林明宇蘭州大學(xué)13級(jí)學(xué)生

大氣顆粒物源解析技術(shù)的對比分析

林明宇
蘭州大學(xué)13級(jí)學(xué)生

摘要：本文主要從國內(nèi)外大氣顆粒物的源解析技術(shù)發(fā)展概況出發(fā)，對化學(xué)質(zhì)量平衡模型（CMB）及二重源解析模型的原理、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了化學(xué)質(zhì)量平衡模型（CMB）及二重源解析模型的適用范圍。

關(guān)鍵詞：大氣顆粒物；源解析技術(shù)；CMB模型；二重源解析模型

1　引言

大氣顆粒物（Atmospheric Particulate Matters）是大氣中存在的各種固態(tài)和液態(tài)顆粒物的總稱。世界衛(wèi)生組織下屬國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）2013年10月17日發(fā)布報(bào)告，首次指認(rèn)大氣污染“對人類致癌”，并視其為普遍和主要的環(huán)境致癌物。由于大氣顆粒物對大氣環(huán)境和人類健康危害很大，有害顆粒物成分在大氣中存留時(shí)間較長、波及范圍較廣，必須對其進(jìn)行系統(tǒng)地治理。為了采取更有針對性的治理方案，有必要分析清楚他們的來源。

2　大氣顆粒物源解析技術(shù)發(fā)展概況

源解析技術(shù)是通過對大氣顆粒物來源進(jìn)行分析，定性識(shí)別對受體（接收環(huán)境）有貢獻(xiàn)的污染源，并定量計(jì)算各污染物的貢獻(xiàn)率。

在早期的環(huán)境評估中，人們主要用擴(kuò)散模型分析顆粒物源的排放資料，結(jié)合擴(kuò)散路程中的溫壓濕風(fēng)等即時(shí)氣象要素，進(jìn)行顆粒物空間分布的評估，計(jì)算大氣顆粒物對所研究地點(diǎn)的污染物的貢獻(xiàn)率。擴(kuò)散模型的確可以很好地反映污染物與大氣環(huán)境質(zhì)量之間的定量關(guān)系，從而有效地治理大氣顆粒物污染。但是大多數(shù)情況下，我們很難準(zhǔn)確地測得污染源排放的總量以及污染物在傳播過程中的氣象要素?cái)?shù)據(jù)。為了更好地解決這一問題，上世紀(jì)70年代，人們把著眼點(diǎn)從排放源轉(zhuǎn)移到受體。即通過大氣顆粒物采樣儀器和化學(xué)成分分析方法對受體的污染物成分進(jìn)行分析，即使在缺少污染源信息以及氣象要素資料的情況下，也能很好地獲得各個(gè)污染物對受體的貢獻(xiàn)率。因此，受體模型——以化學(xué)質(zhì)量平衡模型（CMB）為代表，自70年代問世以來，得到了迅速發(fā)展。

3　化學(xué)質(zhì)量平衡模型（CMB）及二重源解析技術(shù)

3.1化學(xué)質(zhì)量平衡模型（CMB）及二重源解析技術(shù)的基本原理

CMB模型的基本原理就是質(zhì)量守恒原理，即從污染源擴(kuò)散向受體的那部分污染物在傳送過程中100%的貢獻(xiàn)給受體。

CBM模型是由一組線性方程構(gòu)成的,有以下幾個(gè)基本假設(shè)：

（1）可以識(shí)別出對環(huán)境受體中的大氣顆粒物有明顯貢獻(xiàn)的所有污染源類，各污染源類所排放的顆粒物的化學(xué)組成有明顯的差別；

（2）各污染源類所排放的顆粒物的化學(xué)組成相對穩(wěn)定，化學(xué)組分之間無相互影響；

（3）各污染源類所排放的顆粒物之間沒有相互作用，在傳輸過程中的變化可以忽略；

（4）元素個(gè)數(shù)必須大于源的個(gè)數(shù)；

（5）各類污染源排放出來的顆粒物的化學(xué)組成有明顯的差異；

（6）測樣方法的誤差是隨機(jī)的，符合正態(tài)分布。

根據(jù)上述假設(shè),CBM模型表示為每種化學(xué)元素的受體濃度等于貢獻(xiàn)率濃度和源成分譜的元素含量乘積的線性和。設(shè)受體顆粒物中元素i的濃度為Ci，則

式中Ci為大氣顆粒物i的濃度測量值，單位為μg/m3；Fij為第j類源的顆粒物中元素i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Sj為第j類源貢獻(xiàn)的質(zhì)量濃度計(jì)算值，單位為μg/m3；J為類的數(shù)目,j=1,2,…,J;I為元素的數(shù)目, i=1,2,…,I。當(dāng)擬合元素?cái)?shù)目(I)大于或等于擬合源數(shù)目(J)時(shí),根據(jù)測得的它們在大氣中的濃度Ci及排放源成分譜Fij，可計(jì)算得到各個(gè)排放源對該受體的貢獻(xiàn)值Sj和相應(yīng)的貢獻(xiàn)率βj。

