大氣細(xì)顆粒物PM2.5的源解析技術(shù)探討

楊峰曉

摘? ? 要：近年來，大量研究也發(fā)現(xiàn) PM2.5因其粒徑較小、比表面積較大，所以它更容易富集吸附空氣中的有機(jī)污染物、酸性氧化物、有毒重金屬、細(xì)菌和病毒。當(dāng)PM2.5被人吸入到體內(nèi)時(shí)，就可以產(chǎn)生并導(dǎo)致人體呼吸、內(nèi)分泌、心血管、神經(jīng)及免疫等各系統(tǒng)疾病的發(fā)生。此外，PM2.5還會(huì)對(duì)大氣能見度的降低有重要影響，它是霧霾或陰霾的主要構(gòu)成，可以吸收和反射太陽輻射，這不僅影響城市大氣的光學(xué)性質(zhì)，而且影響熱平衡，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量降低。因此，PM2.5的源解析對(duì)于有效控制PM2.5顯得尤其重要。文章主要分析了大氣細(xì)顆粒物PM2.5的源解析技術(shù)，以供廣大同仁研究探討。

關(guān)鍵詞：大氣細(xì)顆粒物;PM2.5;源解析技術(shù)

1? 引言

源解析技術(shù)，是指對(duì)大氣顆粒物的來源進(jìn)行定性或定量研究的技術(shù)，是顆粒物污染防治的重要技術(shù)手段。源解析技術(shù)在當(dāng)今已經(jīng)取得了快速的發(fā)展。

2? 大氣顆粒物污染現(xiàn)狀

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加速，我國大氣污染開始由煤煙型轉(zhuǎn)向復(fù)合型污染?？晌腩w粒物（PM10）污染雖有所控制，但未從污染源頭得到完全解決。與此同時(shí)，汽車尾氣和工業(yè)燃燒排放增加，一些城市群細(xì)顆粒物（PM2.5）的濃度在持續(xù)增加，區(qū)域性大氣污染愈發(fā)嚴(yán)重，并且呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢(shì)。

3? 大氣顆粒物的危害

3.1? 大氣顆粒物對(duì)人體健康影響

隨著我國城市化、工業(yè)化進(jìn)程加快，人們?cè)絹碓街匾暢鞘薪ㄔO(shè)，工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大氣顆粒物對(duì)人體健康影響。人體如果吸收空氣中大量顆粒物會(huì)對(duì)心肺功能造成損害，進(jìn)而引發(fā)各種肺部呼吸疾病，嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致肺癌。特別是PM2.5中的細(xì)微顆粒可以被人體吸入體內(nèi)并長(zhǎng)期存在。研究表明，生活在顆粒物污染水平較高地區(qū)人群的死亡率顯著增加，且顆粒物濃度和暴露時(shí)間決定了吸入劑量，濃度越高，暴露時(shí)間越長(zhǎng)，則損害越大。

3.2? 大氣顆粒物對(duì)生態(tài)環(huán)境影響

生態(tài)環(huán)境方面，大氣顆粒物對(duì)光具有散射和吸收作用，其中吸收效應(yīng)是由碳黑顆粒物引起，不同程度地削弱光強(qiáng)度，使得視野受限，能見度的下降容易使人的心理健康受到影響，嚴(yán)重時(shí)可能造成交通阻塞。當(dāng)大量細(xì)顆粒物PM2.5長(zhǎng)時(shí)間停留在空中則會(huì)造成空氣混濁，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)產(chǎn)生霧霾天氣，對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。雨水凝結(jié)核中同樣含有大氣細(xì)顆粒物PM2.5，不同條件下，PM2.5會(huì)吸附空氣中水分而引發(fā)干旱天氣，或使雨水凝結(jié)核的數(shù)量異常增加，最終會(huì)導(dǎo)致暴雨天氣。

4? PM2.5源解析技術(shù)及應(yīng)用分析

4.1? 化學(xué)質(zhì)量平衡模型

CMB 是目前實(shí)際應(yīng)用于PM2.5源解析領(lǐng)域研究最廣泛的受體模型。其原理是質(zhì)量守恒，在源類、受體成分譜確定前提下，通過建立一組線性方程，計(jì)算出不同源類貢獻(xiàn)值濃度大小。但 CMB技術(shù)缺乏源類成分譜，污染物性質(zhì)不穩(wěn)定時(shí)，CMB模型源解析結(jié)果準(zhǔn)確性不高。例如，通過有機(jī)碳與元素碳最小比值法確定二次有機(jī)碳對(duì) PM2.5的貢獻(xiàn)率，采用CMB技術(shù)研究了不同環(huán)境受體點(diǎn)各個(gè)季節(jié) PM2.5源解析，城市揚(yáng)塵、煤煙塵、二次硫酸鹽為PM2.5重要源類。

