南昌市環(huán)境空氣PM2.5污染現(xiàn)狀及其源解析研究方法

張 健，羅 勇，伍恒赟，賈娟娟，肖南嬌，張起明，王東方

(江西省環(huán)境監(jiān)測中心站，330039，南昌)

南昌市環(huán)境空氣PM2.5污染現(xiàn)狀及其源解析研究方法

張 健，羅 勇*，伍恒赟，賈娟娟，肖南嬌，張起明，王東方

(江西省環(huán)境監(jiān)測中心站，330039，南昌)

根據(jù)例行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了南昌市環(huán)境空氣PM2.5污染現(xiàn)狀，提出了適用于南昌市PM2.5源解析的主要研究內(nèi)容，同時(shí)根據(jù)國內(nèi)外受體模型的研究進(jìn)展提出了源解析所用的模型，研究結(jié)果可以為下一步南昌市開展PM2.5源解析提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

污染現(xiàn)狀；來源解析；模型

0 引言

大氣顆粒物形成原因極其復(fù)雜，是大氣環(huán)境中化學(xué)組成最復(fù)雜、危害最大的污染物之一。氣溶膠顆粒物會對人體健康產(chǎn)生直接的負(fù)面影響，因而受到各國政府及有關(guān)研究部門的高度重視。大氣細(xì)粒子(PM2.5)因其粒徑較小、比表面積較大，與粗顆粒物相比更容易富集有毒有害的化學(xué)物質(zhì)，如重金屬、有機(jī)物等。更加嚴(yán)重的是，研究表明大氣細(xì)顆粒物濃度若增加會明顯提高呼吸系統(tǒng)疾病的死亡率，尤其是細(xì)顆粒物可通過呼吸道進(jìn)入肺部，同時(shí)經(jīng)過血液循環(huán)到達(dá)其他器官，從而造成對人體呼吸系統(tǒng)和其他功能系統(tǒng)的損害[1-4]。因此，PM2.5這類細(xì)顆粒物對人體健康的危害要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于粗顆粒物。此外，大量的PM2.5還可以通過太陽光的吸收、散射或反射，降低大氣能見度，對民眾感官視覺上造成巨大的沖擊[5]。

2012年國家發(fā)布了新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)，增設(shè)了PM2.5平均濃度限值，環(huán)保部同時(shí)發(fā)布了《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)技術(shù)規(guī)定》與《關(guān)于實(shí)施環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的通知》，明確規(guī)定2012年在京津冀、長三角、珠三角等重點(diǎn)區(qū)域以及直轄市和省會城市建立PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)。2013 年6月國務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治十條》，鼓勵各省、自治區(qū)、直轄市人民政府根據(jù)實(shí)際情況和當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)的需要，通過制定達(dá)標(biāo)規(guī)劃、提高環(huán)境準(zhǔn)入門檻、深化區(qū)域大氣污染物聯(lián)防聯(lián)控、加大大氣污染治理投入、加強(qiáng)重污染天氣的預(yù)測預(yù)警等措施，實(shí)現(xiàn)環(huán)境空氣質(zhì)量逐步改善，力爭早日達(dá)標(biāo)，切實(shí)保障公眾健康。然而，要治理空氣污染，必須要先明確污染期間顆粒物的來源。因此，大氣顆粒物來源解析是科學(xué)、有效地開展顆粒物污染防治和控制的基礎(chǔ)和前提。目前針對南昌市大氣顆粒物來源解析的研究很少，僅有2007年南昌大學(xué)彭希隴博士做過相關(guān)研究[6]，但由于其分析項(xiàng)目很少(僅有部分元素類指標(biāo))且代表機(jī)動車尾氣和工業(yè)排放的有機(jī)碳、硝酸根和硫酸根等組分均未分析，另外，也沒有對南昌市環(huán)境空氣顆粒物污染源情況進(jìn)行調(diào)查和監(jiān)測，因此，研究結(jié)果不足以真實(shí)反映南昌市當(dāng)前空氣污染情況，更無法體現(xiàn)重污染期間(PM2.5濃度值超過150 μg/m3)南昌市PM2.5的污染特征。

本文從南昌PM2.5污染現(xiàn)狀、PM2.5來源解析研究內(nèi)容以及研究模型等方向闡述了南昌市開展源解析工作使用的技術(shù)手段和方法，為南昌市建成區(qū)開展環(huán)境空氣中顆粒物的污染來源提供基礎(chǔ)技術(shù)支持。

1 南昌市環(huán)境空氣PM2.5污染現(xiàn)狀

近年來，隨著我國城市化、工業(yè)化和區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程加快，京津冀、長三角、珠三角以及其他部分城市群持續(xù)出現(xiàn)區(qū)域范圍以顆粒物(PM10和PM2.5)為特征污染物的灰霾天氣。2013年南昌市空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)僅為222 d，占全年60.8%(圖1)。南昌市作為江西省會城市，隨著市政建設(shè)規(guī)模加大，汽車保有量急劇增加等諸多環(huán)境因素影響，大氣顆粒物PM2.5也已經(jīng)成為環(huán)境空氣主要污染物。2013年，南昌市環(huán)境空氣PM2.5濃度年均值高達(dá)69 μg/m3，遠(yuǎn)高于國家二級標(biāo)準(zhǔn)(35 μg/m3)，而且在污染嚴(yán)重期間(1月和12月)，PM2.5濃度值甚至超過150 μg/m3(圖2)。高濃度的PM2.5不僅僅降低大氣能見度，而且會嚴(yán)重影響南昌市居民的身體健康以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，必須盡快開展南昌市細(xì)顆粒物來源解析工作。

