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Spatial-temporal distribution and variation of atmospheric SO2 concentration in Hangzhou.

杭州市区空气中SO2时空分布与变化



全 文 :杭州市区空气中 SO2 时空分布与变化 3
李震宇 3 3  董 亮 朱荫湄
(浙江大学环境与资源学院 ,杭州 310029)
【摘要】 研究了被动式 SO2 采样法在杭州市区使用的可适性 ,建立了其与空气自动监测数据的回归方程 ,
自动监测值 = 0. 3360 ×挂片值 + 47. 20 , r = 0. 805 ;利用被动采样法适用地域范围广、使用周期长的特点 ,
分析了杭州市区空气中的 SO2 浓度及变化 ,并使之图形化. 结果表明 ,不同气候条件下 SO2 的高值中心位
置不同 ,夏季大气扩散条件好 ,高值中心南移 ,冬季逆温层厚 ,高值中心区变大 ;酸雨的发生强度与发生频
率与大气中 SO2 浓度的季节变化趋势一致.
关键词  SO2  时空分布  被动采样  酸雨  杭州
文章编号  1001 - 9332 (2003) 12 - 2285 - 04  中图分类号  X131  文献标识码  A
Spatial2temporal distribution and variation of atmospheric SO2 concentration in Hangzhou. L I Zhenyu ,DON G
Liang ,ZHU Yinmei ( Envi ronment and Resource Institute , Zhejiang U niversity , Hangz hou 310029 , China) .2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (12) :2285~2288.
The feasibility of diffusible sampler for monitoring SO2 in cantonal Hangzhou was studied ,and its correlation e2
quation with automatic monitoring was built . The distribution and variation of SO2 concentration in Hangzhou
were analyzed and mapped. Position of SO2 concentration centre was changed along with different climate condi2
tion. SO2 concentration centre moved towards south in summer with higher diffusion capability of atmosphere
and enlarged in winter with thicker inversion layer. Intension and frequency of acid rain were consistent with
change tendency of SO2 concentration.
Key words  SO2 , Spatial2temporal distribution , Passive sampling , Acid rain , Hangzhou.
3国家科技攻关项目(85912010105)和浙江省环保局科研计划资助项目.3 3 通讯联系人. 现地址 :浙江省环境监测中心 ,杭州 310012.
2001 - 02 - 09 收稿 ,2001 - 07 - 30 接受.
1  引   言
我国是继北美和欧洲之后的世界第三大酸雨
区[10 ] . 随着国民经济的发展 ,我国因燃煤排放的
SO2 急剧增加. 据统计 , 1990 年全国煤炭消耗量
10. 5 ×108 t ,到 1995 年煤炭消耗量已增至 12. 8 ×
108 t ,SO2 排放量已达 23. 7 ×106 t [8 ] ,居世界首位.
1998 年 ,我国明确划定了国家范围的酸雨控制区和
SO2 污染控制区 ,并提出相应的两控区污染控制目
标.杭州是我国南方酸雨污染较为严重的典型城市
之一 ,“九五”期间全年酸雨率为 65 %~78 %、p H 值
4. 31~4. 71 ,地理位置处于 SO2 排放强度居全国前
列的长江三角洲地区[13 ] . 对该城市上空 SO2 时空变
化分布进行研究 ,有助于解释酸雨形成的原因 ,便于
宏观控制和管理酸雨和 SO2 污染.
污染问题的图形化是近年来国际上研究区域性
环境问题的重要手段[1 ,3 ,7 ,12 ] . 我国近年来开展了对
酸沉降生态敏感性方面的研究[4 ,5 ,11 ,15 ] ,尤其是对
南方地区 (西南、华东等地) ,在研究土壤缓冲性的基
础上[9 ,14 ] ,利用 GIS 图示各地的敏感程度. 各类相
关研究表明 ,浙江省处于南方敏感区之一[4 ,5 ,11 ,15 ] ,
浙江、福建各有 1/ 3 以上的地区属于极敏感区 ,浙江
杭州属于极敏感区范围 ,主要的森林植被松、杉类
(针叶树)和城市行道树如法国梧桐 (落叶阔叶树)均
属极敏感或敏感植物[6 ] ,但目前对酸性大气污染因
子的分布缺乏必要的了解.
杭州市区的 SO2 浓度随着燃煤量的增加而增
加 ,20 世纪 90 年代比 80 年代有一定程度的增长 ,
随着管理的加强及脱硫技术的推广运用 ,近年来
SO2 的年日均浓度的增长趋势不甚明显. 以往的监
测表明 ,市区空气 SO2 的季节变化为冬季最高 ,秋、
春次之 ,夏季较低 ;市区不同区域间比较发现 , SO2
浓度风景区较低 ,居住及交通稠密区次之 ,靠近工业
区的地方较高. 本文运用 SO2 被动采样新技术在杭
州市区对 SO2 进行了扩散式跟踪测定 ,结合大气自
动监测地面站数据 ,绘制了杭州市区 SO2 时空分布
灰度图.
