基于因子分析的城市灰塵物源解析*

程 雁

(浙江師范大學文科綜合實驗教學中心，浙江金華 321004)

城市塵土主要是指附著、沉淀于城市人工鋪地及地面附著物、建筑物的裸露面上，未被固化黏結易于被地表徑流、雨水及大氣帶動、運移和飄浮的固體顆粒物．20世紀80年代中期至今，國外對城市灰塵的研究已達到一定的水平［1-3］．城市灰塵的理化性質(zhì)是研究的主體，其物理性質(zhì)集中在PM 2．5和PM 10，化學性質(zhì)集中在城市灰塵中的重金屬，特別是城市灰塵中的“鉛”［4-6］．目前研究揭示，微小顆粒物攜帶有毒重金屬、病毒等進入人的呼吸道和肺部，會引發(fā)多種疾病，如：心臟病、肺病、呼吸道疾病、肺功能衰退等［7］．城市灰塵環(huán)境污染研究屬于城市環(huán)境學研究的范疇，不僅要研究城市灰塵的物質(zhì)成分，還要研究其物質(zhì)來源、遷移轉(zhuǎn)化等，其中污染物來源的判別一直是環(huán)境地球化學研究的一個難點，但來源辨析是城市灰塵防治、治理的基礎，是環(huán)境科學研究工作中不可繞過的課題．因此，本文利用因子分析方法研究了金華城市灰塵的物質(zhì)來源，以便為金華市環(huán)境保護提供依據(jù)．

1 樣品采集與實驗分析

1．1 樣品采集

以二環(huán)以內(nèi)的金華市區(qū)及郊區(qū)為研究區(qū)域，將金華市中心城區(qū)按1 km×1 km的網(wǎng)格劃分為基本采樣單元．在每個采樣單元內(nèi)再根據(jù)不同功能區(qū)(廠區(qū)、社區(qū)、商區(qū)、校區(qū)、醫(yī)區(qū)、園區(qū)、交通區(qū))進行定點采樣．在每個功能區(qū)內(nèi)分別采集3～4個灰塵樣品，然后進行充分混合，作為該功能區(qū)的最終樣品;同時，在郊區(qū)街道、工廠、居民區(qū)等地采集樣品，共采集樣品135個．采樣時用毛刷、塑料畚箕收集灰塵樣品，為防止人為原因?qū)е聵悠分亟饘傥廴?，采樣過程中避免使用金屬工具．

1．2 樣品處理及分析

研究表明城市街道灰塵中重金屬含量隨粒徑的減小而增加，目前的研究對于街道灰塵粒徑的選擇沒有統(tǒng)一的標準，不利于各研究結果進行對比，并影響了對灰塵中重金屬污染作出恰當?shù)脑u價［8］．杜佩軒等研究表明灰塵粒徑基本都小于1 mm［4］．本文在參考國內(nèi)外研究對于灰塵粒徑選擇的基礎上，將粒徑小于500 μm的顆粒物作為灰塵的初始樣品，實驗步驟如下：

1)將樣品放烘箱內(nèi)60℃條件下烘干后，過35目篩，除去石塊、樹葉、雜草等雜質(zhì)，用密封聚氯乙稀袋保存?zhèn)溆?

2)取10 g左右過180目篩，過篩后的樣品用粉碎機研磨20 s;

3)稱取研磨后的灰塵樣品(4．000±0．005)g，放入聚氯乙烯環(huán)內(nèi)，用壓片機以30 t的壓力條件下保持20 s壓制成測試樣片，用吸塵器吸去表面顆粒物，編號后放入樣品袋．

樣品實驗分析使用英國帕納科公司(原飛利浦公司)生產(chǎn)的波長色散型X射線熒光光譜分析儀Axios系統(tǒng)測定．

2 基于因子分析的城市灰塵來源辨析

近年來，受體污染源的確認及污染物分布特征的定量評價開始受到關注，不同來源的污染物在受體中的分布特點及其相互間關系的定量化研究成為環(huán)境研究的重要課題［9］．目前，統(tǒng)計學方法如相關性分析、主成分分析、因子分析、聚類分析、化學質(zhì)量平衡法等被廣泛地應用到重金屬的物源分析上［9-14］．本文在測試分析灰塵中所含元素濃度數(shù)據(jù)的基礎上，運用因子分析方法(FA)識別城市灰塵中各種可能的污染來源．

2．1 樣本相關性分析

由于因子分析是基于變量間的協(xié)方差矩陣，即包含在因子分析中的變量必須具有一定的相關性，如果變量間不存在相關，或者相關性很小，則不適合于因子分析法．本研究的各變量之間的相關系數(shù)矩陣表明各個變量之間存在著一定的相關性，滿足因子分析的要求．

