基于C MB和P C A法解析城市灰霾期P M1 0污染來源

王敬元 黃麗坤 朱永亮 張曉慶 陳婷婷

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 食品工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150076)

0 引言

近年來，隨著我國(guó)城市規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，對(duì)城市內(nèi)的空氣質(zhì)量有一定影響，特別是最近幾年灰霾事件頻發(fā)，對(duì)大氣環(huán)境和身體健康產(chǎn)生了極大危害。根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)站統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，顆粒物是城市主要的大氣污染物。研究大氣顆粒物污染源及其與下游污染物相關(guān)性的方法很多，其中包括主成份分析法、富集因子分析法、化學(xué)質(zhì)量平衡受體模式等，特別是化學(xué)質(zhì)量平衡受體模式應(yīng)用比較廣泛，具有可靠的穩(wěn)定性及研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)大氣顆粒物污染特征，以污染源解析結(jié)果為依據(jù)，提出城市重點(diǎn)治理污染源，并結(jié)合目前存在環(huán)境問題和管理現(xiàn)狀，進(jìn)一步提出建議性的相關(guān)環(huán)境對(duì)策。

1 數(shù)據(jù)采集及解析方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

對(duì)灰霾期哈爾濱商業(yè)大學(xué)校園大氣可吸入顆粒物進(jìn)行了采樣，采樣時(shí)段是2012年1月2日～11日，采樣天數(shù)為10天,采樣流量為120 L/min，采樣器為中流量總懸浮微粒采樣器，儀器自動(dòng)記錄采樣時(shí)間和體積，采樣濾膜為石英纖維濾膜，采樣后的塵膜要干燥48小時(shí)后稱重，用重量法計(jì)算顆粒物的質(zhì)量濃度，并對(duì)顆粒物進(jìn)行了化學(xué)成分分析，濃度數(shù)據(jù)和化學(xué)成分均來自哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測(cè)站和課題組前期的采樣及分析結(jié)果。

1.2 解析方法

1.2.1 主成分分析法（PCA）

利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)顆粒物主成分進(jìn)行PCA分析，得出顆粒物的主成分類別、貢獻(xiàn)量及貢獻(xiàn)率，通過軟件計(jì)算，提取特征值大于2的因子特征值、方差貢獻(xiàn)率，提取的因子需概括原始變量80%以上的信息，才能全面地反映真實(shí)的主成分特征，可用其特征參數(shù)進(jìn)行污染源的判定。

1.2.2 化學(xué)平衡模型（CMB）

利用CMB進(jìn)行污染源解析時(shí)，采用臺(tái)灣和美國(guó)源樣品化學(xué)成分譜作為CMB受體模式源數(shù)據(jù)，選擇源樣品化學(xué)指紋時(shí)，注重污染源種類、污染源特性一致，使其指紋庫中的源樣品數(shù)據(jù)盡量與哈市污染源化學(xué)特性一致，重點(diǎn)對(duì)比土壤類型、交通設(shè)備、燃料性質(zhì)、煤質(zhì)以及燃燒設(shè)備等，以保證源解析結(jié)果的準(zhǔn)確性。在受體模式運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保證三個(gè)參數(shù)達(dá)標(biāo)，即R須控制在0.8到1.2之間且越接近于1精度越高，DF應(yīng)大于6，PERCENT MASS應(yīng)在80%到120%之間且越接近于100%解析的越充分。下表所示。

表1 方差極大正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

表2 PM10中元素的富集因子

2 結(jié)果與討論

2.1 PCA和CMB的定量分析

經(jīng)過PCA和CMB的定量分析，通過比較兩種方法的分析結(jié)果可準(zhǔn)確推估灰霾期顆粒物的污染來源。較廣泛，具有可靠的穩(wěn)定性及研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 19.0對(duì)32個(gè)大氣顆粒物PM10樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行了主因子分析，主因子分析過程中剔除在各主因子中貢獻(xiàn)均極低的3個(gè)變量Ca2+、Al、Ca，最終所選取的變量數(shù)為29種，如下表所示

