基于PCA-MLR模型的城市區(qū)域PM2.5污染來(lái)源解析實(shí)證研究——以長(zhǎng)株潭城市群為例

陳曉紅1,2，唐湘博1，田耘3

(1.中南大學(xué)商學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083；2. 湖南商學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410205

3. 湖南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖南長(zhǎng)沙410019)

摘要：利用2013年9月-10月長(zhǎng)株潭城市群PM2.5濃度及顆粒物元素組分監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)，聯(lián)合運(yùn)用富集因子法和PCA-MLR模型進(jìn)行了PM2.5污染來(lái)源解析的實(shí)證研究，在此基礎(chǔ)上提出城市區(qū)域PM2.5防控的對(duì)策建議。結(jié)果表明，長(zhǎng)沙市的PM2.5污染主要來(lái)源于交通塵、建筑水泥塵、冶煉塵及農(nóng)業(yè)污染；株洲市的PM2.5污染主要來(lái)源于冶煉塵、建筑水泥、煤煙塵及地面揚(yáng)塵；湘潭市的PM2.5污染主要來(lái)源于地面揚(yáng)塵、冶煉塵、煤煙塵及建筑水泥塵。

關(guān)鍵詞：PM2.5；源解析；PCA-MLR模型；長(zhǎng)株潭城市群

收稿日期：2014-08-28修回日期：2014-12-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目(71431006)；教育部哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究重大項(xiàng)目(13JZD0016)

作者簡(jiǎn)介：陳曉紅(1963-)，女，湖南長(zhǎng)沙人，湖南商學(xué)院校長(zhǎng)，中南大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，研究方向：決策理論，兩型社會(huì)(資源節(jié)約型與環(huán)境友好型)建設(shè)。

中圖分類(lèi)號(hào)：X323

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-9753(2015)01-0139-11

Abstract:Using air quality monitoring data of PM2.5 concentrations and particle elemental composition in Chang-Zhu-Tan city cluster from September to October in 2013,this paper empirically analyzes the PM2.5 source apportionment using enrichment factor analysis and PCA-MLR model in combination. Based on this,this paper presents PM2.5 prevention and control countermeasures and policy suggestions in urban area. The results shows that PM2.5 pollution in Changsha city mainly comes from the traffic dust,construction & cement dust,smelting dust and agricultural pollution;PM2.5 pollution in Zhuzhou city mainly comes from smelting dust,construction & cement dust,coal ash and dust,and ground dust;PM2.5 pollution in Xiangtan city mainly comes from the ground dust,smelting dust,coal ash and dust,construction & cement dust. On this basis,this paper puts forward some countermeasures to prevent and control the urban PM2.5 pollution in Chang-Zhu-Tan City Cluster from aspects such as mechanism innovation and control means.

Urban PM2.5Pollution Source Apportionment and Control Countermeasures Based on

PCA-MLR Model:An Example of Chang-Zhu-Tan City Cluster

CHEN Xiao-hong1,2,TANG Xiang-bo1,TIAN Yun3

(1.BusinessSchoolofCentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410083,China;

2.HunanUniversityofCommerce,Hunan410205,China；

3.HunanEnvironmentalMonitoringCerner,Changsha,Hunan410019,China)

Key words:PM2.5;source apportionment;PCA-MLR model;Chang-Zhu-Tan City Cluster

一、引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，工業(yè)化和城市化進(jìn)程不斷加速，伴隨著城市人口的不斷增長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車(chē)保有量持續(xù)增加，能源大量集中消耗，道路等交通設(shè)施和污染物脫除技術(shù)嚴(yán)重滯后，導(dǎo)致城市區(qū)域大氣污染日趨嚴(yán)重，表觀(guān)為大氣能見(jiàn)度嚴(yán)重下降，霧霾鎖城事件頻繁發(fā)生。以PM2.5污染為典型代表的區(qū)域大氣復(fù)合污染，已成為社會(huì)各界高度關(guān)注和亟待解決的重大環(huán)境問(wèn)題，并在國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃中被確定為資源環(huán)境領(lǐng)域的優(yōu)先主題。全面準(zhǔn)確地掌握PM2.5污染來(lái)源是有效防控的前提條件，但PM2.5成分和來(lái)源復(fù)雜，做到精確來(lái)源解析難度較大，我國(guó)已開(kāi)展的源解析研究主要集中在京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)[1]，而對(duì)作為國(guó)家兩型社會(huì)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)的長(zhǎng)株潭城市群卻鮮有報(bào)道。