2．2 因子提取

本文運用統(tǒng)計分析軟件包SPSS 13．0中的因子分析方法(Factor Analysis)，以主成分分析法(Principal components)作為因子提取方法，通過方差最大正交旋轉(zhuǎn)法(Varimax Procedure)對因子進行旋轉(zhuǎn)后，以特征值(Eigenvalues)大于1的因子為公因子［15］，得到了各成分公因子的特征值和貢獻率(見表1)，共有4個因子的特征值大于1，這4個因子的特征值之和已占總方差的68．344%，因此，本文采用這4個因子代替14個原始變量．

表1 各因子的特征值和貢獻率

2．3 因子載荷矩陣分析

通過對提取出的各因子進行正交旋轉(zhuǎn)負載矩陣分析(見表2)，可分別得到各個變量在各因子中所占據(jù)的相對重要性．

表2 最大方差旋轉(zhuǎn)因子分析結果

因子 1 與 Pb，Cu，Cr，Mn，Ni，F(xiàn)e 等元素的相關性較高．Pb，Cu，Cr等重金屬與交通環(huán)境密不可分．Pb主要來自汽車尾氣的排放，隨著無鉛汽油的推廣，汽車尾氣不再是灰塵中Pb的主要來源，但之前長期使用含鉛汽油造成Pb大量沉降于地表，地面揚塵使Pb再次進入大氣，吸附在灰塵表面．據(jù)有關文獻［16-18］報道，汽車尾氣顆粒物中鉛和鎳含量較高，在怠速狀態(tài)下向大氣排放量分別為0．571 mg/min 和 0．533 mg/min．Yeung 等［19］分析，汽油汽車和柴油汽車排放的尾氣中含有大量的Cu．汽車輪胎磨損或機動車零部件侵蝕也會導致大氣或灰塵中 Cu，Cr，Mn，Ni等元素的增加．Pb等重金屬及其化合物廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中，所以灰塵中重金屬的含量受到工業(yè)生產(chǎn)的影響．含鉛煤炭的燃燒、銅等金屬及金屬合金的冶煉以及金屬產(chǎn)品使用等高溫作業(yè)過程等排放的煙塵會對地表灰塵重金屬的含量有一定的貢獻．另外，工業(yè)生產(chǎn)使用的金屬原材料、油漆、塑料、涂料中也含有較高濃度的重金屬，顏色鮮艷的涂料和油漆，其重金屬種類和含量就越多．可見，該因子與汽車尾氣排放和工業(yè)生產(chǎn)有關．汽車尾氣和輪胎磨損產(chǎn)生的粉塵及工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢棄物直接或間接影響城市灰塵的產(chǎn)生和含量．

因子2僅與Ca，Mg元素的相關度較大(＞0．7)，而同其他成分相關系數(shù)較小，其中以Ca的負荷最大．Ca，Mg 與水泥生產(chǎn)過程有關［20］，主要來源于與石灰石、磷灰石、鋁土礦、硅酸鹽等石料的高溫燒結有關的工廠，或來源于水泥、石灰、耐火材料等建材揚塵．所以，命名因子2為建筑塵，代表的是與建筑施工相關的排放源的影響．

因子3在Ti，V，Al等變量上的負荷因子較大( ＞0．7)．根據(jù)元素的富集因子分析［21-22］，Al，Ti等元素的富集因子較小，主要來源于土壤，通常稱之為地殼元素．在溯源分析中，Al，Ti被認為是土壤貢獻的特征元素．對因子3負荷為0．736 5的V被認為是重油燃燒排放物的代表元素［18］，根據(jù)各變量之間的相關系數(shù)表可知，在99．9%置信度內(nèi)，V與Ni的相關程度最高，其次是Ti，因子3可能受到土壤揚塵或燃油燃燒顆粒物的影響．

因子4在Zn，S元素上的負荷較大(＞0．6)，S是煤煙塵的特征元素，Zn在燃煤飛灰中有較高的含量［23］．郭平等［24］研究了不同功能區(qū)城市土壤中的重金屬含量，發(fā)現(xiàn)居民區(qū)Zn含量異常高，可能與居民產(chǎn)生的生活垃圾有關．我國將生活垃圾主要分為居民生活垃圾、街道保潔垃圾和集團垃圾3類［25］．居民生活垃圾主要由易腐有機物、煤灰、泥沙、塑料、紙類等構成;街道保潔垃圾的成分與居民生活垃圾相似，但是泥沙、枯枝落葉和商品包裝物較多;集團垃圾是指機關、學校和第三產(chǎn)業(yè)等在生活和工作過程中產(chǎn)生的廢棄物．生活垃圾組成復雜，受多種因素影響，如自然環(huán)境、氣候條件、居民生活習性等．故認為Zn，S與居民區(qū)、工廠等排放的廢棄物有關，因子4主要來源于居民區(qū)、集團產(chǎn)生的生活垃圾和燃煤燃燒．

