武昌區酸和溶解性固體濕沉降量主導因素分析

孫雪梅，陳睿弢，凌曉歡

(1.武漢環境投資開發集團有限公司，湖北 武漢 430020；2.湖北省生態環境廳武漢生態環境監測中心，湖北 武漢 430022)

1 引言

降水是常見的自然現象，同時也是大氣污染物向水體和土壤遷移的重要途徑。大氣中各種污染物隨降水沉降到地面的過程稱為濕沉降，也稱降水清除。濕沉降可分為酸沉降、溶解性固體沉降和不溶性顆粒物沉降。

由于人類活動對環境影響的加劇，導致降水水質惡化——主要是酸雨問題日益突出，對降水的監測成為環境質量監測工作的重要組成部分，圍繞酸雨的各項理化特征也進行了大量的研究[1～10]。

很明顯，某物質的濕沉降量=降水中某物質濃度×降水量。但實際降水過程中，濃度和降水量這兩個直接影響因素對濕沉降量的影響力并不一定均等。這方面國內尚未見相關研究報道。

本文根據2014～2017年武漢市武昌區逐次降水監測數據，分析了該區域酸的濕沉降量(以H+計，以下簡稱酸沉降量)和溶解性固體的濕沉降量(以下簡稱TDS沉降量)各自的主導因素。

2 研究樣本

2.1 降水采樣與監測

依照關于大氣降水采樣、保存、分析的各項國家標準、行業標準[11～15]，設置固定采樣點，對降水進行了持續采集和監測。采樣點位、設備、頻次、監測項目、分析方法詳見表1。

2.2 數據選取

整體選取2014～2017年內所有逐次監測數據共計222組，作為本研究樣本的數據源。

2.3 數據預處理

按公式(1)～(4)計算逐次降水的H+濃度、TDS濃度、酸沉降量、TDS沉降量：

H+濃度(mg/L)=10-pH×1000

(1)

酸沉降量(mg/m2)=H+濃度(mg/L)×降水量(mm)

(2)

TDS濃度(mg/L)=電導率(μS/cm)×0.5

(3)

TDS沉降量(mg/m2)=TDS濃度(mg/L)×降水量(mm)

(4)

3 統計分析方法

3.1 相關系數計算

相關系數一般是指簡單相關系數，即Pearson相關系數，是度量2個變量之間線性相關程度的量，記為r。計算方法為：

(5)

由數學變換可知，除直接線性相關外，還有一些常見的相關關系可以很方便地轉化為線性關系，同樣可以用相關系數r來度量變量間的相關程度：

若Y與X呈對數相關，則Y與X的對數呈線性相關；若Y與X呈指數相關，則Y的對數與X呈線性相關；若Y與X呈冪相關，則Y的對數與X的對數呈線性相關。

本研究中，對于每組變量X、Y，均試算r(X,Y)、r(lnX,Y)、r(X,lnY)、r(lnX,lnY)4個相關系數，根據其絕對值大小判斷該組變量最可能的相關關系，并相應地確定在后續回歸分析中應采用的變量形式。

3.2 回歸分析

根據3.1中確定的最可能相關關系，取合適的變量形式，構建一元線性回歸模型，并估算模型參數，得到線性回歸方程。通過函數形式變換，可將估算得到的線性回歸方程轉化為變量X、Y之間的函數關系式：Y=f(X)。