圖1 2013年南昌市空氣質(zhì)量指數(shù)類別天數(shù)比例

圖2 2013年南昌市環(huán)境空氣PM2.5日均值分布(來源于江西省環(huán)境監(jiān)測中心站監(jiān)測數(shù)據(jù))

2 南昌市PM2.5源解析研究內(nèi)容

根據(jù)南昌市環(huán)境空氣PM2.5污染現(xiàn)狀以及源解析方法，得出了以下主要研究內(nèi)容。

2.1空氣環(huán)境污染現(xiàn)狀分析

利用南昌市近幾年連續(xù)監(jiān)測資料，分析南昌市建成區(qū)PM2.5污染狀況，粒徑分布情況，時(shí)空分布特征及與天氣條件的關(guān)系；定性分析判定污染來源。

2.2顆粒物污染源調(diào)查及主要排放源類的識別研究

分項(xiàng)調(diào)查工業(yè)燃料排放源、生產(chǎn)性粉塵源和非工業(yè)煙塵源，建立顆粒物污染源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。分析南昌市建成區(qū)的氣候特點(diǎn)和氣象條件、工業(yè)布局、綠化分布及覆蓋率、道路分布及車流量和通過的車型特點(diǎn)等因素，確定南昌市建成區(qū)環(huán)境空氣中顆粒物的主要排放源，研究源樣品和受體樣品的采集和處理技術(shù)。

2.3顆粒物源與受體化學(xué)成分譜的構(gòu)建

對顆粒物源和受體樣品進(jìn)行采集和主要化學(xué)組成分析(元素分析、水溶性離子分析和碳分析)，研究源成分譜有效性評價(jià)方法，篩選有代表性的源成分譜，建立顆粒物源和受體成分譜數(shù)據(jù)庫。

2.4源貢獻(xiàn)值和分擔(dān)率的研究

化學(xué)質(zhì)量平衡模型的擬合運(yùn)算。綜合利用化學(xué)質(zhì)量平衡(CMB)受體模型、CMB-Iteration等方法進(jìn)行解析，得出各污染源對受體顆粒物的貢獻(xiàn)值和分擔(dān)率，建立顆粒物污染來源解析技術(shù)方法指南。

2.5明確空氣環(huán)境的污染類型及來源

根據(jù)顆粒物源解析結(jié)果情況，判斷污染類型(煤煙型、混合型或復(fù)合型)，明確南昌市城區(qū)顆粒物的主要污染源類及其影響。

2.6顆粒物污染防治對策的研究

根據(jù)南昌市城區(qū)環(huán)境空氣中不同粒徑顆粒物主要排放源的特點(diǎn)、顆粒物特征和來源的研究結(jié)果，研究篩選控制顆粒物的重點(diǎn)排放源，并確定有效地控制顆粒物污染的技術(shù)方案，從源頭治理、末端治理和體制改革等不同層次和角度，為從根本上解決南昌市建成區(qū)環(huán)境空氣中顆粒物的污染問題制定有針對性的環(huán)境管理政策和污染防治措施。

3 南昌市PM2.5源解析模型選擇

源解析是通過化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)等方法定性或定量識別環(huán)境受體中大氣顆粒物污染的來源。Blifford和Meeke于20世紀(jì)60年代提出了受體模型，受體模型主要從受體出發(fā)，根據(jù)源和受體顆粒物的化學(xué)、物理特征等信息，利用數(shù)學(xué)方法定量解析各污染源類對環(huán)境空氣中顆粒物的貢獻(xiàn)[7-8]。受體模型最大的優(yōu)勢是不用追蹤顆粒物的傳輸過程，不依賴于污染源的排放條件、地形、氣象等數(shù)據(jù)，這樣可以避免在擴(kuò)散模型應(yīng)用中遇到的很多困難和問題。受體模型經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)非常成熟，其中化學(xué)-統(tǒng)計(jì)學(xué)方法應(yīng)用最為著名。化學(xué)-統(tǒng)計(jì)學(xué)方法主要包括化學(xué)質(zhì)量平衡法(CMB)、正定矩陣因子分析法(PMF)、因子分析法(FA)、富集因子法(EF)、多元線性回歸法(MLR)和二重源解析法等[8]。