2  材料与方法
211  采样点设置
杭州市区地理位置为 120°16′E ,30°15′N ,风景秀丽的西
应 用 生 态 学 报  2003 年 12 月  第 14 卷  第 12 期                              
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Dec. 2003 ,14 (12)∶2285~2288
湖紧靠市区西侧. 杭州属亚热带季风气候区 ,夏半年 (4~9
月)盛行偏南风 ,冬半年盛行偏北风 ,全年主导风向为西北偏
北风. 本项研究在杭州市区设了 10 个采样点 (图 1) .
图 1  采样点分布图
Fig. 1 Distribution of sampling points.
1 # :和睦 Hewou ;2 # :朝晖 Zhaohui ;3 # : 华家池 Huajiachi ;4 # : 南星
桥 Nanxingqiao ;5 # : 卧龙桥 Wolongqiao ;6 # : 浙图古籍部 Zhetu ;7 # :
官 巷 口 Guanxiangkou ; 8 # : 四 季 青 Sijiqing ; 9 # : 省 监 测 站
Shengzhanchezhan ;10 # :杭玻 Hangbo.
212  采样与分析方法
21211 采样器的结构和原理  对 SO2 的监测采用被动式 SO2
采样器[2 ] ,取样高度约 2 m. 每个采样点设 2 个平行样 ,每月
挂收采样器 ;在 1 # ~5 # 采样点利用地面空气自动站作 SO2
同步测定 ,与被动式采样器的结果进行对照. SO2 被动式采
样器由 3 部分组成. 上盖内径为 25 mm ,盖内表面附着一直
径 25 mm 用 4 % K2CO3 溶液浸渍过的 Whatman40 滤纸 ,用
于吸收空气中的 SO2 . 中间部分为一长 10 mm、外径 25 mm
的圆环 ,此部分是 SO2 的扩散通道. 下盖中间开有一个 20
mm 直径的孔 ,在此盖内表面依次放入直径 25 mm 的不锈钢
丝网和聚四氟乙烯微孔滤膜 ,用于阻止颗粒物的进入.
  被测物质分子由高浓度 (采样器外部)向低浓度方向 (浸
渍滤纸表面) 扩散 ,被测气体 SO2 的环境浓度可从 Fick 定律
导出 :
  Φ= - D ×dC/ dL
式中 ,Φ为 SO2 流通量 ; D 为 SO2 在空气中的扩散系数 (20
℃时 , D = 1. 32 ×10 - 5 m2·s - 1) [2 ] ; dC/ dL 是浓度梯度 ,与气
体的流动方向相反.
21212 样品分析及浓度计算  用 5~10 ml 0. 03 % H2O2 溶
液提取滤纸中的 SO32 - ,硫酸钡浊度法测定提取液中的
SO42 - . 测定的 SO2 平均浓度用下式计算.
  SO2 (μg·m - 3) = 37. 75 × ŠX/ ( D ×t )
式中 , X
-
为浸渍滤纸上 SO2 总量 , D 为扩散系数 (20 ℃时 , D
= 1. 32 ×105 m2·s - 1 ,需根据采样周期内的平均温度做相应
校正 ,温度每增加 1 ℃, D 值增加 0. 2 % ,温度减少 1 ℃, D
值减少 0. 2 %) , t 为采样时间 ,以秒计.
3  结果与讨论
311  自动监测值与挂片值比对
  研究时段内 ,在 1 # ~5 # 点同时进行了挂片法
被动采样监测和地面站空气自动采样监测 ,对两种
监测方法的分析结果进行相关性分析 ,结果为自动
监测值 = 0. 3360 ×挂片值 + 47. 20 , r = 0. 805 ,显著
程度 > 99 %. 该回归方程的 F 检验如下 :
自由度
df
平方和
Sum of
square
均方
Mean
square
比值
F
F0. 05 F0. 01
回 归 1 9387. 06 9387. 06 69. 74 4. 10 7. 35
Regression
残 差 38 5114. 83 134. 60
Error
总 和 Total 39 14501. 89
  研究表明 ,硫酸钡浊度法与空气自动监测结果
有很好的相关性 ,但两者间的绝对数值相差较大 ,尤
其在低浓度时 ,浊度法的测定值明显偏小. 因此 ,在
需要精确了解某处的 SO2 浓度情况 ,最好采用离子
色谱法分析. 如果当地无法用离子色谱分析并且
SO2 浓度较高 ,采用简便、经济的硫酸钡浊度法也能
较好地描述该地区的 SO2 污染规律 ,进行定性或半
定量的研究 ,如用于城市近郊区空气中 SO2 月平均
浓度的监测等.
