絕對主因子分析法解析龍巖市 大氣中的可吸入顆粒物來源

邱立民, 劉 淼, 王 菊, 張勝楠, 侯 潔, 房春生

(吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 長春 130012)

Abstract: Principal component analysis (PCA) and absolutely principal component analysis (APCA) were used to qualitatively analyze the data of PM10samples from three periods of 2009 to 2010 at Longyan environmental monitoring station, Longyan teachers college, Minxi university and Longyan university for the purpose to obtain the different source apportionments and contributions of PM10. The results show that on the city’s perspective, the main sources of PM10in Longyan City are the second dust/coal dust, vehicle exhaust/road dust, soil dust, and waste incineration. In the view of each sampling point, the main sources of PM10at Longyan environmental monitoring station are vehicle exhaust/secondary dust, soil dust and road dust, the major sources of PM10at Longyan teachers college are soil dust, coal dust and vehicle exhaust/secondary dust, the main sources of PM10at Minxi university are secondary dust/coal dust, vehicle exhaust and waste incineration, the main source of PM10at Longyan university are secondary dust, vehicle exhaust/soil dust and coal dust.

Keywords: PM10; source apportionment; principal component analysis; absolutely principal component analysis

可吸入顆粒物(PM10)是大氣中的主要污染物之一[1-2], 目前對PM10的研究已取得了很多成果[3-5]. PM10是導(dǎo)致福建省龍巖市環(huán)境空氣質(zhì)量下降的主要污染物, 因此科學(xué)準(zhǔn)確地了解龍巖市空氣中PM10的主要污染來源, 才能有針對性地制定污染控制策略, 從而為改善龍巖市大氣環(huán)境質(zhì)量提供依據(jù).

利用改進(jìn)后的主因子分析法(principal component analysis, PCA), 即絕對主因子分析法(absolutely principal component analysis, APCA)對可吸入顆粒物的來源進(jìn)行定性和定量解析, 需要借助線性代數(shù)的相關(guān)知識(shí), 對主因子載荷矩陣及主因子得分系數(shù)矩陣進(jìn)行適當(dāng)處理, 即可得到各主要污染源對顆粒物及各化學(xué)組分的貢獻(xiàn)值和分擔(dān)率數(shù)據(jù)[6-7]. 本文利用2009～2010年對龍巖市大氣中PM10開展的3期采樣數(shù)據(jù), 采用絕對主因子分析法識(shí)別龍巖市大氣PM10的主要來源.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 PM10樣品的采集

本文樣品于2009年9月～2010年3月在龍巖環(huán)境監(jiān)測站、 龍巖學(xué)院、 閩西大學(xué)和龍巖師專4個(gè)大氣自動(dòng)站分3期進(jìn)行采集, 分別為夏季、 冬季和春季. 采用TH-1000型中流量采樣器(武漢天虹智能儀表廠), 使用有機(jī)濾膜, 采樣流量為100 L/min, 連續(xù)采集24 h. 第一次采集樣品16個(gè), 第二次采集樣品20個(gè), 第三次采集樣品12個(gè), 共采集樣品48個(gè). 將源解析采樣結(jié)果與大氣自動(dòng)站同期數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析, 結(jié)果顯示源解析采樣數(shù)據(jù)具有典型性和代表性.

1.2 PM10樣品主要金屬元素分析

利用電感耦合等離子體/質(zhì)譜分析法(ICP-MS)檢測大氣顆粒物中受體濾膜樣品的主要金屬元素組分. 采用美國Milestone公司的ETHOD系列微波消解儀對濾膜進(jìn)行微波消解, 消解后的樣品利用ICP/MS分析測試. 元素成分譜包括Na,Mg,Al,K,Ca,Fe,Be,Cu,Zn,Ni,Se,Mn,Pb,Co,Ti,V,Cr,As,Cd,Hg,Mo,Ba,Sb共23種元素.

1.3 主因子分析法

主因子分析法基于與污染源有關(guān)的各變量之間均存在某種相關(guān)性, 在盡量不損失原變量指標(biāo)包含信息的前提下, 采用少數(shù)幾個(gè)綜合變量(主因子)近似代替原來多個(gè)變量的方法, 并計(jì)算各因子的因子載荷, 最后結(jié)合對污染源的認(rèn)識(shí)判斷源的類型[8].

