基于大氣顆粒物源解析技術(shù)的研究

洪瑛

摘 要：大氣污染嚴(yán)重影響著環(huán)境質(zhì)量和人們的身體健康，而大氣顆粒物則是導(dǎo)致環(huán)境惡化的主要污染物和重要因素。大氣顆粒物威脅著人們的身體健康和人類賴以生存的環(huán)境，因此，分析大氣顆粒物源對大氣保護(hù)有非常重要的意義。通過分析大氣顆粒物及其危害，闡述了幾種常用的源解析技術(shù)模型。

關(guān)鍵詞：環(huán)境污染；顆粒物；源解析；模型

中圖分類號：X513 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.071

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球大氣環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，給地球和人們的生活造成了巨大的危害?？諝赓|(zhì)量是人們健康生活的保障，有效解析大氣污染，然后采取有針對性的治理措施是一項(xiàng)重要的工作，這關(guān)系到社會發(fā)展和人們的健康。

1 大氣顆粒物及其危害

懸浮在大氣中的顆粒物俗稱大氣顆粒物，它是一個物理形態(tài)和化學(xué)組成都非常復(fù)雜的集合物質(zhì)名稱，是大氣中的不定組分之一。按照空氣動力學(xué)直徑的不同，可將其分為總懸浮顆粒物TSP、降塵和飄塵。而飄塵又可分為PM10和PM2.5，由于它們粒徑小，能被人直接吸入呼吸道內(nèi)，損害人們的身體健康，所以，近年來，它們備受社會各界的關(guān)注。研究表明，PM10經(jīng)過呼吸道可以進(jìn)入人體，而PM2.5甚至還能進(jìn)入肺泡。調(diào)查顯示，3～15歲兒童的呼吸道發(fā)病率上升與PM10有很大的關(guān)系。

大氣顆粒物可以影響氣候效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5與能見度有密切的關(guān)系，它可以降低能見度。大氣顆粒物降低能見度主要是通過其對光的散射和吸收來減弱光的信號。大氣顆粒物對溫度也有一定的影響。研究表明，它的危害程度是溫室效應(yīng)的2倍多。同時，大氣顆粒物還會影響降雨——大氣中的這些顆粒物會與水汽結(jié)合，在降雨時影響雨水的酸堿度，這些顆粒物的酸堿度就會成為酸化或堿化的主導(dǎo)因子。而酸雨會損壞各種建筑物，這些都會直接影響社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。另外，大氣顆粒物還會通過其他方式影響農(nóng)作物的生長和發(fā)育，從而減少農(nóng)作物的產(chǎn)量等。

由此可見，環(huán)境空氣質(zhì)量與我們的生活息息相關(guān)，空氣質(zhì)量是影響人們生活健康的一個重要因素。治理大氣污染、制訂大氣污染防治規(guī)劃的核心是確定大氣中的污染物及其來源。只有了解大氣污染的來源，才能做好防護(hù)治理工作。大氣污染源解析技術(shù)是區(qū)分和識別大氣污染物復(fù)雜來源并定量分析其源貢獻(xiàn)率的一種技術(shù)方法，是確定各種排放源與環(huán)境空氣質(zhì)量之間響應(yīng)關(guān)系的樞紐，是控制和治理大氣污染的一個重要而又復(fù)雜的課題。

2 源解析技術(shù)

大氣污染來源解析技術(shù)的數(shù)學(xué)模型主要是指擴(kuò)散模型和受體模型。擴(kuò)散模型（源模型）是一開始以污染源排放清單的分析和以污染源排放清單為基層的模型。20世紀(jì)60年代末，受體模型首先被Blifford和Meeker提出。受體模型被廣泛應(yīng)用是因?yàn)槭褂迷撃Ｐ头治霾恍枰粉櫸廴疚锏倪w移過程，并且不受局部區(qū)域氣象、氣候和地形等條件的限制等。受體模型的主要研究方法包括顯微鏡法、物理法和化學(xué)法3種。其中，化學(xué)法發(fā)展最成熟，主要有化學(xué)質(zhì)量平衡法（CMB）、二重源解析法、因子分析法（FA）和富集因子法（EF）等。

