典型城市大氣顆粒物無機組分源解析

劉麗

（安徽省池州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，安徽 池州 247100）

0 引言

大氣顆粒物無機組分屬于城市大氣顆粒物的重要組成部分，其來源復雜，包括燃煤、工業(yè)生產(chǎn)、機動車尾氣、建筑揚塵等多種污染源。因此，對城市大氣顆粒物無機組分進行源解析研究，對于制定有效的污染控制策略具有重要意義。

1 研究方法

以池州市為例，通過對大氣顆粒物無機組分進行源解析，可以深入了解顆粒物的來源和成因。

1.1 正定矩陣因子分解

正定矩陣因子分解（PMF）是一種基于受體模型的源解析方法，具有獨特的優(yōu)勢。PMF 方法的核心思想是利用觀測數(shù)據(jù)和污染源特征之間的關(guān)系，通過數(shù)學分解，確定污染源的貢獻。與傳統(tǒng)的源解析方法相比，PMF不需要事先知道污染源排放清單，因此可以靈活地應用于各種情況。通過PMF 方法，對池州市大氣顆粒物無機組分進行源解析，可以同時解析多種污染源的貢獻，更全面地了解不同污染源對顆粒物形成的影響。

1.2 化學質(zhì)量平衡法

化學質(zhì)量平衡法（CMB）是基于質(zhì)量守恒原理的源解析技術(shù)，通過測量大氣顆粒物中各種化學元素或化合物的濃度，并結(jié)合污染源排放清單和化學轉(zhuǎn)化過程的相關(guān)信息，計算各個污染源對顆粒物的貢獻。通過CMB 方法，結(jié)合測量的大氣顆粒物化學組成數(shù)據(jù)和污染源排放清單中的化學組成信息，在對比之后，利用數(shù)學模型和統(tǒng)計學方法，確定各個污染源對顆粒物的貢獻比例。在此期間，質(zhì)量守恒原理起到了關(guān)鍵作用，即污染源排放的化學物質(zhì)總量，應等于大氣中化學物質(zhì)的總量[1]。

1.3 主成分分析法

主成分分析法（PCA）屬于常用的多元統(tǒng)計分析方法，可以用于處理大氣顆粒物的化學組成數(shù)據(jù)。通過PCA 方法，可以對大氣顆粒物的化學組成數(shù)據(jù)進行降維處理，將多個變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個主成分，從而簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在PCA 方法中，首先對大氣顆粒物的化學組成數(shù)據(jù)進行標準化處理，消除變量之間的量綱差異。然后，通過計算數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，得到各個變量之間的相關(guān)性。利用特征值分解技術(shù)，將協(xié)方差矩陣分解為若干個主成分，每個主成分都屬于原始變量的線性組合。通過分析主成分的特征值和對應的特征向量，可以確定每個主成分所代表的化學組成信息。

1.4 受體模型法

受體模型法主要用于估算大氣顆粒物污染源的貢獻。在受體模型法中，通常需要建立數(shù)學模型，描述顆粒物的傳輸和轉(zhuǎn)化過程?；跀U散方程、高斯煙羽模型或其他合適的數(shù)學方法，通過將觀測數(shù)據(jù)與模型進行擬合，可以估算各個污染源對受體處顆粒物的貢獻份額。

受體模型法的優(yōu)點在于，不需要直接測量污染源的排放量，而是利用觀測數(shù)據(jù)進行反推。因此，該方法適用于無法直接獲取污染源排放數(shù)據(jù)的情況。然而，受體模型法也存在一些限制和不確定性。模型的準確性和可靠性，取決于觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量、模型的合理性，以及對污染源特征和傳輸過程的準確描述。因此，在應用受體模型法時，需要做好充分的數(shù)據(jù)分析和驗證，確保解析結(jié)果的可靠性。

1.5 擴散模型法

擴散模型法主要基于大氣擴散理論的源解析，通過模擬污染源排放的污染物在大氣中的傳輸和擴散過程，估算不同污染源對受體的貢獻。在擴散模型法中，首先，需要獲取污染源的排放信息，包括排放量、排放物種和排放高度等。其次，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和地形信息，將污染源的排放量轉(zhuǎn)化為在大氣中的濃度分布。再次，通過數(shù)值模擬或解析方法求解擴散方程，預測污染物在大氣中的傳輸和擴散過程。最后，將模擬得到的污染物濃度分布，與受體處的觀測數(shù)據(jù)進行比較，通過數(shù)據(jù)擬合或反演算法，估算不同污染源對受體的貢獻。此時，可以確定各個污染源對受體的影響程度，并為污染控制和環(huán)境管理提供科學依據(jù)[2]。

擴散模型法在大氣污染研究和環(huán)境管理中具有重要的應用價值，可以幫助了解污染物的來源和傳輸路徑，識別主要污染源，并制定有效的污染控制策略。然而，擴散模型法的準確性和可靠性受到模型的復雜性、輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及對不確定性的評估等因素的影響。因此，在應用擴散模型法時，需要通過充分的驗證，并做好不確定性分析，確保解析結(jié)果的準確性和可靠性。

