濱岸城市大氣濕沉降汞的時(shí)空分布特征及其物源辨析研究——以上海市為例.pdf

1、汞作為一種具有生物累積性和放大功能的全球性污染物，即使是在濃度非常低的情況下，它對(duì)人類和其它生物都具有相當(dāng)大的毒性。所有形態(tài)的汞都經(jīng)歷著進(jìn)入大氣、形態(tài)轉(zhuǎn)化并最終沉降進(jìn)入水體或陸地生態(tài)系統(tǒng)而結(jié)束大氣循環(huán)的過(guò)程。大氣沉降是水體和陸地生態(tài)系統(tǒng)中有毒物質(zhì)的一個(gè)重要來(lái)源，大氣汞沉降與水生生態(tài)系統(tǒng)中魚類的甲基汞含量具有直接的聯(lián)系，在年降水日數(shù)多、降水量大的地區(qū)大氣汞的濕沉降是沉降輸入的主要類型。目前國(guó)外對(duì)濕沉降汞的研究較多，而被認(rèn)為是世界上汞排放量

2、最大的中國(guó)在該領(lǐng)域的研究較少，基礎(chǔ)薄弱，僅在北京、貴州、長(zhǎng)白山等地開展了零星的工作。上海地處長(zhǎng)江三角洲東南隅，人口密度大，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度大，模型模擬顯示該地區(qū)濕沉降汞的濃度、通量為全球之最；同時(shí)上海位于典型東亞季風(fēng)控制區(qū)，存在著冬季風(fēng)和夏季風(fēng)的季節(jié)性變遷，并且夏季風(fēng)受西南季風(fēng)和東南季風(fēng)交互控制，這造成水汽來(lái)源和大氣汞輸入源的季節(jié)性變化，上海又是海陸交互的重要邊界帶，氣溶膠成分變化顯著，既有大陸內(nèi)陸沙塵氣溶膠、陸地人類活動(dòng)排放氣溶膠，又有來(lái)

3、自海洋的海鹽氣溶膠，多變的氣溶膠成分為大氣汞化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)化提供了多變的反應(yīng)界面。因此，以上海市為例研究濱岸城市大氣濕沉降汞的時(shí)空分布特征及其物源辨析具有重要的意義。本文通過(guò)采集上海市市區(qū)、郊區(qū)、鋼鐵工業(yè)區(qū)、化學(xué)工業(yè)區(qū)和濱岸農(nóng)業(yè)區(qū)不同功能區(qū)濕沉降樣品以及市區(qū)和郊區(qū)的總沉降樣品，分析、測(cè)試其中的離子、汞和其它金屬元素的含量，理清上海市濕沉降汞的時(shí)空分布特征，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、氣流軌跡模型計(jì)算和同位素分析的方法對(duì)汞的來(lái)源進(jìn)行研究，并對(duì)汞的危害進(jìn)

4、行簡(jiǎn)要分析，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
　　 (1)上海市各功能區(qū)濕沉降總汞濃度、通量較高。市區(qū)、郊區(qū)、鋼鐵工業(yè)區(qū)、化學(xué)工業(yè)區(qū)和濱岸農(nóng)業(yè)區(qū)濕沉降總汞濃度平均值分別為0.33μg·L-1（變化范圍為0.06μg·L-1～1.18μg·L-1）、0.23μg·L-1、0.26μg·L-1、0.24μg·L-1、0.29μ,g·L-1,顆粒態(tài)汞占總汞比例分別為：48.5％、57.0％、50.0％、62.2％、64.2％；總汞沉降通量分別為

5、447.67μg·m-2·y-1、233.55μg·m-2·y-1、284.46μg·m-2·y-1、296.97μg·m-2·y-1、296.97μg.m-2.y-1，總汞濃度變化規(guī)律分別為：夏季=冬季〉秋季〉春季、秋季〉冬季〉夏季=春季、秋季=冬季〉春季〉夏季、秋季〉冬季〉春季〉夏季、秋季〉春季〉冬季〉夏季。當(dāng)API指數(shù)（空氣污染指數(shù)）高時(shí)，濕沉降中的顆粒態(tài)汞濃度增大而溶解態(tài)汞濃度降低；濕沉降汞的濃度受降水量的影響不明顯，而總汞沉降