2.1 CMB模型

化學(xué)質(zhì)量平衡法是根據(jù)多種排放源的顆粒物組成質(zhì)量濃度分解為一組由各類源貢獻(xiàn)的組合的方法，并遵守質(zhì)量守恒定律，利用有效方差最小二乘法解出各類源對顆粒物質(zhì)量濃度的貢

獻(xiàn)。1972年，化學(xué)質(zhì)量平衡法被Miller等提出，一開始命名為化學(xué)元素平衡法（CEB），1980年，Cooper和Watson將其改為化學(xué)質(zhì)量平衡法。

目前，CMB被廣泛應(yīng)用于PM10、PAHs、VOCs等的來源解析中。對CMB模型的假設(shè)有以下幾種：①污染源種類小于或等于化學(xué)組分種類；②各種排放源類排放的顆粒物化學(xué)元素有明顯的差別；③各種排放源類所排放的顆粒物的化學(xué)組分相對穩(wěn)定，它們之間不會相互影響；④各源類顆粒物之間不會相互作用，并且可以忽略其在傳輸過程中的變化；⑤所有成分譜是線性無關(guān)的；⑥測量的不確定度是隨機(jī)、符合正態(tài)分布的。由此可以認(rèn)為，化學(xué)組分的質(zhì)量濃度等于每種源類化學(xué)組分的含量值和源貢獻(xiàn)值的線性加和。用公式可表示為：

. （1）

式（1）中：Ci代表顆粒物化學(xué)組分i的質(zhì)量濃度測量值，ug/m3；Fij代表第j類源的化學(xué)組分i的含量測量值，ug/ug；Sj為第j類源貢獻(xiàn)的質(zhì)量濃度計算值，ug/m3；i代表化學(xué)組分的數(shù)目；j代表源類的種數(shù)。

化學(xué)質(zhì)量平衡模型的算法主要有有效方差最小二乘法、普通加權(quán)最小二乘法、示蹤元素法、線性程序法和嶺回歸加權(quán)最小二乘法等。其中，有效方差最小二乘法是最常用的算法。CBM模型是國內(nèi)外研究最多、應(yīng)用最廣的受體模型，因?yàn)槠浒l(fā)展成熟、原理簡單、解析結(jié)果符合實(shí)際，可以分析多種來源體系。蘇國鑫詳細(xì)介紹了CMB模型在大氣顆粒物PM2.5源解析中的應(yīng)用原理和過程，以便分析PM2.5的源。

CMB模型的缺點(diǎn)是：①用此方法分析相關(guān)內(nèi)容時，需要收集詳細(xì)的污染源成分譜，這需要消耗大量的人力和財力；②在解析過程中，如果污染物的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，那么，得出的結(jié)果就可能會有很大的誤差；③如果污染源的成分相似，那么，得出的成分譜有可能出現(xiàn)共線現(xiàn)象。

2.2 FA模型

因子分析法是從研究變量內(nèi)部之間依賴關(guān)系出發(fā)的，將一些具有錯綜復(fù)雜關(guān)系的變量歸結(jié)為少數(shù)幾個綜合因子的一種多變量統(tǒng)計分析方法。該方法的基本思想是，直接分析受體樣品的化學(xué)成分，根據(jù)它們之間的相互關(guān)系綜合總結(jié)得出公因子，并且計算出每個因子載荷，通過分析各因子載荷情況，并結(jié)合現(xiàn)有元素知識來簡化數(shù)據(jù)得出結(jié)果，從而推斷出污染源的類型。在國內(nèi)外，將FA模型應(yīng)用于大氣顆粒物污染來源解析的研究比較多，并且有很好的效果。

FA模型也是建立在質(zhì)量守恒基礎(chǔ)上的。關(guān)于FA模型有3個假設(shè)：①在污染物從排放源到采樣點(diǎn)的傳輸過程中，可以忽略質(zhì)量變化；②污染物中某種元素是多個互不相關(guān)的污染源貢獻(xiàn)率的線性組合；③由各個污染源貢獻(xiàn)的某元素的量差別比較大，采樣和分析期間的變化比較小。

