何筠青,李元貝,許華濤,徐 強(qiáng),劉 聰

(1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院, 浙江 舟山 316021; 2.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 浙江 杭州 310058;3.浙江大學(xué) 海洋研究院, 浙江 舟山 316021; 4.西南技術(shù)工程研究所, 重慶 400039)

1 前 言

迅速崛起的海洋經(jīng)濟(jì)已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的新亮點(diǎn)[1]。然而,海洋環(huán)境高鹽、高濕、高溫易引成材料性能劣化,造成金屬材料腐蝕和混凝土結(jié)構(gòu)破環(huán)[2]。目前的研究多聚焦于氯鹽與材料的直接作用界面[3],以及防腐技術(shù)[4]、防腐材料[5]開發(fā)。從材料服役全過程而言,海洋大氣中氯離子分布影響規(guī)律也同等重要。

海洋大氣中氯鹽顆粒來源于海浪撞擊和氣流作用[6],常把氯離子沉積速率作為海洋環(huán)境腐蝕嚴(yán)酷度的重要指標(biāo)[7]。但受限于研究條件,目前的氯離子分布研究往往基于來海方向的一維擴(kuò)散模式[8],忽略了海島大氣環(huán)境中擴(kuò)散的多維性。在氯離子沉積研究中,國(guó)內(nèi)外學(xué)者多關(guān)注于研究離海距離[9]、地形地貌[10]、季節(jié)[11]、風(fēng)速[12]、降水[13]等影響,較少關(guān)注風(fēng)向與降水等的多因素共同作用。另外,我國(guó)的研究多集中在海南省、廣東省等區(qū)域,其較高的環(huán)境溫度會(huì)逸發(fā)生成較高的氯離子沉積速率[14],從而給氯離子分布研究造成較大的背底影響,海洋大氣氯離子采集過程中可能存在飽和現(xiàn)象[15]。

為了研究多維度擴(kuò)散下氯離子沉積速率的影響規(guī)律,實(shí)驗(yàn)選擇在東海海域的浙江大學(xué)摘箬山科技島進(jìn)行環(huán)島氯離子沉積速率長(zhǎng)期檢測(cè),探究離岸距離、方位、季節(jié)、降雨、風(fēng)況等對(duì)海島大氣環(huán)境中氯離子沉積速率的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 測(cè)試采樣點(diǎn)

浙江大學(xué)摘箬山科技島位于浙江省舟山市,面積2.7 km2,山高215 m,南北長(zhǎng)2.26 km,東西寬1.01 km。實(shí)驗(yàn)充分利用摘箬山島天然地形條件,以山頂為中心將該島劃分為八個(gè)區(qū)域,選取了8個(gè)環(huán)島測(cè)試點(diǎn)和1個(gè)山頂測(cè)試點(diǎn),位置如圖1所示、基本位置信息見表1。

表1 各測(cè)試點(diǎn)離海岸線距離Table 1 Distance from the coastline for each test position

圖1 摘箬山島測(cè)試點(diǎn)位置示意圖Fig.1 Diagram of test positions at Zhairuo island

2.2 氯離子沉積速率檢測(cè)

采樣過程:氯離子沉積速率檢測(cè)方法參照GJB 8894.1-2017《自然環(huán)境因素測(cè)定方法 第1部分:大氣環(huán)境因素》中的掛片法,采樣裝置如圖2所示。測(cè)試采樣周期一般為一個(gè)自然月,每個(gè)月上島掛樣一次,每次每點(diǎn)放置3個(gè)掛樣。

圖2 7號(hào)測(cè)試采樣裝置現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.2 Photograph of No.7 test equipment

洗氯步驟:將掛樣沿內(nèi)框剪下尺寸為100 mm×100 mm 的紗布后放入錐形瓶,加入去離子水至50 mL,置于65 ℃ HWS-24 型電熱恒溫水浴鍋加熱20 min。冷卻后用中速濾紙過濾,加入去離子水至50 mL再加熱20 min。冷卻后過濾,將所得的濾液放入EP管中待測(cè)。

檢測(cè)步驟:一次性注射器取約4 mL 濾液,用0.22 μm 的一次性濾膜濾掉微生物及水系有機(jī)物。采用重量法稀釋50倍后使用aquion離子色譜儀測(cè)定氯離子濃度,然后根據(jù)稀釋比例還原計(jì)算原液濃度。

2.3 環(huán)境參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試周期為2021年11月到2022年6月,采用舟山市定海區(qū)同時(shí)期的氣象數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)期間摘箬山島的環(huán)境氣象數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 摘箬山島基本氣象數(shù)據(jù)Table 2 Basic meteorological data of Zhairuo island

3 結(jié)果與討論

3.1 金屬涂層掛片環(huán)境試驗(yàn)

如圖3所示,樣品剛放置時(shí)表面光潔、封邊完整、標(biāo)識(shí)字跡清晰。經(jīng)過2年的東海海洋大氣環(huán)境中暴露試驗(yàn)后,封邊大多缺損,表面已有缺陷,裸片上已有銹點(diǎn)。

圖3 鋁合金表面陶瓷涂層樣品在1號(hào)測(cè)試采樣點(diǎn)放置2年前(a)后(b)的照片F(xiàn)ig.3 Photograph of aluminum alloy samples with ceramic coating which were placed in 1# test position for 2 years (a: 2 years ago, b: now)