6、量與降水量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。云下沖刷對(duì)上海市濕沉降中總汞濃度的貢獻(xiàn)高于40.9％，局地污染物是濕沉降汞的重要來(lái)源之一。
　　 (2)市區(qū)總沉降中總汞濃度體積加權(quán)平均濃度值為0.51μg·L-1，年沉降通量為654.42μg·m-2·y-1，以濕沉降為主，物質(zhì)來(lái)源的多源性明顯。郊區(qū)總沉降總汞濃度平均濃度值為0.46μg·L-1，沉降通量為466.77μg·m-2·y-1，干沉降的貢獻(xiàn)約為一半，海洋來(lái)源對(duì)郊區(qū)總沉降中汞的貢獻(xiàn)較大。

7、市區(qū)和郊區(qū)總沉降中總汞濃度均為夏季最高，與濕沉降明顯不同。不同季節(jié)干沉降的來(lái)源具有差別，在冬季風(fēng)影響下，以西北風(fēng)為主,低溫干燥，大氣中的活性單質(zhì)汞被氣溶膠粒子吸附反應(yīng)的幾率較小，所以在冬季氣溶膠增多的情況下，汞的沉降量仍較低。在夏季風(fēng)的控制的季節(jié)里，東南來(lái)源的氣溶膠主要是海鹽粒子為主，潮濕高溫有利于大氣活性單質(zhì)汞在氣溶膠表面的吸附反應(yīng)，從而能夠增加汞的沉降。
　　 (3)濕沉降各離子的濃度較高，郊區(qū)總離子濃度(847.60μeq

8、·L-1)遠(yuǎn)高于其它功能區(qū)（383.88～437.92μeq·L-1）。不同功能區(qū)濕沉降主要離子的體積加權(quán)平均值從大到小依次為：SO42-＞Ca2+＞NH4+＞Cl-＞NO3＞Na+＞Mg2+＞F-＞K+，其中SO42-和Ca2+的濃度之和占總離子濃度的49.77％。離子濃度的時(shí)間變化規(guī)律Na+:冬季〉秋季〉春季〉夏季，NH4+:春季〉秋季〉冬季〉夏季，其余組分濃度：秋季〉冬季〉春季〉夏季。各離子來(lái)源復(fù)雜，多源性明顯，受人為活動(dòng)影響嚴(yán)重

9、，總離子組成的76.7％來(lái)自人為排放源，其中K+、Mg2+的來(lái)源以殼源為主，Na+、cl-的來(lái)源以海源為主，Cl-也有42.2％的貢獻(xiàn)來(lái)自人為源，Ca2+、NH4+、SO42-、NO3-、F-等組分均為人為排放源占主體。不同功能區(qū)各化學(xué)組分的濃度值存在較大的差別，但各來(lái)源的比例相對(duì)于濃度來(lái)講差別較小。
　　 (4)不同功能區(qū)各形態(tài)汞與其它元素的相關(guān)性分析和因子分析結(jié)果差異顯著，汞可能的來(lái)源也有所不同。市區(qū)汞的來(lái)源是部分地表灰塵、

10、建筑塵埃以及特殊源。郊區(qū)汞的來(lái)源主要是地殼源和特殊源。鋼鐵工業(yè)區(qū)汞的來(lái)源有化石燃料燃燒、地表灰塵、建筑塵埃及特殊源?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)汞的來(lái)源主要是地表灰塵、建筑塵埃來(lái)源和特殊源。濱岸農(nóng)業(yè)區(qū)汞的來(lái)源可能是特殊源。
　　 (5)上海市市區(qū)水汽和低空氣團(tuán)來(lái)源在四季存在明顯的不同，水汽來(lái)源方向：春季方向性不明顯，秋季以西-北為主，夏季和冬季均以南-西為主；低空氣團(tuán)來(lái)源方向：夏季以東-南為主，春季、秋季和冬季均以北-東為主。濕沉降總汞濃度受水汽

