南京北郊大气中主要硫化物的干沉降研究

论文总字数：16420字

目 录

摘要 ………………………………………………………………1

1 绪论 ……………………………………………………………3

1.1 研究背景及研究意义 ………………………………………………………… 3

1.2 国内外研究现状 ……………………………………………………………… 4

1.2.1 干沉降的研究方法…………………………………………………………3

1.1.2 干沉降模式的发展…………………………………………………………5

1.3 本文研究的内容 ……………………………………………………………… 6

2 数据和方法………………………………………………………6

2.1 实验地点 ……………………………………………………………………… 7

2.2 实验方法………………………………………………………………………… 7

2.3 SO₂数据来源 ………………………………………………………………… 7

3 结果与讨论 ……………………………………………………8

3.1硫化物的浓度变化…………………………………………………………………8

3.1.1 SO₂的质量浓度变化………………………………………………………8

3.1.2 颗粒态SO₄^2-的质量浓度变化………………………………………………9

3.1.3 SO₂和颗粒态SO₄^2-的质量浓度对比………………………………………9

3.2 SO₂的转化率特征………………………………………………………………10

3.3 硫化物干沉降通量的估计………………………………………………………11

3.3.1 南京北郊硫化物干沉降速度的估值………………………………………11

3.3.2 南京北郊硫化物干沉降通量的计算………………………………………12

3.3.3 硫化物干湿沉降通量的比较………………………………………………12

3.3.4 其他城市的硫化物干沉降通量研究………………………………………13

4 结论与展望 ……………………………………………………13

参考文献……………………………………………………………14

致谢…………………………………………………………………16

南京北郊大气中主要硫化物的干沉降研究

赵薇

, China

Abstract: In 2014, the concentrations of SO₂ and particulate matter SO₄^2- are measured in the northern suburb of Nanjing, and then using the formula F = C * V_d to calculate dry deposition fluxes. The results showed that: the monthly average of SO₂ concentration is ordered as wintergt; springgt; autumngt; summer, and the monthly average of SO₄^2- concentration is ordered as wintergt; springgt; summergt; autumn; the annual average of the ratio of transformation of SO₂ (SOR) is 0.201, and SOR value is slightly larger in winter and summer; dry deposition velocity in the northern suburb of Nanjing is taken as 0.7cm/s and 0.3.5cm/s by analysis and comparison, and calculate the dry deposition fluxes of SO₂ and particulate matter SO₄^2- are 42.9 and 10.3 kg / (ha * years). Compared with the northern cities, it is not optimistic of air pollution situation in the northern suburb of Nanjing.

Keywords: the northern suburb of Nanjing; sulfur; concentration; SOR; dry deposition flux

1. 绪论

1.1 研究背景及研究意义

干沉降（drop deposition）是指重力沉降或与植物、建筑物或地面（土壤）相碰撞而被捕获（被表面吸附或吸收）的过程，分为气体干沉降和颗粒物干沉降。湿沉降（wet deposition）是指大气污染物通过自然天气现象雨、雪、雹等降水过程而落到地表从大气中清除的过程，分为雨除和冲刷^[1]。湿沉降对大气中水的可溶性污染气体和颗粒物的清除效果最显著，它是大气自身净化的高效机制，具有清除速度快和突发性的特点。干沉降受大气特性、受体表面特征和污染物本身性质的制约，它的过程是缓慢、持续和长期积累的。干沉降与湿沉降相比，虽清除污染物的效果没有湿沉降这么明显，但因其作用的时间长，地域广，故总效果与湿沉降相当，干沉降在干旱少雨地区显得尤为重要^[2]。干沉降作为大气污染物的主要汇过程之一，对大气中污染物的浓度和空气质量状况有直接影响的作用，干沉降也可导致植被生态系统破坏以及农作物减产等环境问题，也可导致自然或半自然生态系统富营养化、生物多样性降低以及土壤或水体酸化等危害。此外，干沉降是自然生态系统从大气中获得元素的重要过程之一，也是各种元素循环的重要途径。因此干沉降的研究对环境和生态都有重要意义^[3]。

