大气污染来源解析技术研究现状

　　随着工业经济的发展，全球大气环境污染问题越来越严重，给地球和人们的生活造成了巨大的危害。空气质量是人们健康生活的保障，有效解析大气污染，然后采取有针对性的治理措施是一项重要的工作，这关系到社会发展和人们的健康。

　　1 大气颗粒物及其危害

　　悬浮在大气中的颗粒物俗称大气颗粒物，它是一个物理形态和化学组成都非常复杂的集合物质名称，是大气中的不定组分之一。按照空气动力学直径的不同，可将其分为总悬浮颗粒物 TSP、降尘和飘尘。而飘尘又可分为 PM10和 PM2.5,由于它们粒径小，能被人直接吸入呼吸道内，损害人们的身体健康，所以，近年来，它们备受社会各界的关注。研究表明，PM10经过呼吸道可以进入人体，而 PM2.5甚至还能进入肺泡。调查显示，3~15 岁儿童的呼吸道发病率上升与 PM10有很大的关系。

　　大气颗粒物可以影响气候效应。研究发现，PM2.5与能见度有密切的关系，它可以降低能见度。大气颗粒物降低能见度主要是通过其对光的散射和吸收来减弱光的信号。大气颗粒物对温度也有一定的影响。研究表明，它的危害程度是温室效应的 2 倍多。

　　同时，大气颗粒物还会影响降雨--大气中的这些颗粒物会与水汽结合，在降雨时影响雨水的酸碱度，这些颗粒物的酸碱度就会成为酸化或碱化的主导因子。而酸雨会损坏各种建筑物，这些都会直接影响社会经济效应。另外，大气颗粒物还会通过其他方式影响农作物的生长和发育，从而减少农作物的产量等。

　　由此可见，环境空气质量与我们的生活息息相关，空气质量是影响人们生活健康的一个重要因素。治理大气污染、制订大气污染防治规划的核心是确定大气中的污染物及其来源。只有了解大气污染的来源，才能做好防护治理工作。大气污染源解析技术是区分和识别大气污染物复杂来源并定量分析其源贡献率的一种技术方法，是确定各种排放源与环境空气质量之间响应关系的枢纽，是控制和治理大气污染的一个重要而又复杂的课题。

　　2 源解析技术

　　大气污染来源解析技术的数学模型主要是指扩散模型和受体模型。扩散模型（源模型）是一开始以污染源排放清单的分析和以污染源排放清单为基层的模型。20 世纪 60 年代末，受体模型首先被 Blifford 和 Meeker 提出。受体模型被广泛应用是因为使用该模型分析不需要追踪污染物的迁移过程，并且不受局部区域气象、气候和地形等条件的限制等。受体模型的主要研究方法包括显微镜法、物理法和化学法 3 种。其中，化学法发展最成熟，主要有化学质量平衡法（CMB）、二重源解析法、因子分析法（FA）和富集因子法（EF）等。

　　2.1 CMB 模型

　　化学质量平衡法是根据多种排放源的颗粒物组成质量浓度分解为一组由各类源贡献的组合的方法，并遵守质量守恒定律，利用有效方差最小二乘法解出各类源对颗粒物质量浓度的贡献。1972 年，化学质量平衡法被 Miller 等提出，一开始命名为化学元素平衡法（CEB），1980 年，Cooper 和 Watson 将其改为化学质量平衡法。

　　目前，CMB 被广泛应用于 PM10、PAHs、VOCs 等的来源解析中。对 CMB 模型的假设有以下几种：①污染源种类小于或等于化学组分种类；②各种排放源类排放的颗粒物化学元素有明显的差别；③各种排放源类所排放的颗粒物的化学组分相对稳定，它们之间不会相互影响；④各源类颗粒物之间不会相互作用，并且可以忽略其在传输过程中的变化；⑤所有成分谱是线性无关的；⑥测量的不确定度是随机、符合正态分布的。

　　由此可以认为，化学组分的质量浓度等于每种源类化学组分的含量值和源贡献值的线性加和。用公式可表示为：【1】

　　
　　式（1）中：Ci代表颗粒物化学组分 i 的质量浓度测量值，ug/m3;Fij代表第 j 类源的化学组分 i 的含量测量值，ug/ug;Sj为第 j类源贡献的质量浓度计算值，ug/m3;i 代表化学组分的数目；j代表源类的种数。

　　化学质量平衡模型的算法主要有有效方差最小二乘法、普通加权最小二乘法、示踪元素法、线性程序法和岭回归加权最小二乘法等。其中，有效方差最小二乘法是最常用的算法。CBM模型是国内外研究最多、应用最广的受体模型，因为其发展成熟、原理简单、解析结果符合实际，可以分析多种来源体系。

