東海海島大氣環境中氯離子沉積速率檢測與影響分析

何筠青,李元貝,許華濤,徐 強,劉 聰

(1.浙江大學 海洋學院, 浙江 舟山 316021; 2.浙江大學 建筑工程學院, 浙江 杭州 310058;3.浙江大學 海洋研究院, 浙江 舟山 316021; 4.西南技術工程研究所, 重慶 400039)

1 前 言

迅速崛起的海洋經濟已成為我國經濟社會發展的新亮點[1]。然而,海洋環境高鹽、高濕、高溫易引成材料性能劣化,造成金屬材料腐蝕和混凝土結構破環[2]。目前的研究多聚焦于氯鹽與材料的直接作用界面[3],以及防腐技術[4]、防腐材料[5]開發。從材料服役全過程而言,海洋大氣中氯離子分布影響規律也同等重要。

海洋大氣中氯鹽顆粒來源于海浪撞擊和氣流作用[6],常把氯離子沉積速率作為海洋環境腐蝕嚴酷度的重要指標[7]。但受限于研究條件,目前的氯離子分布研究往往基于來海方向的一維擴散模式[8],忽略了海島大氣環境中擴散的多維性。在氯離子沉積研究中,國內外學者多關注于研究離海距離[9]、地形地貌[10]、季節[11]、風速[12]、降水[13]等影響,較少關注風向與降水等的多因素共同作用。另外,我國的研究多集中在海南省、廣東省等區域,其較高的環境溫度會逸發生成較高的氯離子沉積速率[14],從而給氯離子分布研究造成較大的背底影響,海洋大氣氯離子采集過程中可能存在飽和現象[15]。

為了研究多維度擴散下氯離子沉積速率的影響規律,實驗選擇在東海海域的浙江大學摘箬山科技島進行環島氯離子沉積速率長期檢測,探究離岸距離、方位、季節、降雨、風況等對海島大氣環境中氯離子沉積速率的影響。

2 實 驗

2.1 測試采樣點

浙江大學摘箬山科技島位于浙江省舟山市,面積2.7 km2,山高215 m,南北長2.26 km,東西寬1.01 km。實驗充分利用摘箬山島天然地形條件,以山頂為中心將該島劃分為八個區域,選取了8個環島測試點和1個山頂測試點,位置如圖1所示、基本位置信息見表1。

表1 各測試點離海岸線距離Table 1 Distance from the coastline for each test position

圖1 摘箬山島測試點位置示意圖Fig.1 Diagram of test positions at Zhairuo island

2.2 氯離子沉積速率檢測

采樣過程:氯離子沉積速率檢測方法參照GJB 8894.1-2017《自然環境因素測定方法 第1部分:大氣環境因素》中的掛片法,采樣裝置如圖2所示。測試采樣周期一般為一個自然月,每個月上島掛樣一次,每次每點放置3個掛樣。

圖2 7號測試采樣裝置現場照片Fig.2 Photograph of No.7 test equipment

洗氯步驟:將掛樣沿內框剪下尺寸為100 mm×100 mm 的紗布后放入錐形瓶,加入去離子水至50 mL,置于65 ℃ HWS-24 型電熱恒溫水浴鍋加熱20 min。冷卻后用中速濾紙過濾,加入去離子水至50 mL再加熱20 min。冷卻后過濾,將所得的濾液放入EP管中待測。

檢測步驟:一次性注射器取約4 mL 濾液,用0.22 μm 的一次性濾膜濾掉微生物及水系有機物。采用重量法稀釋50倍后使用aquion離子色譜儀測定氯離子濃度,然后根據稀釋比例還原計算原液濃度。

2.3 環境參數

實驗測試周期為2021年11月到2022年6月,采用舟山市定海區同時期的氣象數據作為實驗期間摘箬山島的環境氣象數據,如表2所示。

表2 摘箬山島基本氣象數據Table 2 Basic meteorological data of Zhairuo island

3 結果與討論

3.1 金屬涂層掛片環境試驗

如圖3所示,樣品剛放置時表面光潔、封邊完整、標識字跡清晰。經過2年的東海海洋大氣環境中暴露試驗后,封邊大多缺損,表面已有缺陷,裸片上已有銹點。

圖3 鋁合金表面陶瓷涂層樣品在1號測試采樣點放置2年前(a)后(b)的照片Fig.3 Photograph of aluminum alloy samples with ceramic coating which were placed in 1# test position for 2 years (a: 2 years ago, b: now)

