基于C MB和P C A法解析城市灰霾期P M1 0污染来源

王敬元 黄丽坤 朱永亮 张晓庆 陈婷婷

(哈尔滨商业大学 食品工程学院，黑龙江 哈尔滨150076)

0 引言

近年来，随着我国城市规模的逐渐扩大，对城市内的空气质量有一定影响，特别是最近几年灰霾事件频发，对大气环境和身体健康产生了极大危害。根据环境监测站统计的数据，颗粒物是城市主要的大气污染物。研究大气颗粒物污染源及其与下游污染物相关性的方法很多，其中包括主成份分析法、富集因子分析法、化学质量平衡受体模式等，特别是化学质量平衡受体模式应用比较广泛，具有可靠的稳定性及研究结果的准确性。根据大气颗粒物污染特征，以污染源解析结果为依据，提出城市重点治理污染源，并结合目前存在环境问题和管理现状，进一步提出建议性的相关环境对策。

1 数据采集及解析方法

1.1 数据采集

对灰霾期哈尔滨商业大学校园大气可吸入颗粒物进行了采样，采样时段是2012年1月2日～11日，采样天数为10天,采样流量为120 L/min，采样器为中流量总悬浮微粒采样器，仪器自动记录采样时间和体积，采样滤膜为石英纤维滤膜，采样后的尘膜要干燥48小时后称重，用重量法计算颗粒物的质量浓度，并对颗粒物进行了化学成分分析，浓度数据和化学成分均来自哈尔滨市环境监测站和课题组前期的采样及分析结果。

1.2 解析方法

1.2.1 主成分分析法（PCA）

利用SPSS统计软件对颗粒物主成分进行PCA分析，得出颗粒物的主成分类别、贡献量及贡献率，通过软件计算，提取特征值大于2的因子特征值、方差贡献率，提取的因子需概括原始变量80%以上的信息，才能全面地反映真实的主成分特征，可用其特征参数进行污染源的判定。

1.2.2 化学平衡模型（CMB）

利用CMB进行污染源解析时，采用台湾和美国源样品化学成分谱作为CMB受体模式源数据，选择源样品化学指纹时，注重污染源种类、污染源特性一致，使其指纹库中的源样品数据尽量与哈市污染源化学特性一致，重点对比土壤类型、交通设备、燃料性质、煤质以及燃烧设备等，以保证源解析结果的准确性。在受体模式运行时，应保证三个参数达标，即R须控制在0.8到1.2之间且越接近于1精度越高，DF应大于6，PERCENT MASS应在80%到120%之间且越接近于100%解析的越充分。下表所示。

表1 方差极大正交旋转因子载荷矩阵

表2 PM10中元素的富集因子

2 结果与讨论

2.1 PCA和CMB的定量分析

经过PCA和CMB的定量分析，通过比较两种方法的分析结果可准确推估灰霾期颗粒物的污染来源。较广泛，具有可靠的稳定性及研究结果的准确性。利用统计软件SPSS 19.0对32个大气颗粒物PM10样品的数据进行了主因子分析，主因子分析过程中剔除在各主因子中贡献均极低的3个变量Ca2+、Al、Ca，最终所选取的变量数为29种，如下表所示

根据方差极大正交旋转因子载荷矩阵（表1）和元素的富集因子（表2）对得到的4个主因子所代表的污染源类型解析如下：主因子l中载荷较高的组分是 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。这一因子对大气颗粒物PM10的方差贡献率为43.834%。主因子2中载荷 较 高 的 组 分 是 K+：0.919，Mg2+：0.969，Na+：0.955，Cl-：0.908，Na：0.759，Pb：0.955，Sr：0.980。 这一因子对大气颗粒物 PM10 的方差贡献率为25.097%。 主因子3中载荷较高的组分是 F-：0.760，Ni：0.888，V：0.920，Zn：0.983，As：0.941，Cu：0.707，Fe：0.935，K：0.661。 这一因子对大气颗粒物PM10的方差贡献率为21.404%。主因子4中载荷较高的组分是NH4+：0.561，EC：0.572。这一因子对大气颗粒物PM10的方差贡献率为7.446%。

2.2 各源对PM10中化学组分的分担率解析

在定性识别污染源类型的基础上，通过对主因子分析过程中所得到的方差极大因子载荷矩阵和因子得分系数矩阵进一步处理来计算绝对因子载荷和绝对主因子得分矩阵，从而定量计算出各源对PM10,及各化学组分的分担率及贡献值.利用绝对主因子法不仅可解析出各源对PM10的分担率及贡献值，还可解析出各源对PM10中化学组分的分担率及贡献值，结果参见表3和图1。

表3 各源对PM10中化学组分的分担率解析结果

图1 各源对PM10的分担率

由表3可知，建筑水泥尘，机动车尾气尘，煤烟尘是环境空气中PM10的首要污染源，其对PM10的分担率至43.834%，土壤风沙尘和工业粉尘是对PM10贡献较大的另外两个重要的污染源，分担率分别占到25.097%和21.404%，大气颗粒通过化学反应的二次来源对PM10的贡献较小，分担率为7.446%。从表中不仅可以比较清楚地了解到PM10中各化学组分来源的具体情况，而且还可用这些数据再次验证上述对污染源类型的判断。

3 结论

（1）主成分分析法表明，Pb，S，Zn，Cd，Cu，As这 6 中元素来源于人为排放；Na，Pb，Sr，Mn，Ni，Ti，Ba，Cr，Fe，K 这些元素的富集因子大于1小于10，主要来源于是自然污染，但也存在人为因素；Mg，V，Si这些元素的富集因子小于 1，主要来自自然源污染；Pb，S，Zn，Cd，Cu，As这6中元素的富集因子变化及差异较大,说明人为污染很严重。

（2）CMB的解析结果表明：城市的主要污染来源交通尘、扬尘、煤烟尘、工业粉尘四类，其中交通尘的平均贡献率最高，扬尘在春季的贡献率最高，工业粉尘在夏季的贡献率最高,煤烟尘在冬季的贡献率最高。

［1］张长波，骆永明，吴龙华.土壤污染物源解析方法及其应用研究进展[J].中国科学院南京土壤研究所，2007，39（2）：190-195.

［2］房春生，王菊，张子宜，钟宇红，董德明.化学质量平衡法在环境空气总悬浮颗粒物源解析中的应用[J].吉林大学环境与资源学院环境科学系，2007，07（a）：1673-0534.