表 2  SO2 浓度的回归值
Table 2 Regression value of SO2 concentration
采样点
Sampling
point
1996
06 07 08 09 10 11 12
1997
01
1 # 57 58 51 72 93 74 88 83
2 # 79 63 76 71 77 87 88 77
3 # 83 65 49 86 81 97 97 83
4 # 56 50 55 58 81 80 91 79
5 # - 47 53 48 50 54 70 64
6 # - 47 48 48 54 - 83 83
7 # 80 48 76 76 78 90 86 86
8 # 77 48 76 76 74 83 77 77
9 # 70 70 78 78 77 82 77 77
10 # 88 88 72 79 79 79 75 75
- 未检出 No detected.
图 2  杭州市 SO2 月平均浓度
Fig. 2 Monthly mean concentration of SO2 in Hangzhou.
Ⅰ.自动监测值 Automatic monitoring ;Ⅱ.挂片换算值 Passive sampling.
6822 应  用  生  态  学  报                   14 卷
图 3  同时段降水 p H 值的变化
Fig. 3 Monthly mean p H value of acid rain.
312  SO2 的月均浓度变化
  被动式 SO2 采样法获得的挂片值经过相关方
程换算为相应的 SO2 地面站测值 ,结果见表 2. 由图
2 可以看出 ,两种方法测定的 SO2 浓度变化趋势基
本一致. SO2 浓度在 7 月有一个最低点 ,之后逐步上
升 ,至 12 月达到最高. 与杭州市酸雨 p H 值的月变
化趋势吻合 (图 3) .
313  杭州市不同季节 SO2 分布的灰级图
  杭州市以往每年依据 5 个空气自动监测子站的
监测数据做出杭州市的 SO2 浓度分布等值线图 ,这
次监测点位由 5 个增加到 10 个 ,因而能更详细地了
解 SO2 的浓度分布情况. 考虑到数据的统一性 ,均
采用被动式 SO2 采样器监测数据的换算值. 此外 ,
由于仅 10 个测点依然无法提供较准确的等值线图 ,
这里仅作出市区 SO2 分布的灰度等级图. 图 4 代表
一年中春、夏、秋、冬的 SO2 浓度分布 ,不同气候条
件下 SO2 的高值中心位置不同 ,夏季大气扩散条件
好 ,高值中心南移 ;冬季逆温层厚 ,高值中心区扩大.
图 4  杭州市区不同季节的 SO2 分布
Fig. 4 SO2 distribution in different seasons.
图形区范围 :东西向 8. 78 km ; 南北向 14. 78 km Graph range : 8. 78 km for east and west direction ,14. 78 km for south and north direction.
4  结   论
411  研究表明 ,被动式 SO2 采样器在杭州市的应
用状况良好 ,挂片值与地面空气自动站的结果有良
好的相关性 ,并且由于该采样器具有价格低、体积
小、采样周期长等优点 ,在杭州市乃至全国酸雨控制
区和 SO2 污染控制区范围内的城市有较好的推广
和应用价值 ,为分析、控制和改善空气环境质量提供
依据.研究时段内 ,被动式 SO2 采样器的监测结果与空
气自动站监测结果的回归方程为自动监测值 = 0. 3360
×挂片值 + 47. 20 , r = 0. 805 ,显著度 > 99 % .
412  从杭州市各季度的 SO2 浓度灰度等级图中可
以看出 ,由于存在的污染源较少以及植被的空气净
化功能 ,西湖风景区全年的 SO2 浓度始终较低 ;空
气污染物的浓度通常与气象条件 ,尤其是主导风向
有着密切的联系 ,春季和夏季 ,工业区处在下风向 ,
SO2 的浓度分布基本上是从市区的东北向西南逐渐
递减. 这与杭州市春夏两季盛行西南偏南风的气象
条件相一致 ,秋冬季 SO2 浓度中心偏向市区的东部
和南部 ,这主要和秋冬两季盛行西北风有关.
782212 期                李震宇等 :杭州市区空气中 SO2 时空分布与变化     
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作者简介  李震宇 ,男 ,1971 年生 ,博士研究生 ,主要从事环
境污染生态、环境污染化学和环境监测方面的研究 ,发表论
文 10 余篇. E2mail :zyli @mail. hz. zj. cn8822 应  用  生  态  学  报                   14 卷