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中國降水供水安全性分析

壹、中國多年人均降水量分布

用水量是指分配給用戶的總用水量,包括水的損失,按農業、工業、生活三類用水量統計。農業用水包括農田灌溉用水和林、牧、漁業用水;生活用水包括城市居民生活用水、公共用水和農村居民生活用水、牲畜用水;工業用水是新使用的水,不包括企業內部的回用。

受季風氣候影響,我國降雨時空分布極不均勻。中國年平均降雨量從東南向西北遞減,從東南的1600mm到西北的不足200mm(附圖1)。中國人口分布東南多西北少,可以從黑龍江省黑河市到雲南省騰沖縣畫壹條線。這條線的東南部人口密集,僅占全國總面積的43%,但人口卻占全國總人口的94%;西北地區地廣人稀,面積占全國的57%,人口僅占全國的6%。

根據中國氣候降水量和中國人口分布情況,將中國多年人均降水量分布圖劃分為五個區域(附圖2),分區情況如下:

Ⅰ.降水利用充分的地區。包括新疆大部、甘肅西北部、內蒙古西部、青海西北部。該地區幅員遼闊,位於邊疆和內陸,有許多山脈、高原和沙漠。屬於資源匱乏地區,水資源“先天”不足,分布極不均勻,“後天”水資源利用效率低。該地區以沙漠為主,缺乏平地,自然環境惡劣,氣候極端,雨量不足。年平均降水量不足200毫米,這給發展農業帶來了困難。該地區生產和生活用水主要儲存在水坑中。該地區地處偏遠,交通不便,開發歷史短,經濟基礎薄弱,人口少,因此該地區人均用水量以降雨為主。

Ⅱ.降水利用充分的地區。包括西藏、青海中部、甘肅中部和內蒙古。藏北高原海拔4700 ~ 5500 m,高原寒區季風幹旱氣候,最暖月平均氣溫低於6℃,年降水量100 ~ 150 mm,是壹片廣闊的天然牧場。6月10至次年4月,西藏高原上空為西風急流,地面受冷高壓控制,幹旱大風,氣溫低,雨雪少,降水量僅占全年降水量的10% ~ 20%。如拉薩6月10至次年4月降水量僅占全年降水量的3%,故稱幹(旱)季或風季。內蒙古全境以高原為主,大部分地區海拔在1000米以上。主要山脈有大興安嶺、賀蘭、烏拉、大青山。東部草原遼闊,西部沙漠分布廣泛。該地區屬於溫帶大陸性季風氣候。由於地域遼闊,各地區差異很大。大部分地區四季分明,夏短冬長,比較幹燥寒冷。年平均氣溫為-1℃~ 10℃;年降水量約50 ~ 450毫米,受地形、距離和海洋距離的影響,降水量自東向西由500毫米減少到50毫米左右。相反,蒸發量從3000毫米到1000毫米由西向東遞減。該地區的地表水比降水利用充分的地區豐富。

Ⅲ.中度降水利用區。包括西南地區和長江中下遊以北的大部分地區。四川地處亞熱帶,受復雜地形和不同季風環流的交替影響,氣候復雜多樣。東部盆地屬亞熱帶濕潤氣候,年降水量900 ~ 1200mm。長江中下遊氣候大部分屬於北亞熱帶,小部分屬於中亞熱帶北緣。年降水量1000 ~ 1400 mm,集中在春、夏季。該地區水系發達,地下水資源豐富,人口密集。

Ⅳ.雨水利用不足的地區。包括川西北、黃土高原、華北、東北。中國東北地區位於中國溫帶濕潤和半濕潤季風氣候區。冬天寒冷幹燥,夏天溫暖多雨。中國東北橫跨三個溫度帶(暖溫帶、中溫帶和寒溫帶)和兩個幹溫帶(濕潤和半濕潤帶)。華北屬於暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候:春季幹燥多風;夏天炎熱多雨;秋天天氣涼爽多雨;冬天寒冷多雪。該地區地下水和地表水豐富,人口少於長江中下遊地區。

ⅴ.降水利用不足的地區。包括華南和長江中下遊以南地區。華南大部分地區年降水量1400 ~ 2000 mm,屬熱帶-南亞熱帶地區,高溫多雨。這裏植物生長茂盛,有多種地帶性植被,如熱帶雨林、季雨林、亞熱帶季風常綠闊葉林等。植被多為熱帶灌木、亞熱帶草坡和小次生林。熱帶森林動物豐富多樣,有許多典型的東洋動物種類。華南人口6543.8+690億。如果加上港澳臺,達到2億。長江中下遊以南地區地勢平坦,水熱資源豐富,開發歷史悠久,工農業發達,交通便利,城市眾多,因此人口密度較高。地表水系統發達,地下水資源豐富,該地區降雨利用不足。

