平均pH值，采用氫離子濃度[H+]—降水量加權法，將每次降水的pH值換算成氫離子濃度后，以雨量加權求其平均值，再換算成pH值，在一段時間內統計平均值，得到該時段內平均pH值。統計時段一般有月平均、季度平均、年平均、多年累積平均等。pH值的范圍0耀14，pH值約7時，降水顯酸性；pH值躍7時，降水顯堿性；pH值等于7時，降水顯中性。以酸離子濃度來劃分降水酸度等級。用統計時段內pH值約5.6的發生次數與pH值觀測總次數的比值大小，即百分比來劃分酸雨頻率的等級，以此來衡量本地酸雨的嚴重程度[12]。

2 結果分析

2.1 降水pH值、電導率K值變化特征

2.1.1 降水pH值和電導率K值的概率分布

固原市基準站2001—2016年共測量降水樣品853個，加權平均降水pH值為7.44、K值為74.9。圖1為降水pH值概率分布圖。其中，pH值臆5.6的發生概率為0.47%，共出現4次酸雨，分別出現在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值最小為5.19，對應K值為29.6，出現在2001年9月20日。8.00約pH值臆9.18出現的概率為9.5%。5.6約pH值臆7.0的發生概率為13.48%，7.00約pH值臆8.0發生概率為76.55%。降水pH值最大為8.81，對應K值為131.0，出現在2003年6月6日。由此可見，固原市降水總體顯示弱堿性，屬于非酸雨區，與周圍土壤pH值7.5一致。

圖1 固原站2001—2016年降水pH值的概率分布

2.1.2 降水pH值，電導率K值的年變化

對2001—2016年降水月平均pH值、K值逐月計算，計算結果表明，年平均pH值為7.42、K值為75.2。月平均pH值最大為8.33，出現在2006年2月，月平均電導率K值最大值為230.5，出現在2002年2月；月平均pH值最小值為6.66，出現在2002年8月，月平均電導率K值最小值為30.7，出現在2013年7月。各月的變化如圖2所示，從圖2可以發現，月平均pH值、K值變化范圍分別為 7.33耀7.62、56.8~119.1。月平均pH值的變化為：1—2月和9—12月處在上升期，2月達到最高值，3—8月處于下降期，8月達到最低值。pH值，電導率K值的變化趨勢基本一致。月平均K值的變化為：1—3月、10—12月處于上升期，3月達到最大值，4—9月處于下降期，9月到達最低值。從圖上可以看出，月平均pH值、K值的變化都屬于單谷單峰分布，這種變化主要由于受氣候影響，2—3月固原土壤開始解凍，地表疏松，自然植被還未完全覆蓋，加之干旱少雨，地面土壤容易被風卷起污染大氣導致pH值，電導率K變大；4月以后自然植被慢慢覆蓋，降水逐漸增多，本地和遠處的塵土雜質不易吹起污染大氣，使得pH值，電導率K逐漸變小。10月—次年1月，隨著雨季退去，自然植被逐漸冬眠，固原站附近沒有其他大型污染源，塵土沙粒又易吹起污染大氣，所以pH值、電導率K值逐漸增大。

圖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，電導率K值的四委變化

按照氣候學劃分季節標準，上年12—2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。對固原市2001—2016年的降水pH值、K值按照對應的季分別進行統計平均，計算結果見圖3。固原市的平均季降水pH值、K值分別為7.49和89.7，顯示弱堿性。降水pH值、K值有明顯的季節變化，二者變化基本一致。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。均呈現出單谷型，這種變化與當地的氣候變化有密切關系。固原春季風沙最大，干旱少雨，自然植被還未返青，農作物也未長出，風大容易吹起本地塵土沙粒，致使空氣中懸浮大量塵埃沙粒，影響到降水pH值、K值，若降水達到酸雨的標準，降水樣本渾濁一般都有沉淀。夏秋季是固原自然植被最好，作物生長旺盛，雨水最多的季節，風小本地沙粒不易吹起，加之雨水多對大氣有一定清潔作用，導致降水pH、K值較小，特別是秋季若是連陰雨且雨量大，降水pH值接近7.0，電導率K值很小，每天測定的降水pH值、K值幾乎相等。

圖3 固原站累年不同季節平均降水pH值、K值分布

2.1.4 降水pH值，電導率K值的年際變化

圖4是固原市降水的pH值、電導率K值的年平均時序變化。由圖4可知，多年平均pH為7.42，屬于非酸雨區；多年平均電導率K值為75.2，年平均pH值在6.99耀7.72之間，電導率K值在59.1耀89.7之間，各年之間并沒有表現出較大的差異。年平均pH值最大值出現在2014年（7.72），最小出現在2001年（6.99），年平均電導率K值最大出現在2002年（89.7），最小出現在2013年（59.1）。

