化學質量平衡法在污染源解析中的應用研究

李雯香 秦培智 唐晗

摘要：選定受體模型中應用較為廣泛的化學質量平衡法作為研究對象，闡述了其定義、原理及存在的優缺點，并從在大氣、水、沉積物3個方面，分析了化學質量平衡法在其中的應用。結果表明：現階段對于該模型的應用，仍以大氣和沉積物研究為主，在水污染源解析工作中應用相對較少。

關鍵詞：源解析;化學質量平衡法;應用

中圖分類號：X513 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）14-0201-02

1引言

源解析最早應用于大氣污染物的研究，美國從20世紀70年代開始進行大氣污染源解析研究.近年來，源解析逐漸被運用到水體以及土壤中。化學質量平衡法是源解析中較為成熟且應用廣泛的一種方法，屬于受體模型之一，被美國環保局（USEPA）推薦使用，也是在我國源解析研究中使用最廣泛的方法。

2化學質量平衡法的定義及原理

1972年，miller等首次提出基于化學元素法的計算等式，其后Cooprer和Watson將其正式命名為化學質量平衡法（以下簡稱CMB）。該方法基于各污染物指紋譜的差異，依據質量守恒定律，通過檢測受體中各種物質的含量來確定各類污染源的貢獻率。即受體中某種化學組分的濃度就是各排放源中該組分的濃度與貢獻率乘積的線性加和，其數學表達式為：

3CMB的優缺點

3.1優點

一是原理簡單易懂，算法成熟，應用較為簡單，解析結果更加接近現實情況;二是不需要大量的樣品采集，只從一個受體面就可以得出結果;三是能間接的檢測出是否存在遺漏的內容，可求解得出具體源對受體貢獻的絕對值和相對貢獻率，便于提出污染削減對策。

3.2缺點

一是在應用前要進行較為詳盡的污染成分譜調查，需要同時輸人污染源成分譜與受體成分譜;二是對污染源的確定存在一定猜測成分，對同一污染源不同污染物種類的分辨存在一定局限性;三是需要解決如何區分不同時間、工廠、天氣狀況等條件下排放源排放成分不同的問題;四是由于水體中溶解態、懸浮態和沉積物之間遷移、轉化、釋放等機理較為復雜，模型中的一些假設條件對于水體不成立，在水環境中的應用受到限制。

4CMB模型的應用綜述

4.1在大氣污染源解析中的應用

目前，CMB模型的應用大多集中在大氣污染源解析方面。

2009年，張華分別采用CMB和PNB兩種模型對煤炭工業城市徐州的大氣顆粒物進行源解析。研究表明：2個模型所獲取的結果一致。徐州市對TSP的貢獻最大的是建筑、燃煤、土壤及鋼鐵冶煉4個類源;對PMl。貢獻最大的是燃煤、土壤、建筑及機動車4個類源。

2013年，張建強利用CMB模型較好的解決了煤煙塵、機動車尾氣塵的共線性問題。論文通過研究太原市環境空氣及主要污染源排放的PM¹⁰.中無機元素、離子、碳及其同位素組成特征，建立了受體及其污染源的化學成分及碳同位素組成譜，構建了碳同位素質量平衡模型，并進行了應用研究。結果表明：太原市PM¹⁰.主要來源于煤煙塵、建筑水泥塵、機動車尾氣塵和土壤風沙塵;PM¹⁰中無機元素以Na、Mg、AI、si、K、Ca、Fe為主，各源類樣品中無機元素含量有明顯差異。

2016年，竇筱艷、趙雪艷等應用CMB模型開展了青海西寧市大氣PM²5源解析研究。通過采集4類固定源、11類移動源和4類開放源的PM²5樣品，構建了西寧市源排放成分譜。并分別在采暖季、風沙季和非采暖季采集大氣PMa²5樣品，對其化學組分（元素、離子和碳）進行分析。結果表明，觀測期間西寧市PMz。主要來源于城市揚塵、燃煤塵、機動車尾氣，分擔率分別為26.4%、14.5%、12.8%;其次來源于二次硫酸鹽、生物質燃燒、二次硝酸鹽。并給出改善西寧市空氣質量的對策：大力控制城市揚塵為主的開放源污染，嚴格控制本地燃煤、機動車等污染源的PM²5排放。