二。中國酸雨區域分布圖

酸雨是指pH值小於5.6的雨、凍雨、雪、冰雹、露水等大氣降水。大量環境監測數據表明,由於大氣中酸性物質的增加,地球大部分地區上空的雲水正在變酸。如果不加以控制,酸雨區的面積將繼續擴大,對人類的危害將與日俱增。

酸雨的形成有三個原因:

(1)酸性汙染物。石油、煤炭等礦產的燃燒,化工廠、電廠、汽車等都會排出大量的氮氧化物、硫化物、氨等。這些氣體在空氣中達到壹定濃度後,會與大氣中的水蒸氣結合,形成硫酸、硝酸等酸性物質,然後以雨、雪、霧的形式降落到地面。

(2)對酸性物質極其敏感的土壤。比如中國的西南地區,土壤多為酸性紅壤,這裏的空氣中通常懸浮著很多酸性物質,所以這些地區容易出現酸雨。

(3)封閉地形。通風條件差的地區,風速低,空氣流動性差,空氣汙染物不易擴散,導致酸雨頻發。

2006年,我國酸雨區域分布基本穩定,年降水pH值小於5.6(酸雨)的城市主要分布在江南地區,包括江蘇、上海、浙江、福建、江西、湖北、湖南、廣東、廣西、海南、貴州、四川、重慶、雲南等省(區、市);膠東半島和圖們江是兩個局部地區。後兩者的“酸雨”島的形成,是因為附近有大城市(長春、吉林),有很強的酸性物質來源。另壹方面,它們靠近海洋(青島),海洋潮濕的氣候為酸雨提供了溫床。

中國酸雨區可分為四個區域(附圖3)。分區情況如下:

Ⅰ.無酸雨區。降水中pH值大於5.6,其範圍主要在北方大部分地區。中國北方沒有酸雨主要有四個原因:

(1)土。土壤中堿金屬離子的含量和pH值是影響酸雨形成的重要因素之壹。我國降水中主要的堿性離子鈣(Ca2+)、鎂(Mg2+)和銨(NH4+)主要來源於土壤。中國北方的土壤是堿性的,pH值為7 ~ 8。南方偏酸性,pH值5 ~ 6。土壤中堿金屬鈉(Na)和鈣(Ca)的含量由南向北逐漸增加,尤其是淮河流域和秦嶺山區。由於空氣中的顆粒物約有壹半來自土壤,堿性土壤的氨揮發大於酸性土壤,所以我國北方大氣中的堿性物質遠高於南方,導致酸雨主要發生在堿性物質含量低、pH值低的南方。

(2)氨。氨(NH3)是大氣中常見的氣態堿,易溶於水,能中和大氣或雨水中的酸性物質,從而降低雨水的酸度。例如,NH3可以在有水的情況下與二氧化硫(SO2)反應,生成硫酸銨和亞硫酸銨,從而中和酸性物質。壹般酸雨區NH3含量壹般比非酸雨區低壹個數量級,說明氨在酸雨形成中起著重要作用。大氣中的氨主要來源於有機物分解和農田施用的氮肥揮發。土壤中氨的揮發隨著土壤pH值的升高而增加,我國北方土壤偏堿性偏酸性,氨含量北高南低,這是我國酸雨主要分布在南方,北方較少的重要原因。

(3)大氣顆粒物。降水中的堿金屬和堿土金屬主要來源於大氣顆粒物,大氣顆粒物主要來源於陸地飛揚的塵埃。與國外相比,我國大氣顆粒物濃度較大,尤其是粗顆粒物,南北差異顯著。北方地區幹燥,土壤裸露,大氣顆粒物濃度高。大氣中總懸浮顆粒物(TSP)的平均含量為426微克/立方米,約為南方的兩倍。通過治理環境,大氣顆粒物濃度不斷降低,但南北大氣顆粒物濃度相對水平保持不變。不僅北方顆粒物濃度高於南方,北方大氣顆粒物中堿性物質與酸性物質的比例也高於南方。同樣的降水量,北方大氣顆粒物的緩沖能力遠大於南方。這是因為大氣顆粒物主要來源於陸地沙塵,其成分與土壤基本相同,顆粒物的酸堿性主要取決於土壤性質。由於北方土壤中堿性物質含量較高,北方大氣顆粒物中堿性物質的濃度也高於酸性物質,這些大氣顆粒物對降雨中的酸性降水有很大的中和緩沖能力;相反,南方大氣顆粒物中堿性物質濃度較低,緩沖能力低於北方(如北京春季大氣顆粒物的中和能力是柳州顆粒物的3倍)。所以雨水的酸化和堿性物質的中和之間的競爭導致北方大部分地區沒有酸雨,而南方出現大面積的酸雨。