3.2 離海岸線距離對氯離子沉積速率的影響

圖4為各測試點的氯離子沉積速率平均值與離海岸線距離的關系。從圖可見,靠近海岸線的站點氯離子沉積速率偏高,而離海岸線較遠的站點氯離子沉積速率相對偏低。氯離子的沉積速率與離海岸線距離的變化近似于指數函數的衰減過程,與Alcantara[16]分析2013年4月至2013年6月獲得的大氣鹽度值與離海岸線距離呈指數衰減趨勢近似。這是因為隨著離岸距離的增加,地面的摩擦引起風速下降[17],離岸越遠,海風強度越低,空氣中氯化物的濃度也越低。對于山頂的9號點,可能是因為樹木和植被的阻擾作用,阻擋了大部分氯離子向更遠更高的地方擴散遷移。

圖4 離海岸線距離對氯離子沉積速率的影響Fig.4 Effect of distance from coastline on chloride deposition rate

3.3 測試采樣點位置方位對氯離子沉積速率影響

實驗期間各測試點氯離子沉積速率的平均值與方位關系如圖5所示。東北方向測試點(1號和2號)的氯離子沉積速率最高,其次是東南方向(7號和8號),西南方向(5號和6號)氯離子沉積速率最低,這與實驗期間島上盛行的風向有關。實驗期間摘箬山島風向由北風主導,東南風其次,順主導風方向的測試點氯離子的沉積速率明顯偏高。在西南方向的站點因處于背風面,氯離子沉積速率偏低。因此,在有明顯主導風向的環境中,測試點方位對氯離子沉積速率有顯著影響。

圖5 測試點位置方位對氯離子沉積速率的影響Fig.5 Influence of test position orientation on chloride deposition rate

3.4 季節對氯離子沉積速率的影響

為了研究不同季節對氯離子沉積速率的影響,分別統計了冬季(11月、12月和1月)、春季(2月、3月和4月)和夏季(5月和6月)3個季節的平均氯離子沉積速率,如圖6所示。從圖可見,各測試點的氯離子沉積速率都呈現出冬季高于春季,春季高于夏季的規律。實驗期間除了1月和2月平均溫度較低外,其他月份均較為接近,平均風速每月差異較小。在降雨方面,12月和1月明顯低于其他月份。

圖6 季節對氯離子沉積速率的影響Fig.6 Influence of season on chloride deposition rate

3.5 降雨對氯離子沉積速率的影響

為進一步研究降雨對氯離子沉積速率的影響,同時排除風能對氯離子沉積速率的影響,實驗選取了風能幾乎相同的12月和2月的數據進行對照分析。如圖7所示,2 月降雨量(174.1 mm)是12 月降雨量(22.2 mm)的近8倍。12月份所有測試點的氯離子沉積速率都要明顯高于2月份的沉積速率。眾所周知,海洋大氣中氯鹽顆粒來源于海浪撞擊和氣流作用,當氯離子濃度不高時易受到降雨影響,雨會直接吸附氯鹽顆粒,降低空氣中氯離子濃度。降雨量越大,造成氯離子的沉積速率越低。

圖7 降雨對氯離子沉積速率的影響Fig.7 Effect of rainfall on chloride deposition rate

3.6 風向、風能與降雨對氯離子沉積速率的影響

圖8給出了1號測試點不同季節風向、風能與降雨對氯離子沉積速率的影響。從圖中可以看出,北風相較于東南風對該站點氯離子沉積速率的影響更大。實驗期間,盡管春季的風能整體有所增加,但春季明顯增加的降雨量直接導致其平均氯離子沉積速率的顯著降低。可以認為,東海海域冬季到春季期間,風向、風能與降雨等多因素作用下,降雨量對氯離子沉積速率的影響最為明顯。

圖8 風向、風能和降雨對氯離子沉積速率的影響Fig.8 Effects of wind direction, wind power and rainfall on chloride deposition rate

4 結 論

離海岸線距離對氯離子沉積速率影響較大,靠近海岸線的站點氯離子沉積速率較高,離海岸線最遠的9號站點最低。

2021年11月到2022年6月期間,摘箬山島各測試點冬季氯離子沉積速率高于春、夏季,東北方向測試點氯離子沉積速率最大。

氯離子沉積速率還受測試點風向與風能、降雨量等方面的影響。東海海域冬季到夏季期間,降雨量對摘箬山島氯離子沉積速率的影響最為明顯。