3.2 離海岸線距離對(duì)氯離子沉積速率的影響

圖4為各測(cè)試點(diǎn)的氯離子沉積速率平均值與離海岸線距離的關(guān)系。從圖可見,靠近海岸線的站點(diǎn)氯離子沉積速率偏高,而離海岸線較遠(yuǎn)的站點(diǎn)氯離子沉積速率相對(duì)偏低。氯離子的沉積速率與離海岸線距離的變化近似于指數(shù)函數(shù)的衰減過程,與Alcantara[16]分析2013年4月至2013年6月獲得的大氣鹽度值與離海岸線距離呈指數(shù)衰減趨勢(shì)近似。這是因?yàn)殡S著離岸距離的增加,地面的摩擦引起風(fēng)速下降[17],離岸越遠(yuǎn),海風(fēng)強(qiáng)度越低,空氣中氯化物的濃度也越低。對(duì)于山頂?shù)?號(hào)點(diǎn),可能是因?yàn)闃淠竞椭脖坏淖钄_作用,阻擋了大部分氯離子向更遠(yuǎn)更高的地方擴(kuò)散遷移。

圖4 離海岸線距離對(duì)氯離子沉積速率的影響Fig.4 Effect of distance from coastline on chloride deposition rate

3.3 測(cè)試采樣點(diǎn)位置方位對(duì)氯離子沉積速率影響

實(shí)驗(yàn)期間各測(cè)試點(diǎn)氯離子沉積速率的平均值與方位關(guān)系如圖5所示。東北方向測(cè)試點(diǎn)(1號(hào)和2號(hào))的氯離子沉積速率最高,其次是東南方向(7號(hào)和8號(hào)),西南方向(5號(hào)和6號(hào))氯離子沉積速率最低,這與實(shí)驗(yàn)期間島上盛行的風(fēng)向有關(guān)。實(shí)驗(yàn)期間摘箬山島風(fēng)向由北風(fēng)主導(dǎo),東南風(fēng)其次,順主導(dǎo)風(fēng)方向的測(cè)試點(diǎn)氯離子的沉積速率明顯偏高。在西南方向的站點(diǎn)因處于背風(fēng)面,氯離子沉積速率偏低。因此,在有明顯主導(dǎo)風(fēng)向的環(huán)境中,測(cè)試點(diǎn)方位對(duì)氯離子沉積速率有顯著影響。

圖5 測(cè)試點(diǎn)位置方位對(duì)氯離子沉積速率的影響Fig.5 Influence of test position orientation on chloride deposition rate

3.4 季節(jié)對(duì)氯離子沉積速率的影響

為了研究不同季節(jié)對(duì)氯離子沉積速率的影響,分別統(tǒng)計(jì)了冬季(11月、12月和1月)、春季(2月、3月和4月)和夏季(5月和6月)3個(gè)季節(jié)的平均氯離子沉積速率,如圖6所示。從圖可見,各測(cè)試點(diǎn)的氯離子沉積速率都呈現(xiàn)出冬季高于春季,春季高于夏季的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)期間除了1月和2月平均溫度較低外,其他月份均較為接近,平均風(fēng)速每月差異較小。在降雨方面,12月和1月明顯低于其他月份。

圖6 季節(jié)對(duì)氯離子沉積速率的影響Fig.6 Influence of season on chloride deposition rate

3.5 降雨對(duì)氯離子沉積速率的影響

為進(jìn)一步研究降雨對(duì)氯離子沉積速率的影響,同時(shí)排除風(fēng)能對(duì)氯離子沉積速率的影響,實(shí)驗(yàn)選取了風(fēng)能幾乎相同的12月和2月的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照分析。如圖7所示,2 月降雨量(174.1 mm)是12 月降雨量(22.2 mm)的近8倍。12月份所有測(cè)試點(diǎn)的氯離子沉積速率都要明顯高于2月份的沉積速率。眾所周知,海洋大氣中氯鹽顆粒來源于海浪撞擊和氣流作用,當(dāng)氯離子濃度不高時(shí)易受到降雨影響,雨會(huì)直接吸附氯鹽顆粒,降低空氣中氯離子濃度。降雨量越大,造成氯離子的沉積速率越低。

圖7 降雨對(duì)氯離子沉積速率的影響Fig.7 Effect of rainfall on chloride deposition rate

3.6 風(fēng)向、風(fēng)能與降雨對(duì)氯離子沉積速率的影響

圖8給出了1號(hào)測(cè)試點(diǎn)不同季節(jié)風(fēng)向、風(fēng)能與降雨對(duì)氯離子沉積速率的影響。從圖中可以看出,北風(fēng)相較于東南風(fēng)對(duì)該站點(diǎn)氯離子沉積速率的影響更大。實(shí)驗(yàn)期間,盡管春季的風(fēng)能整體有所增加,但春季明顯增加的降雨量直接導(dǎo)致其平均氯離子沉積速率的顯著降低?？梢哉J(rèn)為,東海海域冬季到春季期間,風(fēng)向、風(fēng)能與降雨等多因素作用下,降雨量對(duì)氯離子沉積速率的影響最為明顯。

圖8 風(fēng)向、風(fēng)能和降雨對(duì)氯離子沉積速率的影響Fig.8 Effects of wind direction, wind power and rainfall on chloride deposition rate

4 結(jié) 論

離海岸線距離對(duì)氯離子沉積速率影響較大,靠近海岸線的站點(diǎn)氯離子沉積速率較高,離海岸線最遠(yuǎn)的9號(hào)站點(diǎn)最低。

2021年11月到2022年6月期間,摘箬山島各測(cè)試點(diǎn)冬季氯離子沉積速率高于春、夏季,東北方向測(cè)試點(diǎn)氯離子沉積速率最大。

氯離子沉積速率還受測(cè)試點(diǎn)風(fēng)向與風(fēng)能、降雨量等方面的影響。東海海域冬季到夏季期間,降雨量對(duì)摘箬山島氯離子沉積速率的影響最為明顯。