11、來(lái)源的影響較大：夏季由于溫度高，水-氣界面汞的交換通量較大，海鹽中豐富的鹵素元素能夠使單質(zhì)汞氧化成可溶性的二價(jià)汞，所以水汽來(lái)源于海域的濕沉降相對(duì)于來(lái)源于陸地的總汞濃度偏高，且顆粒態(tài)汞所占比例較大；其它季節(jié)中，大陸水汽蒸發(fā)進(jìn)入雨云中的同時(shí)帶入當(dāng)?shù)卮髿庵械墓?，水汽?lái)源于內(nèi)陸且運(yùn)移距離較長(zhǎng)的濕沉降在運(yùn)移過(guò)程中吸收、溶解的氣溶膠離子和微量元素較多，導(dǎo)致其濕沉降總汞濃度高、顆粒態(tài)汞所占比例小。低空氣團(tuán)的來(lái)源對(duì)汞的形態(tài)分布具有影響，源自海域的低空氣

12、團(tuán)濕沉降中顆粒態(tài)汞所占總汞比例較低；低空氣團(tuán)為同一方向，在同時(shí)間內(nèi)運(yùn)移距離長(zhǎng)的濕沉降總汞濃度較大。總汞濃度受降水日數(shù)和降水量的影響，當(dāng)降水量少的時(shí)候，云下清除對(duì)濕沉降汞的貢獻(xiàn)較大，濕沉降事件發(fā)生前幾天的天氣狀況影響低空氣溶膠的多寡，從而對(duì)濕沉降汞具有較大的影響。
　　 (6)上海市區(qū)一年中各月δ18O同位素平均值變化范圍范圍在-12.16～-3.00‰之間，年平均值為-8.11‰，春、夏、秋、冬四季的平均值分別為-5.58‰、-

13、10.35‰、-7.45‰和-4.09‰;濱岸農(nóng)業(yè)區(qū)各月δ18O同位素變化范圍較在-10.66‰～+1.87‰之間，年平均值為-5.16‰?？傮w上δ18O同位素值呈現(xiàn)春冬高、夏秋低的特征。上海市區(qū)濕沉降樣品同位素δ18O值與溫度具有弱的負(fù)相關(guān)性，兩者之間的關(guān)系為：δ18O=-0.20T-2.73;δ18O值存在明顯的降水量效應(yīng)，兩者之間的關(guān)系式為：δ18O=-0.0603H-3.1841(H為降水量)。具有相近水汽來(lái)源和運(yùn)移路徑的濕沉降

14、中，在到達(dá)上海發(fā)生濕沉降事件前云團(tuán)的降水量多少對(duì)濕沉降總汞的濃度具有影響，當(dāng)之前的降水量較大時(shí)，同位素δ18O值較低，總汞濃度也較低，反之則相反。水汽攜帶的汞的多少對(duì)濕沉降總汞具有較大的影響，且在濕沉降發(fā)生時(shí)汞就像重同位素一樣優(yōu)先發(fā)生沉降，使后期降水云團(tuán)中汞的含量減少。水汽來(lái)源、運(yùn)移路徑以及到達(dá)上海前降水量都基本相同的兩次濕沉降水汽攜帶汞的量基本相同，濕沉降總汞的濃度主要受降水量效應(yīng)的影響。
　　 (7)水汽來(lái)源及路徑對(duì)濕沉降汞

15、濃度具有顯著的控制作用，水汽的海陸來(lái)源差異和在相同時(shí)間內(nèi)運(yùn)移路徑的長(zhǎng)短均對(duì)影響著濕沉降汞濃度值的大小。具有相近水汽來(lái)源和運(yùn)移路徑的濕沉降中，在到達(dá)上海發(fā)生濕沉降事件前云團(tuán)的降水量多少對(duì)濕沉降總汞的濃度具有影響，在濕沉降發(fā)生時(shí)汞就像重同位素一樣優(yōu)先發(fā)生沉降，使后期降水云團(tuán)中汞的含量減少，所以當(dāng)之前的降水量較大時(shí)，同位素δ18O值較低，總汞濃度也較低，反之則相反。
　　 (8)以我國(guó)地表水質(zhì)Ⅲ類水質(zhì)（標(biāo)準(zhǔn)極限0.1μg·L-1）為標(biāo)