　　苏国鑫详细介绍了 CMB 模型在大气颗粒物 PM2.5 源解析中的应用原理和过程，以便分析 PM2.5 的源。

　　CMB 模型的缺点是：①用此方法分析相关内容时，需要收集详细的污染源成分谱，这需要消耗大量的人力和财力；②在解析过程中，如果污染物的化学性质不稳定，那么，得出的结果就可能会有很大的误差；③如果污染源的成分相似，那么，得出的成分谱有可能出现共线现象。

　　2.2 FA 模型

　　因子分析法是从研究变量内部之间依赖关系出发的，将一些具有错综复杂关系的变量归结为少数几个综合因子的一种多变量统计分析方法。该方法的基本思想是，直接分析受体样品的化学成分，根据它们之间的相互关系综合总结得出公因子，并且计算出每个因子载荷，通过分析各因子载荷情况，并结合现有元素知识来简化数据得出结果，从而推断出污染源的类型。在国内外，将 FA 模型应用于大气颗粒物污染来源解析的研究比较多，并且有很好的效果。

　　FA 模型也是建立在质量守恒基础上的。关于 FA 模型有 3个假设：①在污染物从排放源到采样点的传输过程中，可以忽略质量变化；②污染物中某种元素是多个互不相关的污染源贡献率的线性组合；③由各个污染源贡献的某元素的量差别比较大，采样和分析期间的变化比较小。

　　假设每个化学组分是各种源类贡献的代数和，则可将源贡献分为 2 个因子的乘积，分别为污染源对采样点处颗粒物贡献的质量浓度和污染源排放的单位质量颗粒物中所含的该元素的量。具体公式是：【2】

　　
　　式（2）中：Xij为元素的质量浓度，ug/m3;αij为因子载荷，ug/mg;fkj为公共因子，mg/m3;di为唯一因子系数，ug/mg;ui为唯一因子，mg/m3;εi为元素 i 的测量过程。

　　其他产生的误差用矩阵可以表示为：X=AF+DU+ε。 （3）因子分析法就是从实际数据出发，根据它们之间相互关系，从全部变量中归纳总结出最少数目的公因子，并且计算出各个因子的载荷。

　　2.3 Unmix 模型

　　Unmix 模型是一种解决混合问题的多元线性模型，通常运用于混合物或对多元受体建模时不能识别的情况下。在这些问题中假设一些附加条件，那么，便可以得到单一解。Unmix 的工作原理就是找到边缘点（指在多维空间里，一些数据的贡献源不存在或比其他来源贡献小的点），并且找寻与这些点拟合的一个超平面，把这个超平面称为一个边。每个边限定了对单一源没有贡献的点，即这是一个只有一个贡献源的点，这个点是各个源的混合体。根据这种方法，可以计算源的最合适贡献值。

　　2.4 EF 模型

　　富集因子法是用于研究大气颗粒物中元素的富集程度，定量分析污染物某元素的状况，判断和评价元素的自然来源和人为来源的一种分析方法。通常情况下，它是将有固定的参比元素作为指标，比如国际上常用的 Fe、Al 或 Si 元素，分析大气污染状况的一种源分析模型。其计算公式是：【3】

　　
　　式（4）中：R 为参比元素；i 为颗粒物中待考察的元素；Xi、XR分别为颗粒物中元素 i、R 的质量浓度；X′i、X′R为 i 和 R 的地壳丰富度。

　　EF 值越大，富集程度就越高，人为源的贡献就越大。根据富集因子的大小可以将元素分为2类：①当富集因子小于10时，则认为是自然源，没有富集成分；②当富集因子为 10~104 时，则认为是被富集，来源于人为污染源。于令达等人利用此方法分析研究了 2008 年北京采暖前后大气颗粒物的化学成分，并分析对比了富集因子。结果表明，该方法能够很好地分析各元素的富集值。

　　3 结束语

　　综上所述，我国对大气颗粒物源解析技术的研究还处于起步阶段，在大气颗粒物的解析方面，只能研究单一源的解析。

　　解决环境空气质量问题是我们健康生活的保障，所以，一定要不断发展和完善源解析技术，不断总结经验，解决其中存在的问题。只有这样，才能更好地解析大气颗粒物和空气的污染情况，并采取有效的治理措施。

　　参考文献
　　
　　[1]苏国鑫。化学质量平衡受体模型在大气细颗粒物 PM2.5 源解析中的应用[J].环境，2011（S1）。
　　[2]郝明途，高健，戴晓燕，等。大气颗粒物化学质量平衡源解析方法研究[J].环境科学与管理，2011（12）。