(4)中國北方的太陽強度隨著緯度的升高而降低,中國的大氣濕度也自南向北降低。因此,在其他條件相同的情況下,中國南方的SO2可以比中國北方更快地轉化為硫酸,酸化當地的大氣環境,通過降水侵蝕形成酸雨。所以中國酸雨區主要分布在南方,北方相對較輕。

Ⅱ.弱酸雨區。pH為5.0 ~ 5.6,主要範圍包括四川、貴州、福建、廣東、廣西、海南等省(區)。四川省21城市中,除德陽、都江堰、馬爾康外,其他城市均出現酸雨。其中,酸雨頻率大於40%的城市有6個。這21城市的酸雨五年平均頻率為28.5%,酸雨量占總降雨量的37.7%。酸雨頻發的主要原因是燃煤電廠的SO2。

“九五”期間,福建省酸雨控制區降水出現壹定程度的酸化。降水的年平均pH值為5.20 ~ 5.35,低於5.6,酸雨頻率為29.1% ~ 55.6%。福建省酸雨控制區內所有城市,除三明市、龍巖市外,空氣中顆粒物濃度低,空氣酸緩沖能力弱。此外,福建省的土壤主要是酸性較強的紅壤,pH值為5.0 ~ 5.5,土壤粉塵不能為降水提供有效的酸化緩沖和中和機制。此外,該省亞熱帶濕潤氣候,太陽輻射強,氣溫高,空氣濕度大,因此空氣氧化氣氛強,有利於酸性前體物SO2和氮氧化物(氮氧化合物)的轉化。因此,該省空氣中致酸物質含量雖少,但降水對致酸過程的緩沖和中和作用較弱,呈酸化趨勢。

西南地區最顯著的特點就是山勢險峻(尤其是貴州),城市被這些中低山包圍,導致地形閉塞,氣體不易擴散和對流。因此,無論是燃煤產生的SO2,還是隨著機動車數量的增加排放的氮氧化合物,除了少數直接返回地面外,大部分都聚集在城市上空,然後在雨水的沖刷下返回地面,形成酸性降水;由於該地區土壤多為酸性土壤,大氣中的顆粒物主要來源於陸地飛揚的沙塵,大氣中的顆粒物也呈微酸性,因此沙塵暴沙塵的緩沖能力較低,降水的酸度自然增加;該地區廣泛分布的森林植被覆蓋面積大,也使汙染物難以擴散,成為強酸性降雨區;氣候條件與SO2的嚴重汙染有著非常重要的關系。壹是該地區氣候溫暖濕潤,是SO2和氮氧化合物轉化為酸的有利條件;二是山風較為明顯,白天與夜間的山風、谷風交替,使得空氣汙染物在區域內波動,難以擴散,加劇了區域內的酸雨汙染程度;第三,這個地區也是雷電多發區(廣西柳州就是壹個例子),雷電可以增加氮氧化合物的濃度,加快SO2和氮氧化合物的氧化速度。

ⅲ.酸雨區:pH值為4.5 ~ 5.0,主要範圍包括重慶、湖南、江西大部、浙江南部、臺灣省等地區。1998期間重慶市36個降水監測點監測結果見表4-1。統計顯示,重慶市降水平均pH值為4.88,酸雨平均pH值為4.59,酸雨頻率為45.6%,酸雨量占總降水量的49.8%,酸雨強度和頻率的變化趨勢為遠郊>城區>郊區,表現出酸雨的空間流動性。

