大氣顆粒物源解析技術的對比分析

林明宇蘭州大學13級學生

大氣顆粒物源解析技術的對比分析

林明宇
蘭州大學13級學生

摘要：本文主要從國內外大氣顆粒物的源解析技術發展概況出發，對化學質量平衡模型（CMB）及二重源解析模型的原理、優缺點進行了分析，提出了化學質量平衡模型（CMB）及二重源解析模型的適用范圍。

關鍵詞：大氣顆粒物；源解析技術；CMB模型；二重源解析模型

1　引言

大氣顆粒物（Atmospheric Particulate Matters）是大氣中存在的各種固態和液態顆粒物的總稱。世界衛生組織下屬國際癌癥研究機構（IARC）2013年10月17日發布報告，首次指認大氣污染“對人類致癌”，并視其為普遍和主要的環境致癌物。由于大氣顆粒物對大氣環境和人類健康危害很大，有害顆粒物成分在大氣中存留時間較長、波及范圍較廣，必須對其進行系統地治理。為了采取更有針對性的治理方案，有必要分析清楚他們的來源。

2　大氣顆粒物源解析技術發展概況

源解析技術是通過對大氣顆粒物來源進行分析，定性識別對受體（接收環境）有貢獻的污染源，并定量計算各污染物的貢獻率。

在早期的環境評估中，人們主要用擴散模型分析顆粒物源的排放資料，結合擴散路程中的溫壓濕風等即時氣象要素，進行顆粒物空間分布的評估，計算大氣顆粒物對所研究地點的污染物的貢獻率。擴散模型的確可以很好地反映污染物與大氣環境質量之間的定量關系，從而有效地治理大氣顆粒物污染。但是大多數情況下，我們很難準確地測得污染源排放的總量以及污染物在傳播過程中的氣象要素數據。為了更好地解決這一問題，上世紀70年代，人們把著眼點從排放源轉移到受體。即通過大氣顆粒物采樣儀器和化學成分分析方法對受體的污染物成分進行分析，即使在缺少污染源信息以及氣象要素資料的情況下，也能很好地獲得各個污染物對受體的貢獻率。因此，受體模型——以化學質量平衡模型（CMB）為代表，自70年代問世以來，得到了迅速發展。

3　化學質量平衡模型（CMB）及二重源解析技術

3.1化學質量平衡模型（CMB）及二重源解析技術的基本原理

CMB模型的基本原理就是質量守恒原理，即從污染源擴散向受體的那部分污染物在傳送過程中100%的貢獻給受體。

CBM模型是由一組線性方程構成的,有以下幾個基本假設：

（1）可以識別出對環境受體中的大氣顆粒物有明顯貢獻的所有污染源類，各污染源類所排放的顆粒物的化學組成有明顯的差別；

（2）各污染源類所排放的顆粒物的化學組成相對穩定，化學組分之間無相互影響；

（3）各污染源類所排放的顆粒物之間沒有相互作用，在傳輸過程中的變化可以忽略；

（4）元素個數必須大于源的個數；

（5）各類污染源排放出來的顆粒物的化學組成有明顯的差異；

（6）測樣方法的誤差是隨機的，符合正態分布。

根據上述假設,CBM模型表示為每種化學元素的受體濃度等于貢獻率濃度和源成分譜的元素含量乘積的線性和。設受體顆粒物中元素i的濃度為Ci，則

式中Ci為大氣顆粒物i的濃度測量值，單位為μg/m3；Fij為第j類源的顆粒物中元素i的質量分數；Sj為第j類源貢獻的質量濃度計算值，單位為μg/m3；J為類的數目,j=1,2,…,J;I為元素的數目, i=1,2,…,I。當擬合元素數目(I)大于或等于擬合源數目(J)時,根據測得的它們在大氣中的濃度Ci及排放源成分譜Fij，可計算得到各個排放源對該受體的貢獻值Sj和相應的貢獻率βj。