長(zhǎng)株潭城市區(qū)域地處湖南省中東部，長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三個(gè)城市沿湘江呈“品”字形分布，兩兩相距不足40公里，結(jié)構(gòu)緊湊，是中部六省城市中全國(guó)城市群建設(shè)的先行者。2007年，長(zhǎng)株潭城市群被評(píng)為全國(guó)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的社會(huì)建設(shè)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)。然而，根據(jù)省環(huán)保廳公布的環(huán)境空氣質(zhì)量狀況，2013年長(zhǎng)株潭環(huán)境空氣平均達(dá)標(biāo)率不足60%，以PM2.5為首要污染物，區(qū)域大氣污染形勢(shì)不容樂(lè)觀(guān)[2]。為提高顆粒物污染治理工作的科學(xué)性、合理性和針對(duì)性，迫切需要開(kāi)展PM2.5污染來(lái)源解析研究，明確可行的控制措施。本研究通過(guò)分析2013年9月-10月長(zhǎng)株潭城市區(qū)域PM2.5濃度及顆粒中元素組分的數(shù)據(jù)，聯(lián)合運(yùn)用富集因子法與PCA-MLR(主成分-多元線(xiàn)性回歸)模型進(jìn)行PM2.5污染來(lái)源解析，以期為地方政府制定有效的區(qū)域防控政策提供科學(xué)依據(jù)。

二、文獻(xiàn)綜述

(一) 顆粒物源解析方法概述

所謂顆粒物源解析(Source Apportionment)方法是指對(duì)大氣環(huán)境中顆粒物的來(lái)源進(jìn)行定性和定量研究的方法[3]，也即建立污染源與環(huán)境質(zhì)量的定性和定量關(guān)系的方法。在研究過(guò)程中，不僅要定性地識(shí)別大氣顆粒物的來(lái)源，還要定量地計(jì)算出各種源對(duì)環(huán)境污染的貢獻(xiàn)值(分擔(dān)率)。由于大氣顆粒物的來(lái)源復(fù)雜，影響因素很多，既受人群活動(dòng)的影響又受氣象條件等諸多因素的制約。因此，顆粒物源解析是一個(gè)非常重要而又復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題，也是大氣顆粒物研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一[4]。

目前，大氣顆粒物源解析的研究方法主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是以污染源為對(duì)象的擴(kuò)散模型(diffusion model)，從污染源角度出發(fā)，根據(jù)污染源強(qiáng)度、地理資料以及氣象資料等參數(shù)用擴(kuò)散模型來(lái)估算污染源對(duì)大氣顆粒物濃度(環(huán)境污染)的貢獻(xiàn)。即已知影響大氣顆粒物的污染源個(gè)數(shù)和方位,以及顆粒物擴(kuò)散過(guò)程中詳細(xì)的氣象資料等重要特征參數(shù)，來(lái)估算這些污染源對(duì)大氣顆粒物的貢獻(xiàn)。另一類(lèi)是以污染區(qū)域?yàn)閷?duì)象的受體模型(receptor model)，通過(guò)分析在受體采集的顆粒物樣品的物理、化學(xué)性質(zhì)(如顆粒物的化學(xué)組成、微觀(guān)形態(tài)特征等)，用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)環(huán)境質(zhì)量的變化規(guī)律進(jìn)行研究，定性識(shí)別對(duì)受體有貢獻(xiàn)的污染源，且定量計(jì)算各污染源的貢獻(xiàn)率。即在對(duì)受體點(diǎn)周?chē)廴驹吹膫€(gè)數(shù)和方位都不確定的前提下,從采樣點(diǎn)采集的顆粒物著手,分析這些顆粒物的物理、化學(xué)性質(zhì),進(jìn)而反推其污染來(lái)源。與擴(kuò)散模型相比，受體模型排除了污染源的排放條件、當(dāng)?shù)氐牡匦?、氣象等因素的限制，不需要追蹤顆粒物的遷移過(guò)程，避開(kāi)了應(yīng)用擴(kuò)散模型實(shí)際操作中所遇到的困難，被認(rèn)為是現(xiàn)階段顆粒物源解析工具中最有價(jià)值的模型[5-9]。1993年，在國(guó)家環(huán)境保護(hù)局頒布的《城市環(huán)境綜合整治規(guī)劃編制技術(shù)大綱》中，明確規(guī)定了“使用受體模型進(jìn)行城市污染源解析工作”。與受體模型相比，擴(kuò)散模型可分析大氣污染成因、機(jī)制及特征，基于對(duì)顆粒物濃度的貢獻(xiàn)率來(lái)識(shí)別重點(diǎn)污染行業(yè)和重點(diǎn)污染區(qū)域，進(jìn)行環(huán)境規(guī)劃情景分析和顆粒物治理方案的效益評(píng)估。擴(kuò)散模型和受體模型的比較詳見(jiàn)表1。

