大气颗粒物源解析研究方法比较与进展

第五章环境污染防治技术研究与开发１３９３・

大气颗粒物源解析研究方法比较与进展

吕森林１汪安璞１焦正２陈小慧２

（１上海大学环境与化学工程学院射线所）

（２中国科学院生态环境研究中心）

摘要首先对源解析的两类方法（扩散模型和受体模型）进行了分析对比，指出两类方法中存在

的问题，接着对受体模型中的主要研究方法进行了介绍，比较了它们的优缺点，并分析了源解析发展的特点，最后对今后开展此类研究提出了建议。

关键词大气颗粒物源解析扩散模型受体模型

一、引言

大气颗粒物是大气环境中组成复杂、危害较大的污染物之一按颗粒物的空气动力学直径大小分为总悬浮颗粒物（ＴＳＰ）、可吸入颗粒物（ＰＭｌｏ）以及超细颗粒物（ＵＦ）。它本身含有许多有毒有害物质，同时也是其它污染物的载体。１０｜ｌｍ以下的颗粒物会随着人的呼吸进入体内，有致癌作用，能引起肺组织纤维硬化等疾病；大气颗粒物还对生态环境、历史文物有严重的破坏作用。由于大气颗粒物的来源复杂，影响因素很多，既受人群活动的影响又受到气象条件等诸多因素的制约。为了有效控制大气颗粒物的浓度，提高空气质量，就必须了解大气中颗粒物的来源。在研究过程中，不仅要定性地识别大气颗粒物的来源，还要定量地计算出各种源对环境污染的贡献值（分担率），这就是源解析（ＳｏｕｒｃｅＡｐｐｏｒｔｉｏｎｍｅｎｔ）川。因此，弄清大气颗粒物的来源及各来源所占比例，对于防治颗粒物污染是一个非常重要而又复杂的课题，也是大气颗粒物研究领域的重要内容之一。源解析的结果不仅能够为制定大气污染防治规划提供科学的依据，而且对于确定污染治理有着十分重要的指导意义。

二、研究现状

自１９８０年以来，对大气颗粒物的来源识别、评价的方法主要有两种，一种是以污染源为对象的扩散模型（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｍｏｄｅｌ），另一种是以污染区域为对象的受体模型（ｒｅｃｅｐｔｏｒｍｏｄｅｌ）。对前者的研究及其应用已比较多，而对后者的研究及应用主要集中在大气污染物的研究中。美国、日本等国家从２０世纪７０年代起，Ｇ．Ｋ．ＦｒｉｅｄＬａｎｄｅｒ等人开始由排放源转移到受体对进行大气颗粒物的源解析，提出了化学质量平衡法（ＣＭＢ）、因子分析法（ＦＡ）、目标变换因子分析法（ＴＴＦＡ）等方法，形成了称为受体模型的研究体系，为源解析奠定了基础呓巧１。

我国直到８０年代中期和后期才有一些研究人员分别在北京市、天津市、重庆市、广州市、兰州市、唐山市等人巾城市开展大气颗粒物的源解析Ｔ作怕¨。可以说，源解析＿Ｔ作在巾国仍处于起步阶段，虽然在源成分谱方面积累了一定的资料，模式计算方面也获得一定的经验，但在源解析的全面性、准确性及评估源解析结果的可靠程度等方面与世界先进水平相比仍有很人差距。

（一）两种源解析方法的异同

扩散模型（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｍｏｄｅｌ）和・曼．奉模型（ｒｅｃｅｐｔｏｒｍｏｄｅｌ）都是描述环境质量变化规律的方法，但是他们的处理方法和作用不同。扩散模型（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｍｏｄｅｌ）是从模拟排放污染源的迁移与稀释方面描述环境质量的变化规律，而受体模型（ｒｅｃｅｐｔｏｒｍｏｄｅｌ）是根据污染源的特征与环境条件之间的关系，用统计的方法对环境质量的变化规律进行研究。两者的差异如下表ｌ所示。

