金华市城区冬季环境空气中PM2.5来源解析*1

许海亚， 郭　婷，谢　添，于海瀛，白志鹏，王长智

（1.浙江师范大学地理与环境科学学院，浙江金华　321004；2.中国环境科学研究院大气科学研究所，北京　100012；3.浙江省环境保护科学设计研究院，浙江杭州　310007）

金华市城区冬季环境空气中PM2.5来源解析*1

许海亚1， 郭婷1，谢添1，于海瀛1，白志鹏2，王长智3

（1.浙江师范大学地理与环境科学学院，浙江金华321004；2.中国环境科学研究院大气科学研究所，北京100012；3.浙江省环境保护科学设计研究院，浙江杭州310007）

为研究金华市冬季主城区大气PM2.5的主要来源，于2014年1月分别在金华市环境监测站和浙江师范大学环境监测点同步采集PM2.5样品.分析了无机元素、水溶性离子、有机碳和总碳含量及其分布特征.收集了金华市城区的土壤尘、扬尘、建筑尘3类污染源样品及工业源（煤烟尘、冶金尘）和移动源（机动车尾气）的文献资料，建立了金华市冬季主城区的成分谱和受体成分谱.利用CMB受体模型及二重解析技术分析了金华市PM2.5来源.结果表明：金华市冬季PM2.5主要来源是机动车尾气尘，其次是二次粒子.改善环境空气问题，就要控制机动车的使用，发展公共交通事业，提倡绿色出行.

PM2.5；源解析；化学质量平衡模型；金华；冬季

近几年来，以颗粒物（PM2.5，PM10）为主要污染物的区域性大气污染事件频发，雾霾问题已经成为全社会广泛关注的热点问题.2014年1月，国家环境保护部下发了《关于开展第一阶段颗粒物来源解析的通知》，源解析逐渐进入公众的视野.许多城市陆续开展了源解析项目，例如：北京、重庆、郑州等［1-3］，源解析项目的进行为城市雾霾治理提供了技术上的支持.

目前，源解析模型有很多种，如偏最小二乘法、主成分分析-多元线性回归法（PCA-MLR）和正定矩阵分解法（PMF）等［4-5］.本研究中使用的分析模型是化学质量平衡（CMB）模型，美国环境保护署推荐方法之一［6-7］.与其他模型相比，CMB模型的环境管理意义更加明确，源类分类更符合现实意义［8-10］.然而，现实大气中颗粒物成分复杂，同一种源类的颗粒物会以不同形式进入到环境中，造成了CMB模型在解析市出现“一源多解”的情况，二重源解析结果就是在此基础上提出来的［11］.二重源解析的提出，解决了混合尘源与其他单一尘源共线性与交叉性的问题，为环境分类管理提供技术指导.

直至目前为止，还没有关于金华市大气颗粒物来源解析的相关报道，开展金华市大气颗粒物来源解析的工作很有必要.本研究选取金华市污染较为严重的冬季进行采样，对大气中PM2.5的污染物来源解析开展了相关的基础工作，建立了金华市冬季主城区的成分谱和受体成分谱，采用CMB模型和“二重源解析”技术解析源类对PM2.5的贡献值和分担率，并根据源解析结果提出了相应的措施.本研究阐述了金华市城区颗粒物的污染来源，对于颗粒物污染有着理论意义，为控制和监管金华市大气提供技术指导.

1　材料与方法

1.1受体采集

本次研究选取2个样品采集点，分别为：金华市环境监测站是国控点位，代表工业居住混杂区，采样高度为24 m；浙江师范大学监测点，代表文教区，采样高度为22 m.监测点分布见图1.

图1　采样点分布

颗粒物采样时间为2014年1月4日—18日，采样时间为23点，由于实际采样期间的天气状况，有效采样天数为10 d.在每个受体采样点中放置2台武汉天虹公司生产的TH-150型中流量空气总悬浮微粒采样器采集颗粒物，切割粒径为2.5μm，设定流量为100 L/min.在采样前利用质量流量计对仪器进行流量标定.