表1　擴(kuò)散模型和受體模型的比較

根據(jù)是否需要源信息，受體模型又可分為兩類(lèi)：一是需要源信息，叫做源已知(sources known)受體模型；二是不需要源信息，叫做源未知(sources unknown)受體模型[10]。其中，源已知受體模型以化學(xué)質(zhì)量平衡(CMB)模型為代表，它在源和受體之間建立平衡關(guān)系，利用多元線(xiàn)性回歸的運(yùn)算，計(jì)算得到污染物對(duì)受體的貢獻(xiàn)值?；瘜W(xué)質(zhì)量平衡法(CMB)的基本原理是質(zhì)量守恒，假設(shè)存在著若干類(lèi)污染源對(duì)受體中的大氣顆粒物有貢獻(xiàn)，并且：(1)由各類(lèi)污染源所排放的顆粒物的化學(xué)組成有明顯的差別；(2)由各類(lèi)污染源所排放的顆粒物化學(xué)組成相對(duì)穩(wěn)定；(3)由各類(lèi)污染源所排放的顆粒物之間沒(méi)有相互作用，并且在傳輸?shù)倪^(guò)程中的變化基本可以忽略，那么各種污染源貢獻(xiàn)濃度值的線(xiàn)性加和就是受體樣品測(cè)量所得到的總物質(zhì)濃度。根據(jù)所測(cè)定的i個(gè)元素可以建立一組由i個(gè)方程所組成的線(xiàn)形方程組。通過(guò)解該方程組，得到各排放源的貢獻(xiàn)量。研究表明，選定的元素個(gè)數(shù)i相對(duì)于污染源的個(gè)數(shù)j越多，則通過(guò)該模型解析的結(jié)果越精確。CMB模型的算法主要有線(xiàn)性程序法、示蹤元素法和最小二乘法。目前實(shí)際應(yīng)用中最常采用的是最小二乘法，該算法的核心是通過(guò)選擇顆粒物化學(xué)成分的最小測(cè)量值與計(jì)算值之差的和加權(quán)平方以確定污染源貢獻(xiàn)率。CMB模型必須有較完整的污染源成分譜信息，才可定量源貢獻(xiàn)率。

主成分—多元線(xiàn)性回歸(PCA-MLR)模型[11]是源未知受體模型中一種較新的研究方法，主因子分析法在確定因子數(shù)方面比目標(biāo)變換因子法(PMF)簡(jiǎn)單易行,分辨源的能力也比目標(biāo)變換因子分析強(qiáng)些,但無(wú)法像目標(biāo)變換因子分析法那樣得出源的組成。多元線(xiàn)性回歸法 (Multivariate Linear Regression,MLR)又稱(chēng)示蹤元素法(由某一種污染源排放的物種就稱(chēng)為示蹤元素)。通過(guò)測(cè)量受體的PM2.5濃度,并對(duì)各示蹤元素的濃度進(jìn)行多元回歸，就可得到PM2.5濃度與各示蹤元素濃度的回歸式，回歸系數(shù)用于計(jì)算各示蹤元素所對(duì)應(yīng)的源對(duì)受體點(diǎn)PM2.5的平均絕對(duì)貢獻(xiàn)[12-14]，因此，PCA-MLR聯(lián)用模型具有簡(jiǎn)單易行、可操作性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)富集因子大小可以將元素大體上分為兩類(lèi)。Lautzy等人提出，某種元素的富集因子值小于 10 時(shí)，則可以認(rèn)為是非富集的成分，來(lái)源于地殼；當(dāng)富集因子增大到 10～1×104時(shí)，則可以認(rèn)為被富集了，來(lái)源于人為污染源。

不同受體模型(CMB、PMF、PCA-MLR等)的比較詳見(jiàn)表2。

表2　不同受體模型(CMB、PMF、PCA-MLR等)的比較

(二) 顆粒物源解析方法的應(yīng)用

化學(xué)質(zhì)量平衡模型(CMB)和正矩陣因子分析法(PMF)為美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)推薦使用的模型。用戶(hù)可以從美國(guó)EPA官網(wǎng)上下載CMB和PMF模型軟件并可供免費(fèi)使用[15]。從國(guó)外學(xué)者發(fā)表的文章可以看出，CMB和PMF模型在美國(guó)底特律市、英國(guó)倫敦、土耳其黑海地區(qū)等許多區(qū)域得到了廣泛的應(yīng)用[16-18]。國(guó)內(nèi)學(xué)者先后在北京、天津、杭州、寧波、永安、南京、上海、成都等城市利用受體模型進(jìn)行顆粒物污染源的解析研究[19-26]。

