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以重庆市为调查研究对象,采取实地调查和文献调研相结合的方法,对重庆市的人为汞源进行详细的调查,并应用排放因子法对各种人为源的排汞量进行初步估算。旨在列出排放清单。同时运用动力通量箱技术对重庆市不同环境界面间汞的释放通量进行研究,探讨环境界面问的汞释放特征和影响因子,在此基础上对重庆市汞的自然源释放量进行初步量化。
结果表明:重庆市主要的人为汞散发源有燃煤、燃油、水泥生产、钢铁生产、氯碱生产、有色金属冶炼、木材及农业秸秆燃烧、有害和医用废物焚烧、尸体火化、油漆化工、仪器仪表、荧光灯管破损、废弃电池、温度计生产,科研、医疗用汞。
采用可按受的排放因子,基于主要人为源每年在生产过程中消耗的材料或生产的产品数量,以及材料或产品中可用的汞含量数据,对重庆市的主要人为源的排汞量进行初步估算,得出2001年重庆市主要人为源向大气排放的总汞量约为8.851;排汞强度为110g km-2:燃煤是重庆市最大的人为汞源,燃煤排汞对总汞捧放量的贡献为57%,其次是水泥制造业,这一行业2001年向大气释放汞大约1.51t,贡献率为17%:其他的依次为油漆化工、用汞行业、科研及医疗等行业贡献8%;木材与农业废弃物燃烧6%;有害和医用固体废弃物焚烧、尸体火化贡献6%;氯碱生产3%:金属制造业3%;燃油贡献最少,不足1%。
应用动力通量箱(DFC)技术在不同的季节研究了重庆市不同区域的6个土壤样点和4个水体样点界面间的汞交换通量,环境界面间的汞交换通量因不同地表类型汞挥发通量存在较大差异,总体上,气—水界面的汞释放通量大于气—土界面,总平均值各自为204 ng m-2h-1和115 ng m-2h-1。在选择的全部研究样点中,汞通量的最大和最小值相差两个数量级,以林地样点的最低,平均通量值为3.4±1.5ng m-2h-1:污染水体样点为最高,平均通量值为618.6±339ng m-2h-1。
气—水/土界面间的汞挥发通量显示出明显的日变化和季节性变化。冷季早晨和傍晚气—水/土界面问汞通量有微小的双向交换,暖季白天没有出现双向交换,同一样点汞释放通量有相似的变化类型,汞释放峰值出现在中午,夜间汞的交换不明显,白天的汞释放通量大于夜间。汞释放通量的季节性变化表现为温暖季节大于寒冷季节。
气—水/土界面间的汞释放通量受温度、相对湿度、太阳辐射量、土壤温度等环境因子的影响,其中太阳辐射是对汞释放通量起主导作用的影响因子,分析表明,太阳辐射量与汞挥发通量呈极显著的正相关,线性回归的相关系数R2=0.531**(n=135),相对湿度与汞通量呈负相关关系(R2=0.3742**,n=135),是一个间接的影响因子,空气温度与汞通量相关性不明显,土壤温度与汞通最呈指数相关,两者之间的关系可以用Arrhenius方程行描述:
F=AeEA/ETs R2=0.6802*,(n=14)根据方程计算反应活化能Ea为31.1 kcal mol-1,高于单质汞的蒸发焓14.0kcal mol-1,说明汞在土壤表面释放不是单质汞的直接蒸发,可能还有其它过程参与。
基于通量箱在不同地表类型实地测得的数据,并结合重庆市的气候特点,对区域汞预算进行初步估算,每年重庆市从自然源释放到大气中的总汞量为1787 kg,远低于该区域的人为源排放量,人为源贡献了总排放量的83%,而自然释放贡献了17%。与全球或其它区域的估算结果相比,重庆市人为源排汞比例过大。
以重庆市北碚城区和北碚东阳镇为例,运用GIS技术,并采用地统计学方法,在城区研究区域布点对大气汞进行了一年的监测后,通过一般的统计分析、地统计学分析和格局分析三种不同的分析方法对大气中的汞进行了空间变异研究。研究结果如下:
1.通过一般的统计分析,主要是变异系数分析和频率分布分析,可得出:
东阳镇各月份大气汞的变异系数都非常高,各月份都超过100%,而北碚城区的大气汞的变异系数范围在19.6%-175.5%,变化范围较大,总体上说变异程度较高。相比较而言,东阳镇的变异系数远远高于北碚城区,这主要受东阳镇的明显的污染源-体温计厂的影响。
在分布类型上,城区经对数转化之后,为正态分布,可采取普通克立格插值方法。而东阳镇的数据即使进行对数转化后仍不符合正态分布,所以采取指示克立格插值方法。
2.通过地统计学分析,包括空间相关性、块金系数和结构方差、各向同性及异性分析,得出以下结论:
大气汞的空间自相关距能够表征大气汞在空间上的依赖程度,从而可以使我们从另一个角度来理解汞在大气中的空间特征。分析结果证明,在东阳镇和城区,大气汞的空间分布都存在着半方差结构。每个月份本身都有较大的空间自相关距,东阳镇各月大气汞的空间自相关距大致呈现如下顺序:一月,五月,八月,六月>四月>十月>十一月>二月>十二月>三月>七月,最小的七月份为399m,最大的一月、五月、六月、八月为1357m。而北碚城区各月大气汞的空间自相关距顺序是这样的:二月,十月,十二月>一月>七月>六月>四月>三月>八月>十一月>五月,其中最大值达到了2347m,最小五月份有591m。另外,从半方差结构来看,无论是东阳镇还是城区所采用的取样距离都没有超过各月大气汞的空间自相关距。因而,对北碚大气汞的评价也是合理充分的。
在对大气汞空间变异的分析中,块金值反映了大气汞受人为污染的影响程度。东阳镇11个月份的大气汞的块金值呈现二月>十二月>十一月>一月>五月>四月>十月>三月>八月>七月>六月的趋势,在二月时最大,达到32100,而北碚城区的块金值呈现二月>三月>五月>六月、七月>八月>十月>四月>十一月、十二月>一月的趋势,最高到达了180,最小为2.4。东阳镇的块金值远远大于城区,所以东阳镇受人为污染影响远远大于城区。在东刚镇,四月、五月、十月、十一月、十二月为空间强相关,六月为空间弱相关。其余为空间相关。而北碚除七月为空间弱相关外,其余都为空间相关。
3.通过格局分析,即克里格空闻插值得出空间分布格局图,从格局图分析可得出:
由于体温计厂的存在,东阳镇的大气汞的变异程度大,平均浓度高,有明显的空间梯度变化;而城区没有明显的污染源。平均浓度低,变化不是很明显,由于局部地区的污染,而造成局部地区的汞的浓度值异常的高,在此形成浓度高值区域。