１３９４・中国环境保护优秀论文集（２００５）

（二）受体模型的几种方法

受体模式按其取得资料的方法分为显微镜法和化学法，各类中又有各自的数学处理方法，如图１所示。现将常用的分析方法简述于下：

１．富集因子法（ＥＦ）是用于研究大气颗粒物中元素的富集程度，判断和评价其自然来源和人为来源。它是用元素的相对浓度，以双重归一化的方法处理资料，因而可以消除采样过程中受风速、风向，样品量的多少，离污染源的距离等可变因素的影响。因此，它比用元素的绝对浓度或单一的相对浓度来解析污染源的性质更为确切、可靠。颗粒物中待考元素ｉ与参比元素Ｒ的相对浓度（ｘｉ／ｘＲ）颗粒物和地壳中相应元素ｉ和Ｒ的平均丰度求得的相对浓度（Ｘｉ’／ＸＲ’）地壳，按下述的数学表达式求得富集因子（Ｅｎ

表１扩散模式和受体模式的比较

比较条件扩散模式．受体模式

必要的基木排放因子木环境与污染物的物理化学资料

本资料水气象条件（粒度分布，化学组成，形貌，状态等）

３Ｉｃ颗粒物的生成，变化，清除过程等颗粒物的区域分布等

木排放量预测，环境浓度预测木污染源对环境的浓度的

可得的结果水排放量与环境浓度之间的关系贡献率的定性定量确定

水为符合环境标准确定允许排放量木只能得出几种污染源的贡献率

，Ｉｃ排放量不易测准水不能知道每个污染源的贡献率

存在问题；Ｉｃ排放量的时间变化难以掌握木只限于被测颗粒物的地区

模式中的各种假设导致结果不确定性木不能预测

图１受体模式分析方法

（ＥＦ）地壳＝（Ｘｉ／ＸＲ）颗粒物／（Ｘｉ／ＸＲ）地壳

关于参比元素，常选用地壳中普遍大量存在的，人为污染源很小的，化学稳定性好、挥发性较底的元素。国际上多选用Ｆｅ，Ａｌ或Ｓｉ为参比元素。如果气溶胶中某种元素相对地壳的富集因子值较大时，表明该元素有了富集。

２．化学元素平衡法（ＣＥＢ）又称化学质量平衡法（ＣＭＢ），它是受体模式的一种。此法建立在这样的假设基础上，即颗粒物从排放源传输到采样点（受体）的过程中不发生任何量和质的变

第五章环境污染防治技术研究与开发・１３９５

化（无扩散和凝聚、无沉降、无化学转化等物理化学过程），颗粒物中各元素的组分是各污染源排放颗粒物元素组分的总和。也就是说，它们之间是呈线性组合的关系。根据质量平衡原理，可求出各污染源在给定采样点（受体）颗粒物样品中各元素浓度及其贡献率，表达式如下：、

Ｃｉ２ＥｍｊＸｕ

贡献率＝ｍｊ／ＣＩＸ１００％

其中Ｃｉ是从某采样点颗粒物中元素ｉ的浓度（１｜ｇ／ｍ３），ｍｊ是从污染源Ｊ排放的颗粒物浓度，ｘｉｊ是从污染源Ｊ排放的颗粒物中元素ｉ的浓度（魄／ｍ３）。Ｃｉ和Ｘｉｉ从实测可得到；再用最ｄ＂－－乘法求解ｍｉ，从而可求得各污染源颗粒物中各元素对采样点的份额，这就是贡献率。此法可定量污染的来源，但因各污染源排放出的颗粒物，总有粗细不同的粒度，受气象条件影响会沉降、吸附或发生化学转化，而不能传输到采样点。因此，线性组合的加和假设是不确切的，这会导致定量结果的不确切性。

３．因子分析法（ｆ’Ａ）是多元统计分析方法的一种，它的基本假定是从污染源到采样点之间，污染物在途中保持质量守恒，这是受体模式的共同要求；污染物中第ｉ种元素是由ｋ个污染源贡献的线性组合，这个污染源之间是互不相关的。这是因子分析法的基础；由各个污染源贡献的某元素的量（称为因子负荷ａｉｉ）应有足够的差别，并且它在采样和分析过程无变化。