自從Thurston和Spengler[27]提出了絕對(duì)因子得分(APCS)的概念，將PCA與多元線(xiàn)性回歸相結(jié)合，能夠定量解析出源類(lèi)對(duì)受體的貢獻(xiàn)值以來(lái)，得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用。Harrison[28]使用PCA-MLR模型對(duì)英國(guó)伯明翰的顆粒物載帶的多環(huán)芳烴進(jìn)行了源解析研究；Guo[29]用該模型對(duì)中國(guó)東部城市的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)進(jìn)行源解析研究；Park等人[30]用PCA-MLR模型對(duì)韓國(guó)首爾的PM2.5樣品進(jìn)行源解析研究，表明機(jī)動(dòng)車(chē)源是當(dāng)?shù)刈钪饕呢暙I(xiàn)源類(lèi)別。

在受體模型發(fā)展的同時(shí)，擴(kuò)散模型也在不斷發(fā)展。如今美國(guó)實(shí)施的工業(yè)復(fù)合源大氣擴(kuò)散模型可以處理城市和鄉(xiāng)村，點(diǎn)、面、線(xiàn)、體各種污染排放源，并考慮了建筑物動(dòng)力尾流效應(yīng)、污染物衰變、重力沉降和干沉積，以及特殊氣象條件和不平坦地形等多種復(fù)雜因素的影響[31]。

綜上所述，無(wú)論是在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，污染源解析都是PM2.5污染控制的一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究。盡管顆粒物污染源解析的研究方法較多，但由于目前對(duì)PM2.5污染物的輸送、擴(kuò)散、化學(xué)轉(zhuǎn)化、清除機(jī)制等尚不是十分清楚，尤其是在缺乏PM2.5污染源清單數(shù)據(jù)的情況下，受體模型是現(xiàn)階段城市或區(qū)域大氣污染來(lái)源解析的重要手段。

在受體模型中，源已知受體模型(CMB)需要建立污染源成分譜的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，才能得到可靠的源解析結(jié)果。由于我國(guó)對(duì)PM2.5污染源解析工作仍處于起步階段，一些城市或區(qū)域(如長(zhǎng)沙、株洲、湘潭地區(qū))PM2.5污染源排放清單和源成分譜正在建立之中，不適于利用CMB模型進(jìn)行源解析實(shí)證研究。主因子分析和示蹤元素回歸方法(即PCA-MLR模型)的聯(lián)合使用，無(wú)需污染源成分譜信息，利用大量PM2.5本身的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將一些具有復(fù)雜關(guān)系的變量歸結(jié)為數(shù)量較少的幾個(gè)綜合因子，可以客觀(guān)分析出污染源的類(lèi)型及其貢獻(xiàn)值，且主因子分析法較PMF法更易于確定因子數(shù)，使源解析工作在現(xiàn)階段具有實(shí)際操作性。

此外，值得一提的是，無(wú)論擴(kuò)散模型還是受體模型，以及不同受體模型的結(jié)合，都有各自的優(yōu)勢(shì)與不足。隨著我國(guó)對(duì)PM2.5形成機(jī)制的深入了解和對(duì)PM2.5污染源成分譜資料的積累和基礎(chǔ)信息量的擴(kuò)大，混合模型的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用以及不同受體模型相互結(jié)合是污染源解析的重要研究方向。本研究聯(lián)合運(yùn)用富集因子法和PCA-MLR模型對(duì)長(zhǎng)株潭城市群PM2.5污染來(lái)源進(jìn)行解析。

三、樣本選擇與數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究建模過(guò)程使用的PM2.5濃度及其元素組分?jǐn)?shù)據(jù)由湖南省監(jiān)測(cè)中心站提供，具體為：2013年9月2日至2013年10月18日26天的P、Zn、Pb、Al、Si、Mn、Fe、Mg、Ca、Na、K、Ti、V、Cr、Co、Ni、Cu等17種無(wú)機(jī)元素的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。模型實(shí)證分析中各元素組分的濃度單位均為相對(duì)值，即元素與對(duì)應(yīng)PM2.5濃度值相比所得百分含量，數(shù)據(jù)分析采用Matlab 2010b軟件。