通過上述步驟識(shí)別主因子后, 引入絕對主因子得分APCS(absolute principal component scores)估算各因子的貢獻(xiàn)率[9]. 樣品標(biāo)準(zhǔn)化:Zik=(Cik-Ci)/Si, 其中:Zik為標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)測的污染物元素的質(zhì)量比(i種污染物,k個(gè)樣品);Cik為k個(gè)樣品i項(xiàng)目質(zhì)量比的實(shí)測值;Ci為i項(xiàng)目的平均值;Si是所有樣品中i項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)方差.

由于上述主因子得分是經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的, 因此, 引入一個(gè)有項(xiàng)目質(zhì)量比均為零的樣品, 其標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果為(Z0)i=(0-Ci)/Si=-Ci/Si. 各實(shí)測樣品的主因子得分減去上述引入的質(zhì)量比為零樣品的因子得分即為絕對主因子得分.

將可吸入顆粒物作為因變量, 絕對因子得分作為自變量進(jìn)行回歸分析, 得出每個(gè)樣品中各主因子的相對貢獻(xiàn)率； 以樣品中各元素的質(zhì)量比作為因變量, 每個(gè)樣品中各主因子的相對貢獻(xiàn)率作為自變量, 最終可求出各主因子中各種元素的質(zhì)量比:Ci=(b0)i+∑APCSp×bpi(p=1,2,…,n), 其中: (b0)i為常數(shù)項(xiàng);bpi是回歸系數(shù); APCSp是樣品的絕對主因子得分, APCSp×bpi表示污染源p對污染物Ci的貢獻(xiàn). 所有樣品的APCSp×bpi均值即為污染源p的平均貢獻(xiàn)率. 主因子中各種元素的質(zhì)量比計(jì)算方式依此類推. 本文主因子定性分析部分在統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS上進(jìn)行, 定量計(jì)算結(jié)果通過軟件SAS和EXCEL電子表格完成.

2 結(jié)果與討論

2.1 全市采樣PM10主因子分析

先將全市4個(gè)采樣點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析處理后, 再將分析結(jié)果中各種元素的質(zhì)量比作為主因子分析的變量代入SPSS軟件進(jìn)行主因子分析計(jì)算. 根據(jù)前p個(gè)因子累計(jì)方差貢獻(xiàn)率≥85%～95%的原則確定主因子個(gè)數(shù). 當(dāng)p=3時(shí), 方差貢獻(xiàn)率達(dá)到82.686%; 當(dāng)p=4時(shí), 方差貢獻(xiàn)率達(dá)到94.059%. 經(jīng)主因子分析得到的方差極大正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣列于表1.

表1 龍巖市大氣中PM10樣品方差極大正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 1 Factor transformation matrix after varimax rotation for PM10of Longyan City

第一因子中元素Se,Sb,Ca,Be,Mo,V,Ti,Ba,As的載荷較高, 載荷值分別為0.866,0.813,0.804,0.791,0.726,0.720,0.707,0.696和0.644, 其中元素Se,Sb,Be,Mo,V,As主要與燃煤塵排放有關(guān), 而Ca,Ti,Ba對揚(yáng)塵的影響較大. 因此, 因子1來源于二次揚(yáng)塵/燃煤塵, 其貢獻(xiàn)率為35.037%.

第二因子中元素Co,Zn,Cu,Ni,Na,Cr,Fe,Pb的載荷較高, 載荷值分別為0.884,0.777,0.759,0.759,0.750,0.713,0.706,0.650, 其中Co,Ni,Cr和Pb是汽車尾氣的標(biāo)志元素, 而Zn,Cu,Na和Fe元素均屬于地殼元素, 因此因子2可能來源于汽車尾氣/道路塵, 其方差貢獻(xiàn)率為32.227%.

第三因子中元素Al,Mg載荷較高, 載荷值為0.837和0.699, 這兩種元素是土壤風(fēng)沙塵的主要標(biāo)志元素, 因此, 因子3來源于土壤風(fēng)沙塵, 其貢獻(xiàn)率為15.421%.

第四因子中元素K載荷較高, 載荷值為0.843, 其來源是垃圾焚燒塵, 貢獻(xiàn)率為11.374%.