基于上述假定，因子分析的数学表达式写为：

Ｚｉｊ＝ａｊｋＦｋｉ＋ｄｉｕｉ（ｋ＝１，２……ｍ）

式中ｚｉｉ是每个样品Ｊ中各元素ｉ的浓度ｘｉｊ，通过下式可以求得

ｚｕ２（强一Ｘｉｐ）／ｏｉ

ｘｉｐ是全部样品中元素的平均浓度，ｏｉ是ｘｉ分布的标准偏差

ａｉｋ是在第ｋ个源排放物中第ｉ种元素的含量（瞻／ｍｇ），称为因子负荷

Ｆｋｊ是第ｋ个源对第Ｊ个样品所贡献的质量浓度（垤／ｍ３），它对所有的ｉ种元素（变量）都有

贡献，称为公共因子

Ｕｉ是仅对第ｉ种元素有贡献的特殊源的排放量（．ｇ／ｍ３），称为唯一因子

ｄ；是唯一因子系数

ｍ是公共因子

因子分析的目的是从实测资料ｚｉｉ出发，根据它们之间的相关关系，从全部变量资料中综合、归纳出最少数目的公共因子，计算出因子模式中的各个因子负荷。

在此基础上，先后发展了主因子分析（ＰＦＡ）、目标变换因子分析（ＴｒＦＡ）等，它们都是通

（三）受体模式几种方法的比较。

受体模式的各种方法，各有其不同的技术和缺点。其中化学法的各种方法都受制于受体模式见表２。、

三、源解析技术发展的一些特点

１．由于采样技术有了很大进步，为源解析提供更详实的数据

从早期的ＴＳＰ采集，发展到按粗细颗粒两种粒度的采集，到近年来多达１２种大小粒度的多过找出每个主因子的负荷和因子数，结合源的特征元素知识，进行污染源的判断。主因子分析法在确定因子数方面比目标变换因子分析法简单易行，分辨源的能力也比目标变换因子分析法强些。但主因子分析法得不出源的组成，而这点正是目标变换因子分析法的优点…。。基本假设（线性组合），而显微镜法则不然。模式要通过大量数学计算处理，显微镜法则主要靠直接观测获得图象和数据，但前者可以得到定量结果，后者只能获得定性的、至多是半定量的结果，级采样器的应用，并对各级颗粒分别进行称重，无机元素，有机碳和元素碳的测定，气态硝酸和

・１３９６・中国环境保护优秀论文集（２００５）

颗粒态硝酸盐、总硝酸盐的测定，ＮＨ４＋离子的比色测定，Ｓ０２和Ｓ０４２。、Ｎ０２和Ｎ０３的同时采集与测定，以及用离予色谱测定ＮＨ４＋、Ｃｌ一，Ｆ一、Ｓ０４２一、Ｎ０３和Ｐ０４｝，这为成分谱的完善提供了基础资料。

２．分析测试技术有了显著发展

颗粒物样品的化学元素分析，从早期的ｘ射线荧光光谱（ｘＲＦ）、中子活化分析（ＮＡＡ）和原予吸收光谱（ＡＡＳ）分析发展到质子荧光光谱（ＰⅨＥ）、等离子发射光谱（ＩＣＰ—ＡＥＳ），以及近年来的等离子体质谱（ＩＣＰ—ＭＳ）。同时，由于带能谱的扫描电镜（ＳＥＭ—ＥＤＸ）和各种微探针技术，如核子微探针（ＮＭ）或扫描质子微探针（ＳＰＭ）、ｘ射线微探针（Ⅺ雌）和激光微探针（ＬＭＡ）等的应用隅１，可观测颗粒物的形貌、测定单个粒子的组分，大大提高和扩大了源解析需要的信息量。

表２受体模型几种方法的比较

方法技术内容与特点缺点源贡献率的推断

细粒粗粒

光学显微镜法可鉴定颗粒物的形状可鉴定大于２微米的颗粒

显微镜法颜色，表面结构，其它光学性质须有熟练的技术半定量

扫描电镜可观察１微米以下的颗粒价格昂贵，无定形物质不能使用半定量半定量带能谱的可识别颗粒物的粒径，形态价高，不适用有机颗粒定量定量扫描电镜兀素组分，分析速度快

大多数颗粒均可测定

因子分析法用颗粒物元素可得不同类型必须有一定数量的系统资料定量定量

污染源的贡献率，不需要

污染源的成分资料

化学质量根据实测资料，可定量贡献率必须有较完整的污染源成分，定量定量化学法平衡法对化学成分不清楚的污染源

不能鉴定

富集因子根据颗粒物中元素组分比的变化须有污染源成分资料半定量半定量

可推断污染源，方法简单易行对个别污染源不能判定

时间序列分析可推断污染源。比较简单一般不能推断个别污染源定性定性空间序列分析可推断污染源，比较简单不能获得源贡献率定性定性３．受体模型研究应用了同位素技术

特别是对Ｐｂ和Ｓ的同位素丰度的测定旧１，为了解人气污染物的认为源和天然源以及排放强度，提供了可靠的定量分析参数，而对１４Ｃ的测定可以区分当代