我国的主要能源是煤炭，燃料燃烧中排放出的SO₂逐年增加，由SO₂及其转化生成的SO₄^2-造成的酸雨和酸沉降污染必将不断加重，它对土壤、森林植被、地表水、农作物以及水生生物等均有一定程度的影响^[4]。酸沉降在人工生态系统中侵蚀建筑物、影响身体健康；在陆地草原或森林等自然生态系统中，对生态系统的结构和功能产生破坏，如土壤酸化等；在水生生态系统中，虽然水体中含有大量的碱性碳酸氧盐，但待其耗尽时，水体的PH值就会迅速下降，水体酸化会使水体中的细菌、无脊椎动物、水藻和鱼类的数量改变，也会使水中氧的含量降低，对鱼的脊椎和骨路造成，并使其畸形，影响发育，水体酸化还会将沉积在河底的有毒物质释放出来，抑制鱼类生殖腺的正常发育，使其产卵率降低；在石灰岩地区或者富含碳酸盐沉积物的地区，酸沉降会使岩石风化加速，岩石中的Na 、K\ Ca² 、Mg² 等离子会在江河湖海等中释放，水体中的总硬度与总碱度的比值会发生变化^[5]。因此，对大气的硫沉降过程，特别是干沉降过程具有重要意义。

1.2 国内外研究现状

英国在公元19世纪首先认识到干沉降，一些学者研究硫素时发现，近64%的硫化物通过非降水等方式被清除，然后提出这种通过湿沉降以外的途径将污染物从大气中向地面做质量转移的过程叫做干沉降。1953年，美国提出了干沉降通量的概念,表示单位时间、面积上沉降的污染物量；然后也定义了干沉降速度（Vd）即干沉降通量与大气污染物浓度比值（F/C），将干沉降速度视为定量描述干沉降总效应的一个重要参数。我国起步较晚， 90年代开始进行干沉降的研究，但通过研究者的不断学习与努力，也已经渐渐赶上国外脚步^[6]。下面先阐述一下现行研究干沉降常采取的方法，再对国内外硫化物干沉降研究现状进行说明。

1.2.1 干沉降的研究方法

干沉降的测量方法通常可归纳为两类，一类是表面分析法，通过分析沉降表面上的物质累积来确定干沉降的量，此方法也称做代用面法。代用面法一般用于颗粒物干沉降的测量，它可分为测量一定沉降面上的沉降量和测量沉降通量两类，前者即和定义一样，是使用一个代用面对干沉降进行采样，通过分析代用面上的物质累积来确定干沉降量，后者是需要通过干沉降量，采样面积和采样时间来确定干沉降通量。采样时一般采用自然沉降原理或将代用面安置在风向标上随着风向进行采样。由于重力沉降作用是针对大粒径颗粒物的干沉降，对于粒径小于10微米的粒子,特别是小于2微米的细粒子,湍流沉降过程显得十分重要，所以一般用微气象学方法处理细粒子的干沉降。微气象学方法即是第二类测量研究方法，即用快速反应的传感器测量污染物的浓度和地区大气要素，再用微气象学方法（如涡动相关法等）来计算物质通量。涡动相关法是对大气湍流运动产生的风速脉动和物理量脉动使用快速传感器进行测量，然后直接计算风速脉动量和某物理量脉动量的协方差来求得能量和物质通量。所以从这个意义上,涡动相关法的物质通量的计算过程,几乎不存在假设^[2]。涡动相关法的原理是任何一个与地区大气状态有关的物理量都可以分解为平均量和脉动量的和。污染物通量的测量中,我们关注的是垂直风速w和污染物浓度c,它们可分别写成和，其垂直通量，若,则。上述表明如果测量仪器可以对不同尺度的湍涡作出快速反应,而且不破坏大气流场,那么测量空间中同一点的w和c,即可测出污染物通量。虽然这种方法直接简单，但必须采用高精度且响应速度特快的湍流脉动传感器。若使用慢速传感器，仪器响应的灵敏度降低，那么脉动值极有可能被略去，因此便会产生错误的通量值^[7]。由于微气象法实际操作难度太大，所以在干沉降研究中的应用十分有限，而代用面法虽然存在很多局限，但鉴于它操作简单、价格便宜，在干沉降的研究中广泛应用。国内外多用微气象学方法研究SO₂干沉降。宋文质^[8]等在南昌西北25km处，采用涡动相关法测得SO₂的干沉降速度平均值是0.19cm/s 。胡正义^[9]等在中国科学院红壤生态试验站农田小气候分站，利用涡动相关法测得1998年11月-1999年4月期间内每月以SO₂形式干沉降的硫为4.20~16.0kg/hm²；而相同时间段内以SO₄^2-粒子形式输入的硫为0.15~1.15kg/m²。JW Erisman^[10]等表明，通过1987年至1989年在荷兰一个乡村网站进行可行性研究时，发现微气象学梯度法可用于测量干沉降通量和直接SO₂沉降速度，通过该方法得到荷兰的SO₂平均沉降速度为0.7cm/s，干沉降通量为22kg/（公顷*年）。

1.2.2 干沉降模式的发展

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