4.2? 主成分分析法

PCA利用降維思維，最大化保留原始變量信息基礎(chǔ)上，把指標(biāo)信息轉(zhuǎn)化成若干綜合指標(biāo)，即為主成分，且主成分間無相關(guān)性。結(jié)合線性代數(shù)理論，對(duì)收集的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理，獲取不同污染源對(duì)PM2.5及其組分貢獻(xiàn)值。當(dāng)因子符號(hào)存在正負(fù)時(shí)，源解析的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，需要采用正矩陣因子分析法。例如，在采暖季、非采暖季選擇4個(gè)受體點(diǎn)，利用PCA技術(shù)對(duì)PM2.5源解析發(fā)現(xiàn)：建筑揚(yáng)塵、土壤塵、道路揚(yáng)塵、汽車尾氣累計(jì)對(duì)該市的PM2.5貢獻(xiàn)率超過90%。

4.3? 富集因子法

EF 利用富集因子評(píng)價(jià)相關(guān)元素是來自人為源還是自然源。EF應(yīng)用于解析PM2.5元素，通過定性判斷元素來源，結(jié)合其他方法進(jìn)行來源解析。當(dāng)EF>10，表示元素是人為源;1

4.4? 空氣質(zhì)量模型

包括CMAQ 模型（美國）、CHIMERE 模型（法國）、NAQPMS模型（中國）等，其中 CMAQ 模型應(yīng)用較為廣泛。該模型主要用以比較模擬與觀測(cè)差距，分析差距產(chǎn)生原因，探索如何提升精度;分析大氣污染物源及其產(chǎn)生機(jī)理，擴(kuò)散和傳輸過程，為污染物跨區(qū)域傳輸研究提供參考。該法還存不斷完善更新中。例如，采用MM5-Models-3/CMAQ模擬系統(tǒng)，分析計(jì)算PM2.5來源，計(jì)算的結(jié)果也表明隨著污染源濃度的增加，該技術(shù)方法的計(jì)算結(jié)果更加科學(xué)合理。此外，還有穩(wěn)定同位素法等，在大氣環(huán)境PM2.5源解析中也取得了良好的應(yīng)用效果。

5? PM2.5源解析技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

5.1? PAHs源解析

PM2.5中的有機(jī)碳成分十分復(fù)雜，其中PAHs是增加其復(fù)雜程度的重要因素。由于PAHs 具有顯著致癌、致突變和致畸，PM2.5中PAHs源解析成為關(guān)注重點(diǎn)。目前對(duì)PAHs源解析主要采用比值法、輪廓圖法等定性源解析和CMB法、穩(wěn)定碳同位素法、多元統(tǒng)計(jì)法等定量解析。此外，PM2.5中的飽和烴、硝基多環(huán)芳烴也成為PM2.5源解析研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

5.2? 單顆粒源解析

利用顯微鏡技術(shù)對(duì)單個(gè)的PM2.5中的物理性質(zhì)及化學(xué)部分進(jìn)行分析，獲得單個(gè)顆粒物 Micro-PIXE能譜，并用模式識(shí)別法對(duì)能譜進(jìn)行比較和統(tǒng)計(jì)，獲得PM2.5源及其貢獻(xiàn)率?？梢?，顯微鏡技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，還需要建立單顆粒指紋數(shù)據(jù)庫，提高單顆粒源解析效率和精確度。

5.3? 有機(jī)碳、元素碳解析

大氣中PM2.5組分中有10%-50%為有機(jī)碳和元素碳組分，分析有機(jī)碳與元素碳關(guān)系，可以反映其來源特征，為PM2.5源解析提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

5.4? 擴(kuò)散模型與受體模型聯(lián)用解析

隨著PM2.5污染問題日益突出，將受體模型與擴(kuò)散模型結(jié)合起來研究PM2.5源解析成為研究的發(fā)展趨勢(shì)之一。其中，擴(kuò)散源解析是利用污染物數(shù)量及排放量，模擬各個(gè)污染物在區(qū)域內(nèi)分布情況，受體模型無需對(duì)污染源進(jìn)行調(diào)查及參數(shù)支持，與擴(kuò)散模型結(jié)合彌補(bǔ)其不足。

6? 結(jié)語

總之，大氣PM2.5源解析為人們及時(shí)掌握區(qū)域PM2.5主要來源，為源頭降低PM2.5提供了第一手寶貴資料支撐。因此，我們要熟練掌握各種監(jiān)測(cè)技術(shù)外，還應(yīng)關(guān)注新技術(shù)新理論的發(fā)展，不斷提升PM2.5源解析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐。

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