在長(zhǎng)沙、株洲和湘潭市城區(qū)共布設(shè)11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，其中長(zhǎng)沙5個(gè)，株洲、湘潭各3個(gè)，長(zhǎng)株潭城市區(qū)域地理位置及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。將各市監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5及其元素組分的平均值分別作為相應(yīng)城市區(qū)域PM2.5及其元素組分的平均值。

1.長(zhǎng)沙沙坪；2.長(zhǎng)沙市經(jīng)開(kāi)區(qū)環(huán)保局；3.長(zhǎng)沙火車(chē)站；4.湖南省環(huán)保廳；5.湖南中醫(yī)藥大學(xué)；6.湘潭市江麓；7.湘潭市環(huán)境監(jiān)測(cè)站；8.湘潭市岳塘；9.株冶醫(yī)院；10.株洲市第四中學(xué)；11.株洲天臺(tái)山莊 圖1　長(zhǎng)株潭城區(qū)地理位置及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

四、源解析模型

(一)富集因子模型

富集因子模型是用于研究大氣中元素的富集程度，評(píng)判大氣中污染物的人為源和自然源的常用方法。大氣顆粒物中含有的元素相對(duì)于土壤背景值的豐富度，即為富集因子Ef，EF被定義為：

(1)

在式(1)中：Cn為顆粒物中研究的元素；

Cref為參比元素；

Cn/Cref(sample)代表顆粒物中研究元素與參比元素的濃度之比；

Bn/Bref(background)代表土壤中研究元素與參比元素背景濃度值之比。

一般認(rèn)為[32]，若Ef≥10，則說(shuō)明該元素在顆粒物中有明顯富集；若Ef<10，則說(shuō)明該元素沒(méi)有富集，來(lái)源于地殼土壤或巖石風(fēng)化；若Ef<1，則說(shuō)明該元素可能有流失，其相對(duì)含量明顯下降。參比元素一般選用地殼中普遍存在的而人為污染來(lái)源少、化學(xué)穩(wěn)定性好、分析結(jié)果精確度高的Al、Ti、Fe、Si等揮發(fā)性低的元素。

(二)主成分分析-多元線(xiàn)性回歸(PCA-MLR)模型

PCA-MLR模型源解析的主要思路為：通過(guò)分析各化學(xué)元素濃度(相對(duì)于PM2.5的百分含量)之間的相關(guān)性，篩選能代表化學(xué)元素含量在樣本中的絕大部分變化量的幾個(gè)主成分，通過(guò)化學(xué)元素主因子載荷識(shí)別源的類(lèi)型；再通過(guò)兩次最小二乘法多元線(xiàn)性回歸，得到污染源的貢獻(xiàn)率和源譜。

主成分分析的主要目的就是盡可能地用較少的變量去解釋數(shù)據(jù)中的大部分變異信息。它的核心思想就是通過(guò)降維，盡可能地消除各指標(biāo)間的共線(xiàn)性。設(shè)h1，h2，…，hp代表p個(gè)指標(biāo)，w1，w2，…,wn，表示各指標(biāo)的權(quán)重值，很容易理解這p個(gè)指標(biāo)的加權(quán)之和：

s=w1h1+w2h2+…+wphp

(2)

設(shè)共有樣本數(shù)為s，每一個(gè)樣本的綜合得分記為s1，s2，…，sn。我們希望能夠找到一組恰當(dāng)?shù)臋?quán)重，使得經(jīng)過(guò)式(2)計(jì)算得到的每個(gè)樣本的綜合得分間具有較好的區(qū)分度。那我們只需找到這樣的一組加權(quán)，能使得s1，s2，…，sn盡可能地分散開(kāi)來(lái)。

假設(shè)H1，H2，…，Hp表示以h1，h2，…，hp為樣本觀(guān)測(cè)值的隨機(jī)變量，假如能夠找到一組w1，w2，…，wp使得：

Q=Var(w1H1+w2H2+…+wpHp)

(3)

的值達(dá)到最大值，由于方差反映了指標(biāo)間的變異程度，這說(shuō)明在此情況下p個(gè)變量的變異程度達(dá)到最大。由于滿(mǎn)足式(3)的w1，w2，…，wn有無(wú)窮多組，如果不加以限制，無(wú)法進(jìn)行進(jìn)一步的分析。一般地，我們規(guī)定：

(4)

在式(4)的約束下，求出式(3)的最優(yōu)解。從式(4)來(lái)看，很顯然，這個(gè)解是一個(gè)單位向量，它代表了我們所要求的主成分方向。

設(shè)Zi代表第i個(gè)主成分，i可取1，2，…，p。設(shè)：

(5)