CMB模型應用中，有時在污染物從污染源到監測點的擴散過程中，由于揚塵等二次排放源對污染源的貢獻率產生影響，能否將揚塵等二次源的信息準確的分辨出，將直接影響到一次污染源貢獻率的計算結果。為此馮銀廠等在充分分析和研究揚塵這一特殊顆粒物排放源類的組成及排放特點的基礎上，在國際上首次提出了二重源解析技術。這種技術將土壤風沙塵、煤煙塵、建筑塵、鋼鐵塵、機動車尾氣塵視為單一的一次污染塵源，將揚塵看作是混合二次污染揚塵源。揚塵既可以看作是單一的一次污染塵源的受體，也可以看作監測點受體的排放源。故可以運用CMB模型對“單一塵源——監測點受體”，“單一塵源——混合揚塵源”，“混合揚塵源——監測點受體”這三次顆粒污染物的傳遞過程進行解析，扣除混合揚塵源對監測點受體的貢獻作用，即可得出單一塵源對受體污染物的貢獻率，解決了同時解析出單一塵源和混合揚塵源對受體的貢獻率重疊的問題。

3.2CMB模型與二重源解析技術對比分析

（1）CMB模型的優點

運用質量守恒定律，思路清晰簡單，便與接收，是應用最廣泛的源解析模型。

（2）CMB模型的缺點

要經常檢測原樣品污染物元素質量分數和受體樣品各污染物元素的濃度，列出數據清單，不斷更新污染源組分譜，工作量較大,并要求成分譜全面,需花費大量財力和人力。而且在多來源體系中，各排放源的獨立線性很難滿足。不過美國國家環保局（EPA）已經采用奇異值分解和T統計法來診斷線性相關源的情況。[4]另外從污染源擴散到監測點的過程中，不能排除揚塵等二次污染源的影響。而二重源解析技術解決了這一問題。

（3）CMB模型的適用范圍

適用于源數目多的體系,并能得到各源的絕對貢獻率,但不適合應用于缺少污染源的化學成分譜的對象。

（4）二重源解析技術的優點

①排除了揚塵等二次污染源對污染源到監測點受體的貢獻率的影響。

②解決了混合揚塵源與單一塵源的嚴重共線性對受體貢獻交叉重疊的問題。

（5）二重源解析技術的缺點

需要檢測混合揚塵中元素質量分數和各元素的濃度，加大了計算工作量。

（6）二重源解析技術適用范圍

適用于浮塵現象嚴重，并且浮塵對污染物傳遞過程影響明顯的地區。

4　結語

大氣顆粒物的源解析技術從傳統的源分析方法發展到早期的擴散模型單純解析污染物的來源，逐步發展到現今的定量估計各污染源貢獻的受體模型，又進一步發展到受體模型的改進方法。這些事實從側面反映出人們對于空氣質量和大氣環境的重視程度逐漸增加。源解析技術已經取得了可喜的成就，但改進已有的源解析技術，研究創新出更準確的源解析技術，并以此探究顆粒源的來源和機理，仍然是當今人類面臨的艱難課題。因此，我們應加強源解析技術的解法和程序的研究，進一步對源成分普進行基礎性研究，使其能更準確地反映污染物的來源。

參考文獻:

[1]戴樹桂,朱坦,白志鵬.受體模型在大氣顆粒物源解析中的應用和進展[J].中國環境科學,1995,(04).

[2]United States Environmental Protection Agency.Receptor Model Technical Series,Volume III,EPA-450/4-90-004,1990, Research Triangle Park,A-3-A-9

[3]馮銀廠，白志鵬,朱坦.大氣顆粒物二重源解析技術原理與應用[J].環境科學，2002，23：106-108

[4]金蕾，華蕾.大氣顆粒物源解析受體模型應用研究及發展現狀[J].中國環境監測，2007,23（1）：38-41