2 選擇合適源解析方法的相關(guān)措施

2.1 研究目的

不同的源解析方法適用于不同的研究目的。例如，如果研究的主要關(guān)注點是污染源的時空分布情況，擴散模型法可能屬于更適合的選擇。擴散模型法可以模擬污染物在大氣中的傳輸和擴散過程，從而估算不同污染源對受體的貢獻，并且能夠可以提供污染源的空間分布信息，對了解污染源在不同時間和地點的排放情況提供幫助[3]。

相反，如果研究的主要關(guān)注點是污染源的化學組成，那么化學質(zhì)量平衡法或主成分分析法將更適合。化學質(zhì)量平衡法基于質(zhì)量守恒原理，通過測量大氣顆粒物中化學元素或化合物的濃度，并結(jié)合污染源排放清單和化學轉(zhuǎn)化過程，計算各污染源的貢獻。主成分分析法則是多元統(tǒng)計分析方法，可以針對大氣顆粒物的化學組成數(shù)據(jù)，通過降維處理的方式，提取主要成分并確定其來源。

因此，在選擇源解析方法時，需要根據(jù)研究目的和可用數(shù)據(jù)，在綜合考慮之后選擇合適的類型。不同的方法具有各自的優(yōu)勢和適用范圍，合理選擇合適的源解析方法，可以提高研究的準確性和可靠性。

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量

源解析方法的準確性和可靠性，在很大程度上取決于所使用數(shù)據(jù)的質(zhì)量。因此，在選擇合適的源解析方法之前，需要對數(shù)據(jù)的準確性、完整性和代表性進行評估。

數(shù)據(jù)的準確性是指測量或觀測數(shù)據(jù)與真實值之間的接近程度。如果數(shù)據(jù)存在測量誤差或錯誤，將會影響源解析結(jié)果的準確性。因此，需要加強對數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制，并通過驗證，確保數(shù)據(jù)的準確性。

數(shù)據(jù)的完整性是指數(shù)據(jù)是否包含了所有相關(guān)的信息。如果數(shù)據(jù)存在缺失或遺漏，可能會導致源解析結(jié)果的不準確。因此，需要加強對數(shù)據(jù)的審核和篩選，確保數(shù)據(jù)的完整性。

數(shù)據(jù)的代表性是指數(shù)據(jù)是否能夠代表研究對象的總體特征。如果數(shù)據(jù)只是研究對象的一部分或存在偏差，可能會導致源解析結(jié)果的偏差。因此，需要分析和評估數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的代表性。

2.3 污染源特征

污染源解析屬于環(huán)境監(jiān)測和治理的基礎(chǔ)工作，旨在識別和分析造成環(huán)境污染的源頭。不同的污染源具有各自獨特的特征，例如排放強度、排放方式、化學組成等，其特征決定了后續(xù)對污染源解析方法的選取。

首先，排放強度。某些污染源可能具有較高的排放強度，如工業(yè)排放、汽車尾氣等，污染源對環(huán)境的影響更為嚴重。針對此類污染源，需要采用高效、可行的監(jiān)測手段，確保能夠?qū)ζ渥龊脺蚀_、實時的監(jiān)測。

其次，排放方式。排放方式包括大氣排放、水體排放、土壤排放等，不同排放方式的污染源，污染物質(zhì)在環(huán)境中的傳播和轉(zhuǎn)化規(guī)律有著各自的特點。因此，在選擇污染源解析方法時，需充分考慮排放方式的影響，保證解析結(jié)果的準確性。

最后，化學組成。污染源化學組成的復雜性，決定了解析期間的難度。某些污染源可能含有多種有害物質(zhì)，如重金屬、有機物等。針對此類污染源，需要運用多種分析技術(shù)，如光譜、色譜等，便于詳細分析其化學組成[4]。

2.4 時間和空間分辨率

作為環(huán)境科學研究中的關(guān)鍵技術(shù)手段，源解析方法可以幫助識別和分析環(huán)境污染的源頭。然而，不同的源解析方法具有不同的時間和空間分辨率，旨在滿足不同的污染源特征和應用需求。

擴散模型法可以提供較高的時間和空間分辨率，結(jié)合污染物質(zhì)的擴散過程，通過數(shù)學建模的方式，可以有效模擬污染物在環(huán)境中的傳播和變化。然而，擴散模型法的局限性在于，需要大量的計算資源和專業(yè)技能作為支撐。因此，在實際應用中，擴散模型法更適合于對污染源的深入研究，以及需要精確解析的場合。

相比之下，化學質(zhì)量平衡法和主成分分析法，通常適用于較低的時間和空間分辨率?；瘜W質(zhì)量平衡法主要通過測量各種污染物的濃度，結(jié)合化學反應原理，推斷污染源的種類和排放量。主成分分析法屬于數(shù)據(jù)降維技術(shù)，可以將大量污染指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個主成分，從而簡化問題，提高分析效率。盡管上述兩種方法在時間和空間分辨率上相對較低，但在資源和能力有限的條件下，仍然具有較好的實用性和廣泛的應用前景。