根據重慶市主城區1993 ~ 2007年降水pH值的監測數據,分析了15年以來重慶市酸雨的變化趨勢。結果表明:①重慶主城區降水pH值較低,2002 ~ 2007年平均pH值在3.8 ~ 4.5之間。在6年的月變化中,降水酸度夏季高冬季低,酸雨頻率夏季低冬季高。酸雨強度的變化主要受汙染源排放等因素的影響。②重慶年降水pH值基本呈上升趨勢。在各季節中,秋季pH的年際變化呈明顯的波動趨勢,其他三個季節呈弱波動狀態,無明顯波動趨勢。③重慶酸雨(pH < 5.6)發生頻率較高,各季節酸雨發生頻率基本在80%以上,大部分年份酸雨發生頻率在90%以上。年降水pH < 5的頻率。重慶有6個,有升有降。重慶酸雨頻率春季呈明顯上升趨勢,夏、冬季波動較弱,秋季波動較大,無明顯上升和下降趨勢。④酸雨頻率(pH < 4。5)重慶市強烈度等級以上各年變化很大,從30%到80%不等。年降水pH < 4的頻率。重慶5波動劇烈,變化趨勢不明顯。

表4-1 1998重慶市降水監測結果

酸雨是大氣化學過程和大氣物理過程的綜合作用,其中致酸前驅物的排放和大氣汙染物的擴散條件是酸雨汙染的主要原因。酸性前體物的排放是重慶酸雨形成的根本原因。長期以來,重慶的能源消費以原煤為主。2004年,全市* * *消耗290×108千克標準煤,其中180×108千克標準煤,占能源消費總量的62.4%。特別是重慶是我國高硫煤的主要產地。2004年煤炭年產量300×108kg,其中91%以上為硫含量超過3%的高硫煤。高硫煤的大量使用導致了大量以SO2為基礎的硫化物排放。2005年,重慶市工業廢氣排放量為3650×108m3,其中SO2排放量為6.8×108kg。

在重慶主城區及其周邊地區,有重慶電廠、九龍電廠、華能路硫磺電廠、重慶鋼鐵股份有限公司等產生大量氮氧化合物的重汙染企業,但沒有采取有效措施控制氮氧化合物排放。同時,隨著社會經濟的快速發展,近年來重慶市機動車保有量迅速增加。機動車保有量的快速增加導致氮氧化合物排放總量的增加。此外,劣質油的使用、主要服務於建築工地的柴油工程機械、交通擁堵、CNG汽車供氣問題難以有效解決等,都加劇了市區特別是城區的氮氧化合物汙染。

在含有鐵、銅、鎂、釩等元素的大氣顆粒物中,大量的SO2和氮氧化合物作為酸性催化劑發生反應。、或在閃電的氧化下等。,通過氣相或液相氧化反應生成硫酸、亞硫酸、硝酸及其鹽類,成為沈澱中的主要陰離子成分。

重慶特殊的地形是主城區酸雨汙染嚴重的重要原因。重慶位於四川盆地東部,東部和東北部與大巴山接壤,南部和東南部與貴州高原接壤。這種特殊的地形條件導致重慶年靜風頻率高,年平均風速低,低窪河谷地區和盛行風背後的年平均風速在1m/s以下,大氣穩定度以中性為主,市區逆溫頻率高、持續時間長,逆溫強度大,混合層厚度大。逆溫層下容易形成霧,使得近地面的汙染物難以向外擴散。上述惡劣的大氣擴散條件不利於汙染物的平移擴散和垂直擴散。特別是對於主城區來說,長江、嘉陵江橫貫其中,丘陵和山谷占76%,峰谷交錯,盆丘交錯,山風和谷風明顯,白天和夜間山風和谷風交替,城市熱島效益顯著,使得區域內空氣汙染物波動,難以擴散出去,加劇了重慶酸雨汙染程度。

2004年,湖南省14個城市上報了降水pH值監測數據。其中pH≤5.6的酸雨樣品占76.4%。單個降水樣品的pH值為3.05 ~ 8.24。

Ⅳ.強酸雨區:降水pH值小於4.5,酸雨主要範圍包括上海和浙江東北部。2002年至2005年,上海22個監測點年平均降水pH值和酸雨頻率統計結果分別見表4-2和表4-3。

表4-2 2002-2005年上海22個監測點年平均降水pH值統計結果

表4-3 2002-2005年上海22個監測點酸雨頻率統計結果

監測結果顯示,2002-2005年,上海市pH值小於5.6的點位比例逐年增加,強酸雨(pH值小於5.0)和強酸雨(pH值小於4.5)現象逐年增加。酸雨的頻率逐年增加。2004年和2005年,兩個監測點和四個監測點的酸雨頻率分別在75%以上。