其中，Zn代表第p個(gè)主成分，對(duì)于每個(gè)i均有wi12+wi22+…+wip2=1。選擇主成分的原則一般來(lái)說(shuō)只要他們可以解釋70%到90%的變異即可，即累積貢獻(xiàn)率一般在70%到90%之間，主成分?jǐn)?shù)量以盡可能地少為原則，一般不超過(guò)6個(gè)。

多元線(xiàn)性回歸模型可以表示為：

(6)

(7)

單獨(dú)使用旋轉(zhuǎn)后的PCA方法可以達(dá)到消除共線(xiàn)性的目的，因?yàn)橹荒艿玫礁髦鞒煞謱?duì)于樣本方差的解釋率，所以無(wú)法得到各個(gè)污染源對(duì)于PM2.5的具體貢獻(xiàn)率。結(jié)合富集因子模型得到的結(jié)果，將PCA模型與MLR模型結(jié)合使用，在參考其他學(xué)者做過(guò)的源信息的基礎(chǔ)上，便計(jì)算出個(gè)各污染源對(duì)于PM2.5的貢獻(xiàn)率。

五、實(shí)證分析結(jié)果與討論

(一) 富集因子分析結(jié)果與討論

以湖南省A層(表層土)土壤元素背景值[33]的中位值為參比系統(tǒng)、以鋁元素為參比元素計(jì)算各元素的富集因子值，結(jié)果見(jiàn)表3，值大于10的被加粗。

表3　長(zhǎng)株潭城市區(qū)域PM 2.5中元素富集因子

為直觀(guān)分析，將表3結(jié)果繪制成如圖2所示的條形圖。

圖2顯示，在長(zhǎng)株潭城市區(qū)域中，Ca元素具有相當(dāng)高的富集因子值，這說(shuō)明長(zhǎng)株潭城市群Ca元素主要來(lái)自于人為活動(dòng)，由于Ca元素為建筑塵表征元素，這意味著長(zhǎng)株潭城市區(qū)域的建筑塵均為PM2.5的重要來(lái)源之一。長(zhǎng)沙市PM2.5顆粒物含有的元素中Ef大于10的有Pb、Mg、Ca及Na；株洲市PM2.5顆粒物含有的元素中Ef大于10的有Zn、Pb、Fe、Mg、Ca及Na；湘潭市PM2.5顆粒物含有的元素中Ef大于10的有Zn、Pb、Fe、Mg、Ca及Na。Ef大于10可以認(rèn)為該元素釋放到空氣的過(guò)程，主要是受到人類(lèi)活動(dòng)的影響。株洲和湘潭Ef大于10的元素相同，可以初步推斷這兩個(gè)城市空氣PM2.5的主要來(lái)源相似。富集因子分析得到的結(jié)果，將為下面PM2.5溯源研究提供一定的參考信息。

圖2　長(zhǎng)株潭城市區(qū)域PM 2.5中元素富集因子

(二)主成分分析結(jié)果與討論

對(duì)2013年9-10月長(zhǎng)沙市城區(qū)5個(gè)點(diǎn)26天的PM2.5化學(xué)成分分析的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，計(jì)算得其相關(guān)性系數(shù)矩陣對(duì)應(yīng)的17個(gè)特征值由大到小的順序?yàn)椋?.11、3.69、1.32、1.02、0.69、0.44、0.25、0.17、0.098、0.075、0.05、0.03、0.022、0.019、0.007、0.005、0.002。前4個(gè)特征值λ1，λ2，λ3，λ4對(duì)于方差的貢獻(xiàn)率分別為54%，22%，8%，6.0%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)90%，所以選取主成分?jǐn)?shù)目p=4。經(jīng)過(guò)方差極大化正交旋轉(zhuǎn)后，可以顯示各元素在主成分中的載荷值。表4為長(zhǎng)沙市PM2.5的主因子載荷表，因子載荷值在0.7以上的被加粗。因子載荷的解釋可參考相關(guān)文獻(xiàn)[34]。

因子1解釋了總方差的54%。在這個(gè)因子里Pb、Mn、Fe、Mg、Co、Ni這幾個(gè)組分具有比較高的載荷值，Pb是交通源的標(biāo)識(shí)元素，Mn、Fe、Mg、Co均可來(lái)自于交通源，Ni為燃油燃燒標(biāo)識(shí)元素。因此因子1可標(biāo)識(shí)為交通塵。