2.2 各污染源對PM10的分擔(dān)率解析

2.2.1 絕對主因子定量源解析評(píng)估 在用因子分析法定性識(shí)別污染源類型的基礎(chǔ)上, 通過絕對主因子分析法定量計(jì)算出各種污染源對PM10的貢獻(xiàn)值及分擔(dān)率. 為驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性, 通過比較所選取變量的解析值和監(jiān)測值之間的符合程度進(jìn)行判斷. 圖1為龍巖市大氣中PM10絕對主因子法解析值與實(shí)際監(jiān)測值之間的比較結(jié)果. 由圖1可見, 各化學(xué)組分的解析值與監(jiān)測值之比基本上接近于1, 各種元素的相對誤差基本在±20%之內(nèi), 其中Fe,Cu,Ni,Co,Cd和Hg的解析值與監(jiān)測值之間的相對誤差較大, 尤其是Cd, 可能是由于某些元素間具有較強(qiáng)的相關(guān)性或這些元素與主成分的相關(guān)性不強(qiáng)導(dǎo)致誤差較大, 誤差在可接受范圍內(nèi). 總之, 該方法能較完全地解析龍巖市PM10的主要來源.

圖1 各變量解析值與實(shí)際監(jiān)測值之比Fig.1 Ratios of monitoring value and analytical value of variables

2.2.2 各污染源對PM10的分擔(dān)率及貢獻(xiàn)值解析 龍巖市大氣中PM10實(shí)際監(jiān)測值為95.61 μg/m3, 絕對主因子法解析所有污染源的貢獻(xiàn)值之和為87.11 μg/m3, 可見絕對主因子法已經(jīng)基本解析了龍巖市PM10的各種來源, 即龍巖市大氣顆粒物PM10主要來源是二次揚(yáng)塵/燃煤塵、 土壤風(fēng)沙塵、 汽車尾氣/道路塵和垃圾焚燒塵4類污染源.

圖2為各污染源對PM10的分擔(dān)率. 由圖2可見, 二次揚(yáng)塵/燃煤塵是大氣中PM10的首要污染源, 對PM10的分擔(dān)率達(dá)53%, 土壤風(fēng)沙塵、 汽車尾氣/道路塵和垃圾焚燒塵是對PM10貢獻(xiàn)較大的另外 3種重要污染源, 分擔(dān)率分別達(dá)18%,13%和6%. 該結(jié)果與龍巖市本身的地理環(huán)境和人為因素有關(guān): 盡管龍巖市地處南方, 每年的生活燃煤量不大, 但當(dāng)?shù)睾芏嗝裼萌剂喜捎萌济? 燃燒后爐渣棄于附近, 屬于低矮點(diǎn)源排放, 難以控制和治理, 所以有很大一部分燃煤塵排放到大氣環(huán)境中或沉降后進(jìn)入揚(yáng)塵并以揚(yáng)塵的形式進(jìn)入到環(huán)境空氣中； 此外, 龍巖市近幾年經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速, 機(jī)動(dòng)車數(shù)量不斷增加, 道路建設(shè)、 建筑施工項(xiàng)目遍布城市各地, 由車輛和施工引起的道路揚(yáng)塵和建筑揚(yáng)塵量也很大.

2.2.3 各污染源對PM10中化學(xué)元素的分擔(dān)率及貢獻(xiàn)值解析結(jié)果 在識(shí)別影響大氣PM10主要污染源的基礎(chǔ)上, 利用絕對主因子分析法不僅可以定量計(jì)算出各污染源對PM10的綜合貢獻(xiàn)值和分擔(dān)率, 還可解析出各污染源對PM10中各種化學(xué)組分的分擔(dān)率和貢獻(xiàn)值, 結(jié)果列于表2. 由表2可見PM10中各化學(xué)組分的來源, 這些數(shù)據(jù)再次驗(yàn)證了上述對污染源類型的判斷.

2.3 各污染源對龍巖市4個(gè)采樣點(diǎn)PM10分擔(dān)率的解析結(jié)果

利用絕對主因子解析得到了龍巖市4個(gè)采樣點(diǎn)PM10污染源的貢獻(xiàn)率, 結(jié)果列于表3. 由表3可見, 龍巖環(huán)境監(jiān)測站采樣點(diǎn)主要污染源為汽車尾氣/二次揚(yáng)塵、 土壤風(fēng)沙塵和道路塵, 貢獻(xiàn)率都在10%以上, 其中汽車尾氣/二次揚(yáng)塵貢獻(xiàn)率最高. 因?yàn)樵摫O(jiān)測站位于城市中心, 人口密度較大, 活動(dòng)頻繁, 經(jīng)過的摩托車和汽車較多, 也易產(chǎn)生二次揚(yáng)塵; 土壤風(fēng)沙塵和道路塵則是由于當(dāng)?shù)貧夂虮容^干燥, 道路上積灰較多, 加上過往車輛較多所致.

