大氣顆粒物的源解析方法概述

摘 要：針對(duì)大氣顆粒物對(duì)空氣質(zhì)量和人體健康的重要影響，文章探討了幾種目前國(guó)際國(guó)內(nèi)比較流行的大氣顆粒物源解析方法，通過源解析可以有效的確定顆粒物的排放源，進(jìn)而突出重點(diǎn)治理污染嚴(yán)重的污染源及排放源，有效的改善空氣質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：大氣；顆粒物；源解析

1 概述

大氣顆粒物對(duì)空氣質(zhì)量、大氣輻射平衡、氣候變化和人體健康等有著重要影響。通常把粒徑在10微米以下的顆粒物稱為可吸入顆粒物（PM10），粒徑在2.5微米以下的顆粒物稱為細(xì)粒子（PM2.5）。顆粒物對(duì)人體健康的影響包括導(dǎo)致呼吸不適及呼吸系統(tǒng)癥狀（例如氣促、咳嗽等）、加重已有的呼吸系統(tǒng)疾病及損害肺部組織。顆粒物的直徑越小，進(jìn)入呼吸道的部位越深。因此，大氣顆粒物尤其是PM10和PM2.5已經(jīng)成為世界各國(guó)主要城市共同面臨的大氣環(huán)境問題，并成為很多城市主要的大氣污染物。通過使用大氣顆粒物源解析方法可以確定排放源的種類和排放源的貢獻(xiàn)，可以突出重點(diǎn)治理污染嚴(yán)重的污染源及排放源；有效控制大氣污染，提高空氣質(zhì)量。

2 大氣顆粒物源解析方法

指通過化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)等方法定性或者定量的識(shí)別大氣中顆粒物污染的來源的方法，包括源清單法、源模型法和受體模型法。接下來本文將對(duì)這幾種方法的原理和實(shí)施步驟進(jìn)行概述。

2.1 源清單法

2.1.1 原理：根據(jù)排放因子及活動(dòng)水平估算污染物排放量，根據(jù)此排放量識(shí)別對(duì)環(huán)境空氣中顆粒物有貢獻(xiàn)的主要排放源。

2.1.2 實(shí)施步驟。第一，顆粒物排放源分類。按照研究需求對(duì)顆粒物排放源進(jìn)行分類。一般可將顆粒物排放源分為天然源、人為源、混合源和其它源，其中人為源是我們希望努力控制的源。人為源包括固定燃燒源、生物質(zhì)開放燃燒源、工業(yè)工藝過程源、移動(dòng)源；其中，固定燃燒源包括電力、工業(yè)和民用等，以及煤炭、柴油、煤油、燃料油、液化石油氣、煤氣、天然氣等燃料類型，工業(yè)工藝過程源包括冶金、建材、化工等行業(yè)。第二，顆粒物排放源清單的建立。調(diào)查各類顆粒物源的排放特征，根據(jù)排放因子和活動(dòng)水平確定顆粒物排放源的排放量，建立顆粒物排放源清單。顆粒物排放因子應(yīng)通過實(shí)測(cè)或文獻(xiàn)調(diào)研獲取。第三，定性或半定量識(shí)別主要顆粒物排放源。根據(jù)顆粒物源排放清單，統(tǒng)計(jì)顆粒物排放總量及各區(qū)域、各行業(yè)、各類顆粒物排放量，計(jì)算重點(diǎn)排放區(qū)域、重點(diǎn)排放源對(duì)當(dāng)?shù)仡w粒物排放總量的分擔(dān)率。

2.2 源模型法（空氣質(zhì)量模型法）

2.2.1 原理：以不同尺度數(shù)值模式方法定量描述大氣污染物從源到受體所經(jīng)歷的物理化學(xué)過程，定量估算不同地區(qū)和不同類別污染源排放對(duì)環(huán)境空氣中顆粒物的貢獻(xiàn)。污染物在大氣中的濃度水平和時(shí)空分布是由污染物的排放、化學(xué)轉(zhuǎn)化以及氣象因素共同決定的，空氣質(zhì)量模型就是人們基于大氣中的物理和化學(xué)規(guī)律建立起來的數(shù)學(xué)計(jì)算方法，用來模擬大氣污染物的特征。

2.2.2 實(shí)施步驟。第一，選擇空氣質(zhì)量模型。根據(jù)研究對(duì)象和目的，可以選擇簡(jiǎn)易模型和復(fù)雜模型。簡(jiǎn)易模型僅可粗略模擬一次污染源排放的顆粒物的擴(kuò)散和干濕沉降，模擬過程簡(jiǎn)單，代表性的模型有AERMOD、ADMSF等。復(fù)雜模型為第三代空氣質(zhì)量模型，在各污染源排放量（或排放強(qiáng)度）確定的前提下對(duì)顆粒物在大氣中的擴(kuò)散、生成、轉(zhuǎn)化、清除等過程進(jìn)行模擬，代表性模式有Models-3/CMAQ、ISCST-3、WRF-chem等。第二，建立高分辨率的排放源清單。簡(jiǎn)易模型需要建立排放源清單；復(fù)雜模型應(yīng)建立多化學(xué)組份（包括SO2、NOx、CO、PM10、PM2.5、VOCs等）、高時(shí)空分辨率的排放源清單。第三，運(yùn)行空氣質(zhì)量模型。根據(jù)選定的空氣質(zhì)量模型要求，準(zhǔn)備地形高程、下墊面特征及環(huán)境參數(shù)、氣象數(shù)據(jù)、初始條件等運(yùn)作模型。采用復(fù)雜模型內(nèi)置的敏感性評(píng)估模塊、源追蹤模塊、源開關(guān)法等，模擬建立顆粒物源排放與受體之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲得各地區(qū)各類污染源排放對(duì)環(huán)境濃度的貢獻(xiàn)。