CMB模型應(yīng)用中，有時(shí)在污染物從污染源到監(jiān)測點(diǎn)的擴(kuò)散過程中，由于揚(yáng)塵等二次排放源對污染源的貢獻(xiàn)率產(chǎn)生影響，能否將揚(yáng)塵等二次源的信息準(zhǔn)確的分辨出，將直接影響到一次污染源貢獻(xiàn)率的計(jì)算結(jié)果。為此馮銀廠等在充分分析和研究揚(yáng)塵這一特殊顆粒物排放源類的組成及排放特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在國際上首次提出了二重源解析技術(shù)。這種技術(shù)將土壤風(fēng)沙塵、煤煙塵、建筑塵、鋼鐵塵、機(jī)動(dòng)車尾氣塵視為單一的一次污染塵源，將揚(yáng)塵看作是混合二次污染揚(yáng)塵源。揚(yáng)塵既可以看作是單一的一次污染塵源的受體，也可以看作監(jiān)測點(diǎn)受體的排放源。故可以運(yùn)用CMB模型對“單一塵源——監(jiān)測點(diǎn)受體”，“單一塵源——混合揚(yáng)塵源”，“混合揚(yáng)塵源——監(jiān)測點(diǎn)受體”這三次顆粒污染物的傳遞過程進(jìn)行解析，扣除混合揚(yáng)塵源對監(jiān)測點(diǎn)受體的貢獻(xiàn)作用，即可得出單一塵源對受體污染物的貢獻(xiàn)率，解決了同時(shí)解析出單一塵源和混合揚(yáng)塵源對受體的貢獻(xiàn)率重疊的問題。

3.2CMB模型與二重源解析技術(shù)對比分析

（1）CMB模型的優(yōu)點(diǎn)

運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，思路清晰簡單，便與接收，是應(yīng)用最廣泛的源解析模型。

（2）CMB模型的缺點(diǎn)

要經(jīng)常檢測原樣品污染物元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和受體樣品各污染物元素的濃度，列出數(shù)據(jù)清單，不斷更新污染源組分譜，工作量較大,并要求成分譜全面,需花費(fèi)大量財(cái)力和人力。而且在多來源體系中，各排放源的獨(dú)立線性很難滿足。不過美國國家環(huán)保局（EPA）已經(jīng)采用奇異值分解和T統(tǒng)計(jì)法來診斷線性相關(guān)源的情況。[4]另外從污染源擴(kuò)散到監(jiān)測點(diǎn)的過程中，不能排除揚(yáng)塵等二次污染源的影響。而二重源解析技術(shù)解決了這一問題。

（3）CMB模型的適用范圍

適用于源數(shù)目多的體系,并能得到各源的絕對貢獻(xiàn)率,但不適合應(yīng)用于缺少污染源的化學(xué)成分譜的對象。

（4）二重源解析技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

①排除了揚(yáng)塵等二次污染源對污染源到監(jiān)測點(diǎn)受體的貢獻(xiàn)率的影響。

②解決了混合揚(yáng)塵源與單一塵源的嚴(yán)重共線性對受體貢獻(xiàn)交叉重疊的問題。

（5）二重源解析技術(shù)的缺點(diǎn)

需要檢測混合揚(yáng)塵中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和各元素的濃度，加大了計(jì)算工作量。

（6）二重源解析技術(shù)適用范圍

適用于浮塵現(xiàn)象嚴(yán)重，并且浮塵對污染物傳遞過程影響明顯的地區(qū)。

4　結(jié)語

大氣顆粒物的源解析技術(shù)從傳統(tǒng)的源分析方法發(fā)展到早期的擴(kuò)散模型單純解析污染物的來源，逐步發(fā)展到現(xiàn)今的定量估計(jì)各污染源貢獻(xiàn)的受體模型，又進(jìn)一步發(fā)展到受體模型的改進(jìn)方法。這些事實(shí)從側(cè)面反映出人們對于空氣質(zhì)量和大氣環(huán)境的重視程度逐漸增加。源解析技術(shù)已經(jīng)取得了可喜的成就，但改進(jìn)已有的源解析技術(shù)，研究創(chuàng)新出更準(zhǔn)確的源解析技術(shù)，并以此探究顆粒源的來源和機(jī)理，仍然是當(dāng)今人類面臨的艱難課題。因此，我們應(yīng)加強(qiáng)源解析技術(shù)的解法和程序的研究，進(jìn)一步對源成分普進(jìn)行基礎(chǔ)性研究，使其能更準(zhǔn)確地反映污染物的來源。

參考文獻(xiàn):

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