1.2污染源样品的采集

依据《大气颗粒物源解析技术指南》［12］中对污染物源的划分和部分文献［13-14］的参考，对源样品的选择和采集如下：金华市主要大气颗粒物一次排放源有城市扬尘、煤烟尘、土壤尘、冶金尘、建筑水泥尘和机动车尾气尘.

土壤风沙尘样品采集：分别选择城市近郊的尖峰北山、婺城区政府、汽车南站及金华南站4个地块，按照梅花布点原则进行布点.在每个采样点上首先用笤帚将地表杂物清除，再用木铲取0～20 cm地表土.每一地块样品混合装袋，每袋样品约重500 g，共计4个样品.采集的土壤主要是农田土，还包括一些果园土、荒地和河滩土.城市扬尘样品采集：分别以金华市环境监测中心（简称监测站）和浙江师范大学（简称师大站）为中心，500 m以内为采样区，设8个采样点，共采集8个城市扬尘样品.城市扬尘采集点一般为较长时间未打扫的窗台或平台上，采样高度为5～15 m.在采样过程中注意代表性并避免烟尘、工业粉尘、汽车、建筑工地等人为污染源的干扰.共收集了3个样品.

建筑水泥尘样品采集：以金华市场流通的部分成品水泥作为建筑水泥尘的源样品.采取对象为目前金华市建筑市场主要使用的水泥型号的水泥，分别在多个在建工地上采集不同品牌或标号水泥样品5个.

在源样品采集中，所采集到的粉末状样品自然风干、晾干，用孔径为106μm的尼龙筛进行筛选；最后所需要的PM2.5的样品用颗粒物再悬浮采样器分离出来.

1.3样品称量和分析

本研究用聚丙烯和石英2种滤膜采集大气颗粒物，滤膜孔隙约0.25～0.45μm.滤膜在采样前用马弗炉和烘箱进行灼烧和烘烤，除掉挥发成分或其他组分.在本研究中，聚丙烯滤膜烘烤温度定为60～80℃，时长0.5～1.0 h；石英滤膜马弗炉温度定为600℃，烘烤时长2 h.采样前后，滤膜均放置在恒温恒湿的天平室（温度20℃；湿度50%）内进行平衡，以减少称量时因环境温度、湿度的改变对称量造成的影响.

本研究比对文献［15-17］对本次实验的源与受体样品进行3类化学组分的分析，分别为化学元素分析、碳分析和离子分析.采用安捷伦7500a型电感耦合等离子体质谱仪分析30种元素，分别为Li，Be，Na，P，K，Sc，As，Rb，Y，Mo，Cd，Sn，Sb，Cs，La，V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，Ce，Sm，W，Tl，Pb，Bi，Th，U；用电感耦合等离子光谱法测定9种元素，分别为Zr，Al，Sr，Mg，Ti，Ca，Fe，Ba，Si，共测试了39种元素；采用DRIMODEL2001热光碳分析仪进行碳组分（OC/EC）分析.使用戴安公司的DX-120 IC型离子色谱，共分析8种离子，分别为Na+，Mg2+，Ca2+，K+，，Cl-和