從20世紀(jì)70年代起，美國等國家運(yùn)用受體模型進(jìn)行了大量的源解析研究，Antony等人利用EV-CMB模型對分布于美國明尼蘇達(dá)州的8個監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行源解析研究，研究表明明尼蘇達(dá)州的PM2.5主要來源于土壤風(fēng)沙塵、富含鈣的粉塵，機(jī)動車尾氣排放次之，貢獻(xiàn)率為20%～70%，而且不同排放源在不同時(shí)期和不同監(jiān)測點(diǎn)貢獻(xiàn)有所不同[9]。20世紀(jì)80年代后期我國開始進(jìn)行源解析的相關(guān)研究，鄒本東等人采用FA模型對北京市PM10源解析表明：PM10來源為建筑水泥塵/機(jī)動車尾氣塵/燃煤塵占36.57%、土壤風(fēng)沙塵占16.07%、二次粒子塵占12.33%、工業(yè)粉塵占10.29%、生物質(zhì)燃燒塵占6.07%、燃油塵占3.84%、其它占14.84%[10]；朱先磊等人利用CMB模型對北京市PM2.5源解析，主要來源為燃煤、揚(yáng)塵、機(jī)動車排放、建筑塵、生物質(zhì)燃燒、二次硫酸鹽和硝酸鹽及有機(jī)物[11]。

學(xué)者們也對PM2.5的化學(xué)組成進(jìn)行了大量的研究，如趙晨曦等對北京開展大氣細(xì)粒子(PM2.5)的連續(xù)近地面觀測，獲得了PM2.5質(zhì)量濃度及其碳組分季節(jié)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)春季沙塵和大風(fēng)引起的局地?fù)P塵對PM2.5質(zhì)量濃度有很大的貢獻(xiàn)，有機(jī)碳(OC)和元素碳(EC)組分及其相關(guān)性均有顯著的季節(jié)變化，可能與各個季節(jié)主導(dǎo)排放源的不同以及氣象條件的差異有關(guān)[12]。李偉芳、白志鵬等以冬季PM2.5為研究對象，利用熱分離法測試發(fā)現(xiàn)PM2.5中有機(jī)碳與元素碳濃度之比為 1:4[13]。孟昭陽、張懷德等對太原市大氣PM2.5的觀測表明，冬季PM2.5中碳?xì)馊苣z污染嚴(yán)重，元素碳、有機(jī)碳的平均濃度分別為(28.9±14.8) μg/m3和(4.8±2.2) μg/m3[14]。包貞等對杭州市大氣PM2.5中碳分布特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)TOC占PM2.5中的質(zhì)量比值高達(dá)33%[15]。

關(guān)于模型使用方面，目前國內(nèi)運(yùn)用最廣泛的是化學(xué)質(zhì)量平衡模型(CMB)、因子分析法(FA)和正定矩陣因子分解(PMF)等[16]。肖致美等使用CMB模型對寧波市大氣顆粒物PM10和PM2.5來源進(jìn)行了解析[17]；張智勝等利用因子分析法(FA)分析了成都城區(qū)PM2.5季節(jié)污染特征及來源解析[18]。薛國強(qiáng)等采用示蹤污染物方法確定了南京市大氣顆粒物中水溶性離子的粒徑分布和來源解析[19]，這也不失為一種較好的方法。當(dāng)然，模型使用過程中也會產(chǎn)生一些問題，例如，濟(jì)南市研究人員在對TSP和PM10進(jìn)行源解析研究時(shí)發(fā)現(xiàn)使用CMB計(jì)算土壤風(fēng)沙塵和揚(yáng)塵時(shí)，計(jì)算結(jié)果往往呈現(xiàn)負(fù)值，使得解析結(jié)果缺乏全面性。此后，南開大學(xué)馮銀廠教授針對揚(yáng)塵的這種共線性問題提出了二重源解析技術(shù)，該技術(shù)把揚(yáng)塵充分考慮進(jìn)來，得出揚(yáng)塵是造成環(huán)境空氣中PM2.5污染的主要來源之一的結(jié)論[20]。本項(xiàng)目計(jì)劃采用多種模型相互驗(yàn)證的方法，同時(shí)加入二重源解析分析，將南昌市大氣重污染期間PM2.5的來源研究透徹。

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ThePollutionStatusofPM2.5andtheResearchMethodofitsSourceApportionmentinNanchang

ZHANG Jian,LUO Yong*,WU Hengyun,JIA Juanjuan,XIAO Nanjiao,ZHANG Qiming,WANG Dongfang

(Jiangxi Environmental Monitoring Center,330039,Nanchang,PRC)

In this paper,the pollution status of PM2.5in Nanchang was analyzed based on the monitoring data of environmental air,and the research content of PM2.5source apportionment used for Nanchang was suggested.In addition,the mathematical model used for PM2.5source apportionment was also discussed based on the research process of mathematical model.The research results can provide the theoretical principle for PM2.5source apportionment in Nanchang.

pollution status;source apportionment;model

2014-09-22;

2014-11-11

張 健(1960-)，男，學(xué)士，主要從事環(huán)境監(jiān)測管理方面的工作。

江西省環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(No：JXHBKJ2012-1)。

*通訊作者：羅 勇(1982-)，男，博士，江西南昌人，工程師，主要研究方向環(huán)境監(jiān)測。Email:luoyongjxhj@163.com。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.06.007

X513

A

1001-3679(2014)06-0777-04