2017年，趙雪艷、王歆華等人應用CMB模型研究忻州市大氣PM²5中的來源。研究分析采集的PM²5樣品中的2種碳組分、39種元素、9種水溶性離子，對PM²5的質量濃度進行重構。結果表明：重構后的化學組分主要為礦物塵、二次粒子和微量元素、有機物、元素碳;化學組成質量分數具有較明顯的季節變化特征，例如風沙季礦物塵質量分數高于采暖季和非采暖季，采暖季有機物質量分數高于其他兩季;源解析結果顯示忻州市PM²5的主要來源是揚塵（21%～35%）、二次粒子（25%～26%）和機動車尾氣（21%～26%），屬于多源類聯合污染。

4.2在水污染源解析中的應用

目前CMB模型在水污染源解析工作中應用相對較少，單一應用也相對較少。

1999年，黃國蘭、蕭航等人通過模擬靜態恒流排放的條件，檢測各污染物的擴散行為，做污染物濃度一距離曲線，確定污染源“成分譜”隨擴散過程的變化，建立擴散經驗模型，最后發現CMB結合“成分譜”變化模型適用于實驗室內水體微環境的污染物源解析。對CMB法是否適用于天然水體，還需進一步實驗測量與污染物擴散有關的各項參數，應用更為精確的擴散模型做進一步研究。

2010年，胡成等人在研究近年應用于水污染方面的各種模型時發現，雖然CMB模型有其本身的優點，但是自身的不足更為明顯，所以現階段對于水污染源解析方面的研究與應用，更多的是停留在理論階段，實際操作起來復雜，得到結論的較少。

2014年，王在峰、張水燕等人開發了水質模型與CMB模型相耦合的河流污染源源解析技術，用于解析直排工業源、上游斷面、支流源和未知源對河流的污染貢獻，包括相對貢獻率和絕對貢獻值。并將該模型應用于山東省濟南市的主要納污河流小清河，結果表明解析結果與實際情況相符且滿足診斷指標要求。該研究將擴散模型與受體模型有機結合，擴大了適用范圍，提高了解析精度。

4.3在沉積物源解析中的應用

CMB模型在沉積物中污染物的源解析也有廣泛研究，主要包括多環芳烴、多氯聯苯等有機污染物。

國外學者做了大量的沉積物中PAHs的源解析研究，將CMB模型成功應用于Lake Calumet、Pepin湖、Black River、威斯康星河格林灣以及Ashtabula河流等水體沉積物中PAHs源解析。

國內學者在這方面也作了一些研究，并取得了較好的成果。

2008年，薛荔棟等人在研究黃海近岸沉積物PAHs的來源中，先對于PAHs的來源作出假設，假設來源于燃煤、燃油、焦化、柴油泄漏等，然后對12站點進行監測采樣，應用CBM模型對數據進行處理。得出結論：對于黃海近岸沉積物中的PAHs貢獻率最大的是燃煤源，其次為燃油，最后為焦爐。

2008年，劉宗峰在黃河口及萊州灣表層沉積物中PAHs來源研究中，應用比值法確定燃煤、汽油燃燒、柴油燃燒、油類泄露、石油化工、木柴燃燒六大來源，應用CMB模型與多元統計分析對數據進行處理，分析結果大致一致：對于黃河口及萊州灣表層沉積物中PAHs貢獻率最大的為燃煤源，其次為木柴燃燒源和柴油源。

2018年，孫健等在研究幾種受體模型在土壤中PAHs的研究中，比較了特征比值法、特征化合物法、CMB、主成分分析、多元線性回歸和正定矩陣因子分析法的應用原理及注意事項。結果表明，CMB模型可有效表達遼河河口蘆葦濕地表土樣品中PAHs的源譜信息。

此外，李嬌等在對近些年的各種源解析模型在土壤方面的研究時發現，CMB模型并不能用于較長時間內污染源對受體的長期污染。

5結語

現階段對于CMB模型的應用，仍然以大氣污染源解析的研究為主，沉積物中污染物的源解析也有廣泛研究，在水污染源解析中應用較少，且多為聯合應用。從國內外看，我國對于源解析的研究起步時間較晚，相較于國外仍大多數停留在理論階段，這對于環境學者來說既是機遇又是挑戰。