根據樣本數據制成散點圖，并繪制函數曲線Y=f(X)，形成回歸分析圖。從圖上可直觀檢驗回歸曲線與觀察值分布的相符性，或發現通過相關系數計算未能發現的其他相關關系。

回歸方程參數的估算過程較為復雜，目前一般采用計算機軟件輔助進行。

本研究中3.1相關系數計算和3.2回歸分析的實際計算工作均使用Microsoft Excel 2010軟件進行。

3.3 相關性的顯著性檢驗

以上3.1和3.2的工作是基于一個假設，即變量X、Y相關。而這個相關性的存在是否可信，則需要運用假設檢驗的方法來判斷。

本研究中p值的計算使用Microsoft Excel 2010，顯著性水平限值按學術慣例取0.01。

4 結果與分析

4.1 酸沉降量的主導因素

4.1.1 酸沉降量與H+濃度的相關性

根據逐次降水的H+濃度、酸沉降量，制成酸沉降量與H+濃度變化圖(圖1)。

圖1 酸沉降量與H+濃度變化

由圖1可見，酸沉降量與H+濃度的變化曲線峰谷位置較一致，吻合程度較高。

進一步采用統計方法，計算酸沉降量與H+濃度的相關系數，并作顯著性檢驗和回歸分析。結果如圖2。

圖2 酸沉降量與H+濃度相關性

分析結果顯示，酸沉降量與H+濃度相關性極其顯著(p≈0)，二者呈冪函數關系，相關系數r=0.9052。

4.1.2 酸沉降量與降水量的相關性

根據逐次降水的降水量、酸沉降量，制成酸沉降量與降水量變化圖(圖3)。

圖3 酸沉降量與降水量變化

由圖3可見，酸沉降量與降水量的變化曲線峰谷位置僅有部分一致，降水量波動明顯更加頻繁。

進一步采用統計方法，計算酸沉降量與降水量的相關系數，并作顯著性檢驗和回歸分析。結果如圖4所示。

圖4 酸沉降量與降水量相關性

分析結果顯示，酸沉降量與降水量相關性也極其顯著(p≈0)，二者也呈冪函數關系，相關系數r=0.6432。

4.1.3 小結

酸沉降量與H+濃度的變化曲線峰谷位置較一致，酸沉降量與降水量的變化曲線峰谷位置僅有部分一致，降水量波動明顯更加頻繁。

酸沉降量與H+濃度和降水量均有極顯著相關性，呈冪函數關系。酸沉降量與H+濃度相關系數高達0.9052，相關性極強；酸沉降量與降水量相關系數為0.6432，相關性相對較弱。

相關研究表明，降水H+濃度與降水量之間存在顯著的中等正相關[6]，因此推斷，酸沉降量與降水量的相關性很大程度上是受酸沉降量與H+濃度相關性的間接影響，酸沉降量主要取決于H+濃度，降水量是次要因素。

4.2 TDS沉降量的主要影響因素

4.2.1 TDS沉降量與TDS濃度的相關性

根據逐次降水的TDS濃度、TDS沉降量，制成TDS沉降量與TDS濃度變化圖(圖5)：

圖5 TDS沉降量與TDS濃度變化

由圖1可見，TDS沉降量與TDS濃度的變化曲線峰谷位置無明顯關聯。

進一步采用統計方法，計算TDS沉降量與TDS濃度的相關系數，并作顯著性檢驗和回歸分析。結果如圖6所示。

圖6 TDS沉降量與TDS濃度相關性

分析結果顯示，TDS沉降量與TDS濃度相關性顯著(p<0.005)，二者呈冪函數關系，相關系數r=0.2022。

4.2.2 TDS沉降量與降水量的相關性

根據逐次降水的降水量、TDS沉降量，制成TDS沉降量與降水量變化圖(圖7)。

圖7 TDS沉降量與降水量變化

由圖3可見，TDS沉降量與降水量的變化曲線峰谷位置有部分一致。

進一步采用統計方法，計算TDS沉降量與降水量的相關系數，并作顯著性檢驗和回歸分析。結果如圖8所示。

圖8 TDS沉降量與降水量相關性

分析結果顯示，TDS沉降量與降水量相關性極其顯著(p≈0)，二者也呈冪函數關系，相關系數r=0.6816。

4.2.3 小結

TDS沉降量與TDS濃度的變化曲線峰谷位置無明顯關聯，TDS沉降量與降水量的變化曲線峰谷位置有部分一致。

TDS沉降量與TDS濃度和降水量均顯著相關，呈冪函數關系。TDS沉降量與TDS濃度相關系數僅0.2022，相關性較弱；TDS沉降量與降水量相關系數為0.6816，相關性強。

相關研究表明，降水電導率與降水量之間存在顯著的強負相關[16]，所以TDS濃度和降水量對TDS沉降量的影響是相互拮抗的，TDS濃度和降水量對TDS沉降量均有影響，但降水量是主導因素。

5 結論

(1)H+濃度和降水量對酸沉降量都有明顯影響，H+濃度是主導因素，降水量是次要因素。

(2)降水量是TDS沉降量的主導因素。TDS濃度對TDS沉降量也有影響，但影響程度很小。

(3)較大的降水量能明顯清除更多大氣污染物，改善環境空氣質量，但同時在一定程度上會增加酸沉降，不利于地表生態環境。

(4)減少酸雨，提高降水pH值(即減小降水H+濃度)能有效降低降水量增大帶來的酸沉降增加風險。