不同的源解析方法因其獨特優(yōu)點和局限性，在實際應用中有著不同的時間和空間分辨率。擴散模型法適用于高分辨率的污染源解析，但需要較大的計算資源?；瘜W質(zhì)量平衡法和主成分分析法，適用于較低的分辨率，具有較強的實用性和廣泛的應用場景。在選擇合適的源解析方法時，需要綜合考慮污染源的特征、研究目標和實際條件，獲得最優(yōu)解析效果。同時，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，新的源解析方法也在不斷涌現(xiàn)，并提供更多選擇和可能性。在未來，環(huán)保工作者應積極掌握和運用各類源解析技術(shù)，為我國環(huán)境監(jiān)測和治理提供更為精準和有效的支持。

2.5 綜合分析

在環(huán)境科學研究中，選擇合適的源解析方法至關(guān)重要。源解析方法可以幫助識別和分析污染物的來源，為環(huán)境管理和政策制定提供科學依據(jù)。然而，不同類型的源解析方法各有優(yōu)劣。因此，在實際應用中，需要綜合考慮多種因素，采用多種方法做好綜合分析，提高解析結(jié)果的準確性和可靠性。

首先，考慮污染源的特征。不同的污染源可能有不同的排放特性，例如排放量、排放速度、化學成分等。因此，在選擇源解析方法時，應針對具體污染源的特點選擇合適的類型，保證解析結(jié)果的準確性。

其次，研究目標和實際條件，屬于選擇源解析方法的重要因素。根據(jù)研究目的，需要確定所需的時間和空間分辨率。高分辨率的應用場景，通常需要更復雜的計算資源和專業(yè)技能，而低分辨率方法則相對簡便。同時，實際條件也會影響源解析方法的選擇，如樣本量、數(shù)據(jù)質(zhì)量等。

最后，還應關(guān)注源解析方法的穩(wěn)定性和適用性。某些方法在特定條件下，可能表現(xiàn)出較好的解析效果，而在其他條件下則可能失效。因此，在選擇源解析方法時，要充分了解其在不同條件下的表現(xiàn)，并結(jié)合實際應用需求做好權(quán)衡[5]。

在實際操作中，為提高解析結(jié)果的準確性和可靠性，可以采用多種源解析方法，為綜合分析環(huán)節(jié)提供幫助。通過對不同方法分析結(jié)果的對比和融合，可以有效降低誤差，提高解析結(jié)果的可信度。同時，還應不斷關(guān)注新技術(shù)和新方法的發(fā)展動態(tài)，及時更新和完善現(xiàn)有的源解析技術(shù)。

3 結(jié)果與討論

（1）以2023 年11 月池州市顆粒物組分自動監(jiān)測結(jié)果分析，移動源、二次源、燃燒源、工業(yè)源、揚塵源是池州市大氣顆粒物無機組分的主要污染源，其實際貢獻分別為40.2%、36.3%、11.7%、6.0%和5.7%，上述污染源對池州市大氣顆粒物的形成和分布起著重要作用。

（2）池州市顆粒物濃度受污染傳輸影響較大。池州市秋冬季主導風向為東北風，濕度較高，不同季節(jié)污染源的貢獻差異較小，均以移動源與二次源為主。11 月4 日為PM2.5污染日，污染時段PM2.5重構(gòu)組分濃度排序為有機物＞硝酸鹽＞銨鹽＞硫酸鹽＞其他，污染源以燃燒源貢獻為主，不利氣象條件是本次污染的主要原因之一；11 月17 日為PM10污染日，主要受內(nèi)蒙地區(qū)沙塵遠距離傳輸影響，污染期間PM2.5主要組分為地殼物質(zhì)。移動源在污染期間貢獻較小，說明受污染傳輸影響較大。

（3）11 月池州市非工作日期間PM2.5重構(gòu)質(zhì)量濃度高于工作日，非工作日相較于工作日期間受二次源、移動源和燃煤排放的影響更大；工作日相較于非工作日期間受揚塵源影響更大，說明建筑施工操作對顆粒物影響明顯。

綜上所述，池州市大氣顆粒物組分主要污染源是移動源、二次源、燃燒源、工業(yè)源、揚塵源，其實際貢獻分別為40.2%、36.3%、11.7%、6.0%和5.7%。不同污染擴散條件和時空分布對空氣中顆粒物濃度影響顯著空，為制定有針對性的污染控制策略提供了科學的依據(jù)。

4 結(jié)語

相關(guān)結(jié)果表明機動車尾氣、揚塵和散煤、秸稈、垃圾等露天焚燒行為是池州市大氣顆粒物無機組分的主要污染源。針對上述污染源，從研究目的、數(shù)據(jù)質(zhì)量、污染源特征、時間和空間分辨率、綜合分析等方面，提出一系列有效措施，以期為改善池州市大氣環(huán)境質(zhì)量提供參考。