2．4 因子得分分析

因子分析的數(shù)學模型是將變量表示為公因子的線性組合，由于公因子能反映原始變量的相關關系，用公因子代表原始變量時，更利于描述研究對象的特征，因而往往需要反過來將公因子表示為變量的線性組合，即因子得分

式中：Fjk為因子j在樣本k上的因子得分;Wij為第i個變量在第j個因子處的因子得分系數(shù);Xik是第i個變量在第k個樣品處的標準化值．

因子得分系數(shù)矩陣如表2，各采樣點的因子得分略．根據(jù)各采樣點因子得分大小(將物源解析為因子得分最大的類型)進行分類的結果為：

第1公因子得分較高的有25個灰塵樣品．根據(jù)分析，污染物主要來源于機動車尾氣排放和工業(yè)生產(chǎn)活動．所分析樣品多采集于汽車南站、雙龍大橋等交通區(qū)，或采集于金屬相關行業(yè)冶煉廠，分析結果與實際采樣點位置相符合．可見，機動車等交通工具尾氣排放和工業(yè)生產(chǎn)排放的廢氣物對城市灰塵中Pb，Cr，Ni等元素的影響最為嚴重．

第2公因子得分最大的采樣點有36個，部分樣品采于建筑施工地、水泥廠、采礦區(qū)等附近，因受水泥、石灰等建材揚塵影響，樣品中的Ca元素含量相對較高;有些采樣點位于典型的交通區(qū)，附近沒有建筑施工的影響，從因子得分表看出，交通區(qū)樣品因子1的得分僅次于因子2，因此，可認為采樣點同時受到建筑揚塵和交通塵的影響．

46個灰塵樣品的第3公因子得分最大，可歸其來源為土壤塵．樣品來源按采樣位置和類型可分為2類：第1`類屬于居民區(qū)、園區(qū)及校區(qū)綠化帶旁的路面塵．秋冬季采樣時風力為2～3級，綠化帶內(nèi)的土壤表層顆粒在風的作用下容易再次揚起降落在地表，灰塵來源很大一部分來源于土壤塵;第2類屬于郊區(qū)的街道或新建工廠的路面塵．郊區(qū)未開發(fā)土地面積大，荒地或裸地的地表顆粒容易在一定外動力條件下發(fā)生遷移，粗顆粒以滾動和跳動方式搬運，細顆粒以懸浮方式發(fā)生遷移，土壤顆粒的搬遷致使街道地表灰塵的沉降累積，而且工廠燃料燃燒、貨車等燃油燃燒導致了環(huán)境中V元素的增加．總而言之，地表裸露成了土壤塵來源的主要原因，燃油燃料的燃燒加劇了環(huán)境中V的增加．

第4公因子得分最大的采樣點有28個，多數(shù)樣品分布在文教區(qū)及社區(qū)．根據(jù)野外調(diào)查，文教區(qū)及社區(qū)附近小攤、餐館的燃煤使用可能是S含量較高的原因之一;其次，居民區(qū)生活垃圾以及家用車廢氣排放、工廠燃油燃煤也會對環(huán)境中Zn含量產(chǎn)生影響．

3 結論

本文利用因子分析方法，揭示了灰塵污染物的數(shù)據(jù)結構和污染物間的內(nèi)在相關性及差異性，并識別出污染物的主要成分，在多元分析的結果中解析出各類污染物的來源．分析結果表明：

1)金華城市灰塵主要有4類來源：冶金交通塵、建筑塵、土壤塵和燃煤塵，其貢獻率分別為23．727%，17．559%，16．531%，10．526%．

2)根據(jù)因子得分結果，結合采樣地環(huán)境及一些人文因素分析：冶金交通塵主要來源于廠區(qū)、交通區(qū)等;建筑塵有直接來源于建筑工地、建材生產(chǎn)地附近，或來源于因頻繁清掃路面而產(chǎn)生的水泥揚塵;社區(qū)、校區(qū)等的綠化帶以及郊區(qū)、新建區(qū)的裸露地表對土壤塵影響較大;燃煤塵主要來源于工廠、社區(qū)等燃煤廢氣物．

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