龍巖師專采樣點(diǎn)主要的污染源有土壤風(fēng)沙塵、 燃煤塵和汽車尾氣/二次揚(yáng)塵, 其中貢獻(xiàn)率最大的是土壤風(fēng)沙塵， 這是由于龍巖師專采樣點(diǎn)位于城市北端, 靠近城市邊界, 附近多山丘和礦山, 且氣候較干燥風(fēng)速較大所致; 燃煤塵是由于龍巖師專附近有幾個(gè)燃煤工廠, 且龍巖市處于盆地中, 由于山的阻隔, 使燃煤塵不宜擴(kuò)散, 而在附近沉積, 所以燃煤塵的貢獻(xiàn)率也較大.

表2 各污染源對PM10中化學(xué)組分的貢獻(xiàn)值和分擔(dān)率解析結(jié)果Table 2 Contribution values and share rates of sources to chemical components of PM10

表3 龍巖市各采樣點(diǎn)位主要污染源的貢獻(xiàn)率Table 3 Contribution rate of the main sources of each sampling spot in Longyan City

閩西大學(xué)采樣點(diǎn)最大的污染源為二次揚(yáng)塵/燃煤塵, 其次為汽車尾氣和垃圾焚燒塵, 可見主要是人為污染源, 這是因?yàn)橛捎陂}西大學(xué)周圍人為活動(dòng)比較頻繁, 且隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通完善, 汽車尾氣帶來的大氣顆粒物污染也越來越嚴(yán)重. 龍巖學(xué)院采樣點(diǎn)主要污染源是二次揚(yáng)塵、 汽車尾氣/土壤風(fēng)沙塵和燃煤塵, 表明此處的人為活動(dòng)也較頻繁, 且龍巖學(xué)院靠近城市邊界, 周邊區(qū)域開發(fā)較少, 空地多, 有少量的工業(yè)企業(yè), 貨車較多, 產(chǎn)生大量尾氣, 車輛產(chǎn)生污染較重.

2.4 龍巖市大氣PM10污染源解析

根據(jù)PCA/APCA的解析結(jié)果可知, 龍巖市的主要污染源是二次揚(yáng)塵/燃煤塵、 汽車尾氣/道路塵、 土壤風(fēng)沙塵和垃圾焚燒塵, 對大氣污染均有不同程度的貢獻(xiàn)； 龍巖監(jiān)測站采樣點(diǎn)主要污染源為汽車尾氣/二次揚(yáng)塵、 土壤風(fēng)沙塵和道路塵, 龍巖師專采樣點(diǎn)主要的污染源為土壤風(fēng)沙塵、 燃煤塵和汽車尾氣/二次揚(yáng)塵, 閩西大學(xué)采樣點(diǎn)的主要污染源為二次揚(yáng)塵/燃煤塵、 汽車尾氣和垃圾焚燒塵, 龍巖學(xué)院采樣點(diǎn)主要污染源是二次揚(yáng)塵、 汽車尾氣/土壤風(fēng)沙塵和燃煤塵. 可見, 除了揚(yáng)塵和土壤風(fēng)沙塵外, 機(jī)動(dòng)車尾氣塵對大氣污染貢獻(xiàn)較大.

3 結(jié) 論

(1) 主因子分析及絕對主因子分析的定量結(jié)果表明： 龍巖市大氣顆粒物PM10的4類主要來源是二次揚(yáng)塵/燃煤塵、 汽車尾氣/道路塵、 土壤風(fēng)沙塵和垃圾焚燒塵, 貢獻(xiàn)率分別為53.18%,13.33%,18.12%和6.48%, 其余為不可識(shí)別源.

(2) 龍巖市大氣可吸入顆粒物PM10中污染來源的貢獻(xiàn)率具有明顯的空間變化特征. 比較各采樣點(diǎn)結(jié)果可見： 龍巖市監(jiān)測站和閩西大學(xué)位于龍巖市中心附近, 主要污染源為二次揚(yáng)塵和汽車尾氣, 是由于人為活動(dòng)較頻繁, 且機(jī)動(dòng)車數(shù)量較多所致； 龍巖學(xué)院和龍巖師專位于城市邊界附近, 主要污染源是土壤風(fēng)沙塵.

(3) 實(shí)驗(yàn)表明, 主因子分析模型可以用來解析缺少源成分譜時(shí)PM10的主要來源, 絕對主因子分析則進(jìn)一步的解析各污染源的貢獻(xiàn)值和貢獻(xiàn)率. PCA/APCA方法的優(yōu)勢在于可以在不了解污染源的數(shù)目和組成情況下分析污染來源, 確定污染來源的類型和數(shù)目, 解析污染源的貢獻(xiàn)率和貢獻(xiàn)值.

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