從年際變化總體趨勢看，固原市的降水呈現弱堿性，pH值、K值在逐漸增大，說明固原市環境污染少，空氣質量越來越好。究其原因，可能與近年來固原市先后推進大六盤生態經濟圈、大六盤生態保護長廊建設、大力實施退耕還林草、植樹造林、保護天然林、生態移民、污染減排等措施保護生態環境、固原市的森林覆蓋率達22.2%等措施取得的成效有關。

圖4 固原站2001—2016年年平均降水pH值、K值年際變化

2.2 影響降水pH值、電導率K值的氣象條件分析

降水的pH值、電導率K值除了受當地大氣污染的影響外，氣象條件的影響也至關重要，隨著氣象要素的變化，pH值、電導率K值也會變化。

2.2.1 降水量對降水pH值，電導率K值的影響

月平均降水量與pH、K值的關系見圖5，由圖5可以看出，1—12月累年月平均降水量亦呈單峰單谷型分布，但與pH值、電導率K值變化趨勢相反。降水量從1月開始逐漸遞增，8月達到最大值，9月開始遞減，12月份降水量達到最小值。pH值、K值從1月開始慢慢上升，2月pH值達到最大為7.62，3月K值達到最大為119.1，以后開始下降，4、5、6、7月每月下降，8月pH值降到最小為7.33；9月K值達到最小為56.8。10月又開始上升，直到次年的2，3月。pH值、K值與降水量成負相關，隨著降水量的增加（減小），pH值，K值逐漸減小（增加），說明降水下降過程中沖洗了空中的雜質、泥土等污染物，對天空有潔凈作用。

2.2.2 風速對降水pH值、電導率K值影響

從某種意義上講，風是表征大氣對污染物輸送、擴散的重要因子[13-14]。近地面的風對降水pH值、電導率K值的影響是非常大的。

由圖6可以看出，1—5月、10—12月平均風速逐漸增大，6—9月平均風速逐漸減小，5月達到最大值為3.2 m/s，9月風速降到最小值為2.3 m/s。降水pH值1—2月、10—12月逐漸遞增，6—9月逐漸減小，2月pH值達到最大值，8月為最小值。電導率K值在1—3月、10—12月降水逐漸增大，4—9月電導率K值在逐漸減小，而且4—8月K值下降趨勢很快，8—9月下降緩慢。

由此可見，風速越大，降水pH值、K值越大；風速越小，pH值、K值越小。降水pH值、電導率K值的最大值沒有出現在風速最大值5月間，而是出現在2—3月，是因為3月下旬到4月自然植被開始返青，5月基本全部返青，對地面的沙土有一定的保護作用。雖然風大，但沙土、塵埃等污染物不易吹起。

2.2.3 降水前有浮塵、揚沙、沙塵暴天氣現象對降水pH值、電導率K值影響個例分析

為了進一步研究降水前有浮塵、揚沙、沙塵暴天氣現象對降水pH值、電導率K值影響，開展個例分析（表1），降水前有揚沙、沙塵暴或浮塵天氣現象對pH值、K值影響個例分析。如果降水前有揚沙、浮塵或者沙塵暴天氣現象，一旦出現降水，由于降水的“沖刷”作用，會將天空中泥土、沙粒、雜質等塵埃稀釋或清洗掉，收集到的降水樣品通常懸浮混濁，有泥土雜質沉淀，所測得pH值大都在8.00以上、K值一般都在100.0以上。足以說明，這三種天氣現象對降水pH值，電導率K值影響非常大。

圖5 固原站月平均降水量與pH值（a）及K值（b）的變化

圖6 月平均風速與pH值（a）及K值（b）變化圖

表1 降水前有浮塵或揚沙天氣個例分析

3 結論與討論

利用固原市2001—2016年的酸雨觀測資料，分析了平均降水pH值，電導率K值的變化特征和影響因素，結論如下：

（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值均躍7.0，月降水pH值7.0耀9.18，頻率為76.6%，平均降水pH值顯堿性，年際變化總體呈上升趨勢。

（2）自2001年6月開展酸雨觀測項目以來，固原市共有4次弱酸雨，出現頻率為0.5%，遠遠小于20%的酸雨區劃分標準，屬于非酸雨區。

（3）固原市降水pH值分布有明顯的季節變化，冬春季高，在7.5以上，夏秋季逐漸降低，在7.2上下，呈現單谷、單峰的變化趨勢。

（4）固原市平均降水pH值、K值的單谷、單峰變化主要與當地的氣候和土壤條件有關，與降水量成負相關，與本地的風速、大風揚沙、浮塵、沙塵暴成正相關。

（5）酸雨的形成以及影響降水的pH值、K值是復雜的大氣化學過程，影響因素很多。由于此次研究收集的資料有限，只是從氣象因素對降水pH值、K值的影響做的分析。

本文研究沒有考慮上游空氣的污染源、風向以及化學成分對降水pH值、K值的影響。今后將繼續加強酸雨及主要污染物的監測工作，并進一步從天氣學角度探索天氣系統、逆溫層等對酸雨發生規律以及影響降水pH值、K值的因素，為固原市環境治理提供更科學的依據。

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