表4　長(zhǎng)沙市PM 2.5中化學(xué)元素主因子載荷

因子2解釋了總方差的22%。在這個(gè)因子里，Al、Ca、Ti、Cr具有較高的載荷值，Al、Ca、Ti均為地殼標(biāo)識(shí)元素，由于建筑塵的標(biāo)識(shí)元素Ca的富集因子較高，且水泥生產(chǎn)粉塵中也包含了Al、Ca、Ti、Cr 4種元素，故因子2可標(biāo)識(shí)為建筑水泥塵。

因子3解釋了總方差的8%。在這個(gè)因子里，Zn、Cu這兩個(gè)組分均具有較高的載荷值。Zn、Cu均為有色冶金行業(yè)粉塵中主要元素，因此因子3可以標(biāo)識(shí)為冶煉塵。

因子4解釋了總方差的6%。在這個(gè)因子里，P具有最高的載荷值，達(dá)0.95。因此因子4可以標(biāo)識(shí)為農(nóng)業(yè)污染源[35]。

因子1、因子2、因子3及因子4共解釋了總方差的90%，因此可以認(rèn)為通過(guò)主成分分析提取出了原始數(shù)據(jù)中絕大部分的信息量。

株洲市及湘潭市區(qū)域PM2.5溯源方法與長(zhǎng)沙市相同，在此不再贅述，僅給出株洲市和湘潭市PM2.5主因子載荷表，詳見(jiàn)表5和表6。

表5　株洲市PM 2.5中化學(xué)元素主因子載荷

表6　湘潭市PM 2.5中化學(xué)元素主因子載荷

(三)多元線(xiàn)性回歸結(jié)果與討論

分別求得表3中各元素組分在26天的相對(duì)濃度總和。以標(biāo)準(zhǔn)化后的17種化學(xué)元素濃度之和為因變量，以表4中4個(gè)主因子為自變量，進(jìn)行回歸得到如下回歸方程：

(8)

式(8)的擬合優(yōu)度R2值為0.96，顯著性水平α=0.05，F(xiàn)檢驗(yàn)值為18，p檢驗(yàn)值為0<α=0.05，故可以認(rèn)為擬合成功。源的平均貢獻(xiàn)率(%)=(Bi/∑Bi)×100%。其中，為式(8)中第個(gè)主因子的回歸系數(shù)，由此便可求得最終源貢獻(xiàn)率。

對(duì)于株洲市和湘潭市，采用與長(zhǎng)沙市同樣的處理方法進(jìn)行PM2.5的源解析計(jì)算，最終得到長(zhǎng)株潭城市區(qū)域PM2.5源解析結(jié)果，如表7和圖3所示。

表7　長(zhǎng)株潭城市區(qū)域PM 2.5溯源結(jié)果

圖3　長(zhǎng)株潭城市區(qū)域PM 2.5源解析結(jié)果

六、結(jié)論與政策建議

當(dāng)前，我國(guó)城市大氣顆粒物污染嚴(yán)重，來(lái)源復(fù)雜、地區(qū)特性很強(qiáng)，對(duì)其污染來(lái)源進(jìn)行解析是大氣環(huán)境綜合整治規(guī)劃的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，對(duì)城市環(huán)境管理和決策具有重要意義。

本文聯(lián)合運(yùn)用富集因子法和PCA-MLR模型進(jìn)行了PM2.5污染來(lái)源解析的實(shí)證研究，得到以下結(jié)論：(1)長(zhǎng)沙的PM2.5污染源中交通塵和建筑水泥塵的貢獻(xiàn)率接近60%。截至2013年底，長(zhǎng)沙市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)159.04萬(wàn)輛，是株洲的2.6倍和湘潭的9倍；2005-2012年間，長(zhǎng)沙市城市房屋建筑面積由8233萬(wàn)平方米提高到18583萬(wàn)平方米，城市道路長(zhǎng)度由1415公里提升到2342公里。由此可見(jiàn)，作為快速發(fā)展的中心城市，長(zhǎng)沙市PM2.5污染從工業(yè)型污染向交通建筑型污染逐漸轉(zhuǎn)變，大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和機(jī)動(dòng)車(chē)保有量增長(zhǎng)是PM2.5污染的重要原因。(2)株洲和湘潭的主要污染源均包含冶煉塵和煤煙塵，尤其是湘潭市煤煙塵和冶煉塵的貢獻(xiàn)率高達(dá)67%，說(shuō)明其工業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的效果遠(yuǎn)不及長(zhǎng)沙，工業(yè)燃煤和鋼鐵冶煉粉塵是其PM2.5污染的主要來(lái)源。(3)雖然長(zhǎng)株潭三市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)存在較大差異，PM2.5污染源也具有較為明顯的地區(qū)特征，然而，顆粒物化學(xué)元素組分反映三市不同程度地受到冶煉塵污染，冶煉塵貢獻(xiàn)率均為20%以上。這表明長(zhǎng)株潭三市之間均有較明顯的污染物擴(kuò)散與PM2.5輸送效應(yīng)。(4)生物質(zhì)燃燒對(duì)PM2.5污染產(chǎn)生較為明顯的季節(jié)性影響，10月份的PM2.5濃度峰值主要受周邊地區(qū)秸稈(稻草)露天燃燒的影響。

