基于C MB和P C A法解析城市灰霾期P M1 0污染來源

王敬元 黃麗坤 朱永亮 張曉慶 陳婷婷

(哈爾濱商業大學 食品工程學院，黑龍江 哈爾濱150076)

0 引言

近年來，隨著我國城市規模的逐漸擴大，對城市內的空氣質量有一定影響，特別是最近幾年灰霾事件頻發，對大氣環境和身體健康產生了極大危害。根據環境監測站統計的數據，顆粒物是城市主要的大氣污染物。研究大氣顆粒物污染源及其與下游污染物相關性的方法很多，其中包括主成份分析法、富集因子分析法、化學質量平衡受體模式等，特別是化學質量平衡受體模式應用比較廣泛，具有可靠的穩定性及研究結果的準確性。根據大氣顆粒物污染特征，以污染源解析結果為依據，提出城市重點治理污染源，并結合目前存在環境問題和管理現狀，進一步提出建議性的相關環境對策。

1 數據采集及解析方法

1.1 數據采集

對灰霾期哈爾濱商業大學校園大氣可吸入顆粒物進行了采樣，采樣時段是2012年1月2日～11日，采樣天數為10天,采樣流量為120 L/min，采樣器為中流量總懸浮微粒采樣器，儀器自動記錄采樣時間和體積，采樣濾膜為石英纖維濾膜，采樣后的塵膜要干燥48小時后稱重，用重量法計算顆粒物的質量濃度，并對顆粒物進行了化學成分分析，濃度數據和化學成分均來自哈爾濱市環境監測站和課題組前期的采樣及分析結果。

1.2 解析方法

1.2.1 主成分分析法（PCA）

利用SPSS統計軟件對顆粒物主成分進行PCA分析，得出顆粒物的主成分類別、貢獻量及貢獻率，通過軟件計算，提取特征值大于2的因子特征值、方差貢獻率，提取的因子需概括原始變量80%以上的信息，才能全面地反映真實的主成分特征，可用其特征參數進行污染源的判定。

1.2.2 化學平衡模型（CMB）

利用CMB進行污染源解析時，采用臺灣和美國源樣品化學成分譜作為CMB受體模式源數據，選擇源樣品化學指紋時，注重污染源種類、污染源特性一致，使其指紋庫中的源樣品數據盡量與哈市污染源化學特性一致，重點對比土壤類型、交通設備、燃料性質、煤質以及燃燒設備等，以保證源解析結果的準確性。在受體模式運行時，應保證三個參數達標，即R須控制在0.8到1.2之間且越接近于1精度越高，DF應大于6，PERCENT MASS應在80%到120%之間且越接近于100%解析的越充分。下表所示。

表1 方差極大正交旋轉因子載荷矩陣

表2 PM10中元素的富集因子

2 結果與討論

2.1 PCA和CMB的定量分析

經過PCA和CMB的定量分析，通過比較兩種方法的分析結果可準確推估灰霾期顆粒物的污染來源。較廣泛，具有可靠的穩定性及研究結果的準確性。利用統計軟件SPSS 19.0對32個大氣顆粒物PM10樣品的數據進行了主因子分析，主因子分析過程中剔除在各主因子中貢獻均極低的3個變量Ca2+、Al、Ca，最終所選取的變量數為29種，如下表所示

根據方差極大正交旋轉因子載荷矩陣（表1）和元素的富集因子（表2）對得到的4個主因子所代表的污染源類型解析如下：主因子l中載荷較高的組分是 SO42+：0.892，NO3-：0.796，Mn：0.898，S：0.967，Si：0.858，Ti：0.661，Ba：0.873，Cd：0.611，Cr：0.644，TC：0.963，OC：0.976。這一因子對大氣顆粒物PM10的方差貢獻率為43.834%。主因子2中載荷 較 高 的 組 分 是 K+：0.919，Mg2+：0.969，Na+：0.955，Cl-：0.908，Na：0.759，Pb：0.955，Sr：0.980。 這一因子對大氣顆粒物 PM10 的方差貢獻率為25.097%。 主因子3中載荷較高的組分是 F-：0.760，Ni：0.888，V：0.920，Zn：0.983，As：0.941，Cu：0.707，Fe：0.935，K：0.661。 這一因子對大氣顆粒物PM10的方差貢獻率為21.404%。主因子4中載荷較高的組分是NH4+：0.561，EC：0.572。這一因子對大氣顆粒物PM10的方差貢獻率為7.446%。

2.2 各源對PM10中化學組分的分擔率解析

在定性識別污染源類型的基礎上，通過對主因子分析過程中所得到的方差極大因子載荷矩陣和因子得分系數矩陣進一步處理來計算絕對因子載荷和絕對主因子得分矩陣，從而定量計算出各源對PM10,及各化學組分的分擔率及貢獻值.利用絕對主因子法不僅可解析出各源對PM10的分擔率及貢獻值，還可解析出各源對PM10中化學組分的分擔率及貢獻值，結果參見表3和圖1。

表3 各源對PM10中化學組分的分擔率解析結果

圖1 各源對PM10的分擔率

由表3可知，建筑水泥塵，機動車尾氣塵，煤煙塵是環境空氣中PM10的首要污染源，其對PM10的分擔率至43.834%，土壤風沙塵和工業粉塵是對PM10貢獻較大的另外兩個重要的污染源，分擔率分別占到25.097%和21.404%，大氣顆粒通過化學反應的二次來源對PM10的貢獻較小，分擔率為7.446%。從表中不僅可以比較清楚地了解到PM10中各化學組分來源的具體情況，而且還可用這些數據再次驗證上述對污染源類型的判斷。

3 結論

（1）主成分分析法表明，Pb，S，Zn，Cd，Cu，As這 6 中元素來源于人為排放；Na，Pb，Sr，Mn，Ni，Ti，Ba，Cr，Fe，K 這些元素的富集因子大于1小于10，主要來源于是自然污染，但也存在人為因素；Mg，V，Si這些元素的富集因子小于 1，主要來自自然源污染；Pb，S，Zn，Cd，Cu，As這6中元素的富集因子變化及差異較大,說明人為污染很嚴重。

（2）CMB的解析結果表明：城市的主要污染來源交通塵、揚塵、煤煙塵、工業粉塵四類，其中交通塵的平均貢獻率最高，揚塵在春季的貢獻率最高，工業粉塵在夏季的貢獻率最高,煤煙塵在冬季的貢獻率最高。

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