根據(jù)方差極大正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣（表1）和元素的富集因子（表2）對(duì)得到的4個(gè)主因子所代表的污染源類型解析如下：主因子l中載荷較高的組分是 SO42+：0.892，NO3-：0.796，Mn：0.898，S：0.967，Si：0.858，Ti：0.661，Ba：0.873，Cd：0.611，Cr：0.644，TC：0.963，OC：0.976。這一因子對(duì)大氣顆粒物PM10的方差貢獻(xiàn)率為43.834%。主因子2中載荷 較 高 的 組 分 是 K+：0.919，Mg2+：0.969，Na+：0.955，Cl-：0.908，Na：0.759，Pb：0.955，Sr：0.980。 這一因子對(duì)大氣顆粒物 PM10 的方差貢獻(xiàn)率為25.097%。 主因子3中載荷較高的組分是 F-：0.760，Ni：0.888，V：0.920，Zn：0.983，As：0.941，Cu：0.707，F(xiàn)e：0.935，K：0.661。 這一因子對(duì)大氣顆粒物PM10的方差貢獻(xiàn)率為21.404%。主因子4中載荷較高的組分是NH4+：0.561，EC：0.572。這一因子對(duì)大氣顆粒物PM10的方差貢獻(xiàn)率為7.446%。

2.2 各源對(duì)PM10中化學(xué)組分的分擔(dān)率解析

在定性識(shí)別污染源類型的基礎(chǔ)上，通過對(duì)主因子分析過程中所得到的方差極大因子載荷矩陣和因子得分系數(shù)矩陣進(jìn)一步處理來計(jì)算絕對(duì)因子載荷和絕對(duì)主因子得分矩陣，從而定量計(jì)算出各源對(duì)PM10,及各化學(xué)組分的分擔(dān)率及貢獻(xiàn)值.利用絕對(duì)主因子法不僅可解析出各源對(duì)PM10的分擔(dān)率及貢獻(xiàn)值，還可解析出各源對(duì)PM10中化學(xué)組分的分擔(dān)率及貢獻(xiàn)值，結(jié)果參見表3和圖1。

表3 各源對(duì)PM10中化學(xué)組分的分擔(dān)率解析結(jié)果

圖1 各源對(duì)PM10的分擔(dān)率

由表3可知，建筑水泥塵，機(jī)動(dòng)車尾氣塵，煤煙塵是環(huán)境空氣中PM10的首要污染源，其對(duì)PM10的分擔(dān)率至43.834%，土壤風(fēng)沙塵和工業(yè)粉塵是對(duì)PM10貢獻(xiàn)較大的另外兩個(gè)重要的污染源，分擔(dān)率分別占到25.097%和21.404%，大氣顆粒通過化學(xué)反應(yīng)的二次來源對(duì)PM10的貢獻(xiàn)較小，分擔(dān)率為7.446%。從表中不僅可以比較清楚地了解到PM10中各化學(xué)組分來源的具體情況，而且還可用這些數(shù)據(jù)再次驗(yàn)證上述對(duì)污染源類型的判斷。

3 結(jié)論

（1）主成分分析法表明，Pb，S，Zn，Cd，Cu，As這 6 中元素來源于人為排放；Na，Pb，Sr，Mn，Ni，Ti，Ba，Cr，F(xiàn)e，K 這些元素的富集因子大于1小于10，主要來源于是自然污染，但也存在人為因素；Mg，V，Si這些元素的富集因子小于 1，主要來自自然源污染；Pb，S，Zn，Cd，Cu，As這6中元素的富集因子變化及差異較大,說明人為污染很嚴(yán)重。

（2）CMB的解析結(jié)果表明：城市的主要污染來源交通塵、揚(yáng)塵、煤煙塵、工業(yè)粉塵四類，其中交通塵的平均貢獻(xiàn)率最高，揚(yáng)塵在春季的貢獻(xiàn)率最高，工業(yè)粉塵在夏季的貢獻(xiàn)率最高,煤煙塵在冬季的貢獻(xiàn)率最高。

［1］張長(zhǎng)波，駱永明，吳龍華.土壤污染物源解析方法及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，2007，39（2）：190-195.

［2］房春生，王菊，張子宜，鐘宇紅，董德明.化學(xué)質(zhì)量平衡法在環(huán)境空氣總懸浮顆粒物源解析中的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院環(huán)境科學(xué)系，2007，07（a）：1673-0534.