依據(jù)長(zhǎng)株潭城市區(qū)域PM2.5污染源解析結(jié)果，本文提出以下控制對(duì)策建議：(1)健全以長(zhǎng)株潭為重點(diǎn)的大氣污染聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制。長(zhǎng)株潭三市地處同一氣候帶，PM2.5整體濃度值大致相當(dāng)，污染特征相近，政府及相關(guān)部門(mén)有必要制定出臺(tái)統(tǒng)籌全局的大氣污染防治條例。根據(jù)PM2.5污染源解析結(jié)果，健全以長(zhǎng)株潭為重點(diǎn)的大氣污染聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制，從頂層設(shè)計(jì)科學(xué)合理的減排技術(shù)路線(xiàn)和系統(tǒng)有效的各城市減排對(duì)策，制定長(zhǎng)株潭地區(qū)為重點(diǎn)的涉大氣污染排放項(xiàng)目的環(huán)保準(zhǔn)入條件和退出標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)地區(qū)大氣污染重點(diǎn)行業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和布局，實(shí)現(xiàn)區(qū)域城市空氣質(zhì)量的梯度和整體協(xié)同改善。(2)強(qiáng)化重點(diǎn)源的排污收費(fèi)制度。以冶金、火電工業(yè)、交通和城市面源為重點(diǎn)，按城市不同的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)制定各類(lèi)污染源的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和減排要求，在我國(guó)現(xiàn)行排污收費(fèi)制度基礎(chǔ)之上建立PM2.5單項(xiàng)污染物收費(fèi)制度。(3)實(shí)現(xiàn)交通污染源的有效控制。長(zhǎng)沙市PM2.5污染中交通塵貢獻(xiàn)率高達(dá)36.8%，實(shí)現(xiàn)交通源污染控制可以通過(guò)推進(jìn)綠色出行改革和機(jī)動(dòng)車(chē)準(zhǔn)入限制兩方面齊頭并進(jìn)，大力發(fā)展公交導(dǎo)向型開(kāi)發(fā)(TOD)模式。(4)實(shí)現(xiàn)冶金、化工產(chǎn)業(yè)污染的有效控制。株洲冶煉塵中包含有色金屬元素組分較多，湘潭的冶煉塵中包含黑色金屬元素組分較多，由此可見(jiàn)，株洲PM2.5污染的控制重點(diǎn)在有色冶金行業(yè)，湘潭則應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)鋼鐵行業(yè)的煙塵污染控制，積極推進(jìn)相關(guān)行業(yè)工業(yè)鍋爐和工業(yè)爐窯的除塵技術(shù)升級(jí)改造，全面深化煙、粉塵治理。(5)全面落實(shí)建筑揚(yáng)塵污染防治措施。隨著城鎮(zhèn)化率的不斷提高，建筑覆蓋率與新增建筑面積也迅速增長(zhǎng)，近期長(zhǎng)沙、株洲甚至因供地率不足被暫停建設(shè)用地審批。為了切實(shí)防治建筑施工及水泥揚(yáng)塵污染，應(yīng)對(duì)建筑施工企業(yè)揚(yáng)塵污染防治全面實(shí)行屬地管理，分級(jí)負(fù)責(zé)。改善袋裝水泥生產(chǎn)條件與設(shè)備；改進(jìn)散裝水泥放料裝置，從源頭減少粉塵排放。(6)實(shí)施城市近郊廢棄物禁燃制度。為了控制秸稈等廢棄物露天燃燒導(dǎo)致的城區(qū)PM2.5季節(jié)性重度污染，應(yīng)嚴(yán)格禁止城市及周邊所有區(qū)域的農(nóng)作物秸稈、城市清掃廢物、園林廢物、建筑廢棄物等生物質(zhì)的違規(guī)露天燃燒。

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(本文責(zé)編：海洋)