上海作為中國人口和經濟發展的特大城市,單位GDP耗煤量持續下降,而耗煤量的絕對量仍然很大。近年來,上海的煤炭消費量壹直在上升,二氧化硫排放量也迅速上升。同時,由於能源供應短缺,煤炭質量下降,煤炭含硫量增加,導致上海環境空氣中SO2濃度上升,導致酸雨汙染日益嚴重。上海的環境空氣汙染屬於煤煙和石油並重的復合型汙染,但以揚塵汙染為主,呈酸性,對酸雨的緩沖能力較小。上海環境空氣中粉塵的逐年增加加劇了酸雨汙染的程度。同時,上海的土壤屬於南方酸性土壤,酸性土壤顆粒通過二次揚塵進入空氣,減緩了酸雨的緩沖能力,加劇了酸雨的汙染程度。上海屬於北亞熱帶季風氣候,日照充足,雨量充沛,四季分明。上海主導風向為東-東南風,春夏為東南風,秋季為東北風,冬季為西北西風。從2002年到2004年,上海酸雨頻率最大值出現在冬季,最小值出現在夏季。酸雨的季節變化與每個季度的汙染狀況和氣象條件密切相關。通常冬季大氣層結穩定,逆溫頻率明顯增加,抑制汙染物擴散,容易出現高濃度空氣汙染;夏季風速大,大氣穩定度弱,有利於汙染物擴散,汙染水平相對較低。

浙江省環境監測站2002年浙江省酸雨監測數據顯示,2002年杭州市酸雨頻率為73.6%,降水平均pH值為4.68,臨安市酸雨頻率為97.5%,降水平均pH值為4.04,其他縣(市)降水pH值均小於5.60。酸雨汙染程度見表4-4。

表4-4酸雨汙染等級

根據表4-4和降水監測結果分析,2002年杭州被酸雨覆蓋。重酸雨區面積13625km2,占全市總面積的82.1%。這些地區是杭州市、桐廬縣、淳安縣、余杭區、臨安市、建德市。酸雨重區(蕭山)面積1163km2,占全市總面積的7%;阜陽是中度酸雨區,占全市總面積的10.9%。從1998到2002年,杭州和余杭降水中硫酸鹽so42-與硝酸鹽NO3-的質量濃度比呈下降趨勢,so42-對降水酸度的貢獻逐漸減小。主要原因是杭州市機動車保有量逐年增加(五年增長率為392.8%),導致氮氧化合物排放量增加,降水中NO-3質量濃度逐漸升高。建德市SO2-4與NO-3的質量濃度比在緩慢上升。煤炭和石油是杭州的主要工業能源,占全市能源消費總量的31% ~ 37%。煤和石油燃燒產生的SO2是導致“九五”期間降水呈酸性的主要因素,被稱為“酸雨前兆”。上海排入大氣的SO2會不斷向周邊地區擴散,被稱為“酸雨前體物的長距離輸送”。冬春季節,主導風向由北至東北為下風向,對杭州等浙北地區酸雨的形成有疊加作用。外來的酸雨前兆可能是壹個不可忽視的因素。與北方相比,杭州空氣中總懸浮顆粒物濃度較低,其土壤以水稻土為主,表層土壤pH值約為5.74,土壤粉塵不能有效地緩沖降水的酸化過程。

三、全國大氣降水安全分析圖

根據全國多年人均利用降水量分布圖和全國酸雨區域分布圖,我國大氣降水安全分為四個區(附圖4),分區情況如下:

Ⅰ.大氣降水供水相對安全區。人均降雨量充足,沒有酸雨。主要地區有新疆、西藏西部、甘肅西北部、青海西北部和內蒙古。

Ⅱ.大氣降水供水安全區。人均降雨量中等,部分地區有酸雨,主要覆蓋西藏東南部、四川、雲南、廣西西部、貴州、湖南、湖北、重慶、河南、安徽北部、江蘇北部、陜西、甘肅東南部、山西、河北、山東、天津、北京、遼寧、吉林、黑龍江。

Ⅲ.整個地區的大氣降水和供水相對不安全。人均降雨量不足,酸雨區pH為4.5 ~ 5.0,主要覆蓋廣西東部、廣東、福建、江西、安徽南部、江蘇南部、浙江南部、海南和臺灣省。

Ⅳ.大氣降水和供水都是不安全的區域。人均降雨量不足,強酸雨區pH值小於4.5,主要集中在上海和浙江東北部。

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