假設(shè)每個化學(xué)組分是各種源類貢獻(xiàn)的代數(shù)和，則可將源貢獻(xiàn)分為2個因子的乘積，分別為污染源對采樣點(diǎn)處顆粒物貢獻(xiàn)的質(zhì)量濃度和污染源排放的單位質(zhì)量顆粒物中所含的該元素的量。具體公式是：

. （2）

式（2）中：Xij為元素的質(zhì)量濃度，ug/m3；αij為因子載荷，ug/mg；fkj為公共因子，mg/m3；di為唯一因子系數(shù)，ug/mg；ui為唯一因子，mg/m3；εi為元素i的測量過程。

其他產(chǎn)生的誤差用矩陣可以表示為：

X=AF+DU+ε. （3）

因子分析法就是從實(shí)際數(shù)據(jù)出發(fā)，根據(jù)它們之間相互關(guān)系，從全部變量中歸納總結(jié)出最少數(shù)目的公因子，并且計算出各個因子的載荷。

2.3 Unmix模型

Unmix模型是一種解決混合問題的多元線性模型，通常運(yùn)用于混合物或?qū)Χ嘣荏w建模時不能識別的情況下。在這些問題中假設(shè)一些附加條件，那么，便可以得到單一解。Unmix的工作原理就是找到邊緣點(diǎn)（指在多維空間里，一些數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)源不存在或比其他來源貢獻(xiàn)小的點(diǎn)），并且找尋與這些點(diǎn)擬合的一個超平面，把這個超平面稱為一個邊。每個邊限定了對單一源沒有貢獻(xiàn)的點(diǎn)，即這是一個只有一個貢獻(xiàn)源的點(diǎn)，這個點(diǎn)是各個源的混合體。根據(jù)這種方法，可以計算源的最合適貢獻(xiàn)值。

2.4 EF模型

富集因子法是用于研究大氣顆粒物中元素的富集程度，定量分析污染物某元素的狀況，判斷和評價元素的自然來源和人為來源的一種分析方法。通常情況下，它是將有固定的參比元素作為指標(biāo)，比如國際上常用的Fe、Al或Si元素，分析大氣污染狀況的一種源分析模型。其計算公式是：

. （4）

式（4）中：R為參比元素；i為顆粒物中待考察的元素；Xi、XR分別為顆粒物中元素i、R的質(zhì)量濃度；X′i、X′R為i和R的地殼豐富度。

EF值越大，富集程度就越高，人為源的貢獻(xiàn)就越大。根據(jù)富集因子的大小可以將元素分為2類：①當(dāng)富集因子小于10時，則認(rèn)為是自然源，沒有富集成分；②當(dāng)富集因子為10～104時，則認(rèn)為是被富集，來源于人為污染源。于令達(dá)等人利用此方法分析研究了2008年北京采暖前后大氣顆粒物的化學(xué)成分，并分析對比了富集因子。結(jié)果表明，該方法能夠很好地分析各元素的富集值。

3 結(jié)束語

綜上所述，我國對大氣顆粒物源解析技術(shù)的研究還處于起步階段，在大氣顆粒物的解析方面，只能研究單一源的解析。解決環(huán)境空氣質(zhì)量問題是我們健康生活的保障，所以，一定要不斷發(fā)展和完善源解析技術(shù)，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，解決其中存在的問題。只有這樣，才能更好地解析大氣顆粒物和空氣的污染情況，并采取有效的治理措施。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇國鑫.化學(xué)質(zhì)量平衡受體模型在大氣細(xì)顆粒物PM2.5源解析中的應(yīng)用[J].環(huán)境，2011（S1）.

[2]郝明途，高健，戴曉燕，等.大氣顆粒物化學(xué)質(zhì)量平衡源解析方法研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2011（12）.

〔編輯：白潔〕