PDF《我国大气颗粒物来源及特征分析》

2011 年第

5 期・16・ 在我国近30个大中城市的源解析工作中得到了广泛 的应用,成为我国研究大气颗粒物来源的最重要手 段之一.研究中使用的具体模型包括:化学质量平 衡模型、正定矩阵分解模型、主因子分析法等. 化学质量平衡模型是目前应用最广泛的受体 模式.它是在确定了对颗粒物有贡献的各类源的 详细化学组分(源谱)的基础上,计算各类源对 受体颗粒物浓度的贡献值.其优点在于原理简 单、明确,但对源谱的依赖性强,需要建立完 整、准确且不断更新的源谱信息库.正定矩阵分 解模型可以在没有颗粒物来源的详细化学组分信 息的情况下,在大样本量的数据的基础上,利用 约束条件同时解析出各类源的源谱和贡献.但其 不能对源谱相似的源进行区分,且使用过程相对 复杂,需要有经验的使用者识别判断,对使用者 的要求较高.主因子分析法是通过研究多个指标 的相关矩阵的内部依赖关系,减少变量维数,用 少量的变量解释整个问题.但其需要与其他方法 结合使用,才能得到各类源的绝对贡献值,如排 放清单或者扩散模型等. 另一种估算源贡献的方法是将扩散模型和源 清单相结合,计算某个点源或者某一类源的贡 献.这种方法的优点是可以获得空间的来源分布 特征,不像受体模型只能对受体点的贡献进行研 究.另外,这种方法还在情景分析或者是分析控 制措施效果方面具有优势.但是这种方法需要的 源排放清单具有很大的不确定性,特别是一些人 为无组织排放源、天然源和二次细粒子源的参数 难以确定.整体来讲,受体模型和扩散模型各有 特点,他们的结合能用于改进源清单以及评价模 型对每个源的模拟情况.

2 中国大气颗粒物来源总体特征 2000年以来,我国环境研究者已对近30个城 市的大气颗粒物进行了源解析工作,为分析我国 大气颗粒物的来源提供了重要基础.通过对这些 研究的分析,总结出我国城市大气颗粒物来源的 总体特征. 2.1 扬尘源是我国大部分地区可吸入颗粒物(PM10)的重要来源 扬尘是指地表松散物质在自然力或人力作用 下进入到环境空气中形成的大气颗粒物,其主要 包括土壤风沙尘、道路扬尘、建筑水泥尘等.土 壤风沙尘直接来源于裸露地表的颗粒物,对于某 城市而言,除了本地及周边地区的风沙尘外,还 包括长距离传输的沙尘.道路扬尘是道路上的积 尘在一定的动力条件的作用下,一次或多次扬起 并混合,进入环境空气中的大气颗粒物.建筑水 泥尘指在城市市政建设、建筑物建造与拆迁、设 备安装工程及装修工程等施工场所和施工过程中 产生的大气颗粒物. 扬尘源的化学组分含量与尘源和地域有密切 的关系.总体来讲,Si、Al、Ca等地壳元素在三 种源中含量都很高,其中建筑水泥尘的Ca元素比 例显著高于其他两种源,而道路扬尘中会存在更 多的有机物.由于道路扬尘的最主要来源是土壤 风沙,两者有很强的共线性问题,有时会将两者 视为一种源考虑. 研究表明,土壤风沙尘与道路扬尘是我国城 市大气颗粒物中最重要的贡献源.在我国北方城 市(如北京、天津、沈阳、安阳、太原、济南、 乌鲁木齐等)土壤风沙尘与道路扬尘之和可占 PM10的30%-50%,个别城市(如银川)更高达 60%以上.南方城市情况稍好,如南京、广州、 杭州等城市的土壤风沙尘与道路扬尘在城市PM10 质量浓度的分担率在5%-34%范围内.此外,我 国正处于城市建设的高峰时期,建筑、拆迁、道 路施工及堆料、运输遗落等施工过程产生的建筑 水泥尘,也成为城市颗粒物重要的来源.建筑水泥 尘在不同城市之间的变化幅度很大,在北方城市如 天津、沈阳、济南、太原等,通常占PM10质量浓度 的3%-13%,但在个别南方城市如广州、杭州等对 PM10的贡献可达22%,其重要性不可忽视.从季节 来看,春季是扬尘源比例最高的季节. 扬尘源对PM10有较大贡献,但是对PM2.5贡献 不大,对人体健康的负面影响比燃烧源产生的颗 粒物小.因此,扬尘源的控制,尽管对满足国家 PM10控制标准很重要,却不是控制PM2.5和降低颗 粒物健康影响的重要内容. 2.2 煤烟尘在全国范围内有较大贡献 煤是我国主要的工业和民用燃料,在我国 2008年的能源消耗结构中,煤炭占68.7%.煤完全 胡敏等:我国大气颗粒物来源及特征分析 ・17・ 燃烧的产物主要是二氧化碳和水蒸气.然而,不 完全燃烧过程将产生煤烟尘、CO和挥发性有机物 VOCs等不完全氧化产物.含有硫的煤在高温燃烧 过程中,会产生SO2和NOx等.煤烟尘的化学组成 随燃烧状态以及煤炭质量的不同差异很大,主要 包括有机物、碳黑以及Si、Ca、Fe等元素.在我 国,火力发电厂、钢铁厂的大型锅炉,城市采暖 季节使用的供暖锅炉,生活用的小炉灶等都是煤 烟尘的主要来源. 受能源结构影响,煤烟尘对我国城市的PM10 浓度都有重要贡献.研究结果显示我国绝大多数 城市煤烟尘对PM10的年均贡献在15%-30%之间, 中小城市的贡献尤为突出,煤烟尘污染呈现明显 的冬高夏低的季节变化,采暖期和非采暖期煤烟 尘占PM10的比例分别为5%-30%和20%-45%. 2.3 工业源排放是工业城市PM10的重要来源 工业生产过程种类繁多,生产过程都会产生 种类不同的大气颗粒物,多数集中在细和超细颗 粒物.对于不同的工业类型,污染源排放的颗粒 物的特征组分也不尽相同.工业源中某些特征元 素或化学组成被用来识别相应的颗粒物来源,例如,钢铁行业排放的颗粒物中富含Fe、Ca、Si等 元素,并以Fe、Mn元素为识别钢铁行业排放的特 征组分;