2.3 受體模型法

2.3.1 原理：通過采集環(huán)境大氣顆粒物受體樣品和源樣品，分析其物理特征和化學(xué)組分，用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來確定對(duì)受體有主要貢獻(xiàn)的源類及其貢獻(xiàn)值。目前，國(guó)內(nèi)外最廣泛使用的方法是正定矩陣因子分解法（PMF）和化學(xué)性質(zhì)平衡法（CMB）等。CMB法的原理是質(zhì)量守恒，而PMF法的原理是利用權(quán)重計(jì)算出顆粒物化學(xué)組分中的不確定度，用最小二乘法來確定顆粒物的主要污染源并計(jì)算源貢獻(xiàn)率。CMB法需要同時(shí)采集源類樣品和受體樣品，而PMF法則只需要采集受體樣品；另外，PMF法中受體樣品應(yīng)在同一點(diǎn)位進(jìn)行采集，有效受體樣品量不少于80個(gè)。對(duì)復(fù)合污染特征較為明顯的城市或區(qū)域，可使用源模型和受體模型聯(lián)用法來對(duì)顆粒物來源進(jìn)行詳細(xì)解析。

2.3.2 實(shí)施步驟：第一，顆粒物源類調(diào)查、識(shí)別及主要排放源類的確定。調(diào)查排放源，建立顆粒物污染源類排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，識(shí)別顆粒物污染的主要排放源類，確定需要采集和分析的源類樣品種類、點(diǎn)位和數(shù)量。第二，樣品的采集及化學(xué)分析。樣品采集的數(shù)量要符合受體模型的要求。具體的采樣點(diǎn)位數(shù)量、采樣位置、采樣頻率、采樣時(shí)間等需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，研究者的研究目的進(jìn)行合理的調(diào)整。樣品量越大解析的結(jié)果會(huì)越準(zhǔn)確[1]。樣品采集后要對(duì)樣品的化學(xué)成分進(jìn)行分析，通常包括無機(jī)元素、碳組分，水溶性離子，各地也可根據(jù)顆粒物排放源的實(shí)際情況，增加多環(huán)芳烴、烷烴等化學(xué)成分。第三，運(yùn)行受體模型。將樣品的化學(xué)成分分析結(jié)果帶入PMF或者CMB模型進(jìn)行計(jì)算得出各排放源的貢獻(xiàn)率。

2.3.3 運(yùn)用實(shí)例：朱先磊等人（2005）利用CMB模型對(duì)北京市大氣PM2.5進(jìn)行了源解析，表明北京市PM2.5的最大來源是燃煤、揚(yáng)塵等[2]。Schaver等人（1996）根據(jù)12種污染源的成分譜，將45種有機(jī)物和硅、鋁、無機(jī)碳的測(cè)定結(jié)果，運(yùn)用到CMB中，得到了各種污染源對(duì)洛杉磯大氣顆粒物的貢獻(xiàn)[3]。陳分定（2011）用CMB模型和PMF模型對(duì)福建省龍巖市的顆粒物進(jìn)行了源解析，對(duì)于全年樣品，PMF模型結(jié)果表明，龍巖市大氣顆粒物PM10的主要來源是：燃煤塵、建筑水泥塵、機(jī)動(dòng)車尾氣塵和鋼鐵廠除塵器集塵；CMB模型的結(jié)果表明，龍巖市全年大氣顆粒物PM10的主要來源是：燃煤塵、土壤風(fēng)沙塵、城市綜合揚(yáng)塵和道路塵[4]。

3 結(jié)束語

大氣顆粒物源解析方法是用于解析大氣顆粒物主要來源的方法，通過源解析方法可以有效的識(shí)別顆粒物的來源，從而為控制顆粒物的排放提供科學(xué)依據(jù)。在實(shí)際運(yùn)用中，需要根據(jù)研究目的、研究當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況選擇合適的方法，甚至可以將兩種方法聯(lián)合起來用，比如，源模型和受體模型聯(lián)用法。

參考文獻(xiàn)

[1]張蓓，葉新，井鵬.城市大氣顆粒物源解析技術(shù)的研究進(jìn)展[J].能源與環(huán)境，2008（3）.

[2]朱先磊，張遠(yuǎn)航，曾立民，等.北京市大氣細(xì)顆粒物（PM2.5）的來源研究[J].環(huán)境科學(xué)研究，2005（5）.

[3]Schaver J. J.Rogge W. f. Hidmanm L. M. et al. Source apportionment of airborne particulate matter using organic compounds as traces. Atmospheric Enviroment，1996（30）.

[4]陳分定.PMF、CBM、FA等大氣顆粒物源解析模型對(duì)比研究[D].吉林大學(xué)，2011.

作者簡(jiǎn)介：崔鳳（1985，8-），女，重慶市，現(xiàn)職稱：工程師，學(xué)歷：博士，研究方向：環(huán)境監(jiān)測(cè)。