2　结果与讨论

2.1ρ（PM2.5）的时空分布特征

金华市的监测结果如表1所示.由空间的分布来看，代表居民文教区的师大站颗粒物污染物污染相对较轻，ρ（PM2.5）为86.7μg/m3；而监测站（代表工业居住混杂区）的颗粒物浓度较重，ρ（PM2.5）为98.3μg/m3.这与郑翔翔［18］等得到的结果（金华市日均值范围：10～220μg/m3）相一致.从时间分布来看，无论是师大站还是监测站都在1月5号那天的ρ（PM2.5）最低，分别为22.9μg/m3和30.9μg/m3；在1月17日那天的ρ（PM2.5）最高，分别为152.3μg/m3和137.8 μg/m3.冬季是金华市一年中大气颗粒物污染最严重的季节，ρ（PM2.5）平均为89.1μg/m3，超过了《环境空气质量标准》［19］二级标准限制.这主要是因为在冬天，金华平均风速低，大气扩散能力差，容易导致大气颗粒物累积，不利于污染物的流通.同时，与金华市的地理特征有关.金华地处金衢盆地，受两山夹一河等地形地貌特征的限制，加之金华市冬季主导风为西北风，来自周边大气颗粒物浓度较高区域的影响也不可小觑.图2是2014年1月金华市大气扩散后向的轨迹图.从图2中可以看出，2014年1月，金华市大气环境主要受到北方环境的影响.一旦有北方雾霾等输入性污染进入，就难以扩散.因此，受到北方冷空气频繁南下带来雾霾，造成金华市空气质量的阶段性变差.

表1　金华市2个监测点的ρ（PM2.5）值　μg/m3

图2　2014年1月金华市后向轨迹图

图3　各组分占PM2.5的质量百分比

2.2PM2.5中化学组分污染特征分析

图3给出2014年1月金华市受体环境PM2.5上载带主要无机元素浓度特征.在师大站上，无机元素 K有最大的平均质量浓度，即2.28μg/m3，其次为Si和Ti，平均质量浓度分别为2.19μg/m3和 1.78μg/m3.这 3种物质在PM2.5中分别占2.65%，2.53%和2.05%；在国控点环境监测站上，K依然是PM2.5上最丰富的无机元素，平均质量浓度达到2.64μg/m3，占PM2.5质量的2.89%，其次依次为Si（ρ（Si）= 2.47μg/m3），Ti（ρ（Ti）=1.55μg/m3），Ca（ρ（Ca）=1.46μg/m3）和Al（ρ（Al）=1.19 μg/m3），这 5种无机元素占 PM2.5质量的10.2%.

在师大站和监测站中，主要的水溶性离子为K+，Ca2+，Cl-，NO3-，和NH4+，质量浓度分别为2.42和2.65μg/m3，1.38和1.47μg/m3，1.85和1.49μg/m3，7.53和7.85μg/m3，8.72和9.88μg/m3，0.68和0.83μg/m3.可以看出，金华市最主要的水溶性离子为，在全市的平均质量浓度为10μg/m3，在受体中的质量分数约为10%.其次为 NO3-，质量浓度监测值约为8μg/m3，质量分数约为9%.

从有机碳和元素碳来看，OC占TC的比值较大.师大站的TC质量浓度为20.6μg/m3，OC的质量浓度为14.8μg/m3；监测站的TC质量浓度为21.7μg/m3，OC的质量浓度为15.9μg/m3.从全市平均值来看，所有成分中，TC的含量最高，为21.1μg/m3，在受体中的质量分数约为23%.

2.3污染源成分谱特征分析

图5给出了各污染源排除的PM2.5化学成分谱.图5针对土壤风沙尘、城市扬尘和建筑水泥尘分别建立了本地化的PM2.5源的成分谱，其他污染源的PM2.5成分谱则根据文献［20-23］数据来建立.

由图5可知，在建筑尘中，ρ（Ca）最高，地壳元素（Si，Al）次之；土壤风沙尘主要以地壳元素Ca，Si，Al，K和Fe为主；城市扬尘主要以地壳元素（Ca，Si，Al和Fe）和OC，TC以及为主；煤烟尘也是以地壳元素（Ca，Si，Al和Fe）和OC，TC 及为主，但与城市扬尘不同的是，ρ（）和ρ（TC）要高得多；在冶金尘中，ρ（Fe）最高；在机动车尾气中ρ（TC）最高，ρ（OC）次之.二次粒子的成分谱用硫酸盐和硝酸盐来代替［24］.

图4　金华市PM2.5污染源化学成分谱

2.4金华市PM2.5来源解析

在图5a～5c中，土壤风沙尘的贡献率几乎为0，这是因为在二重解析中，土壤风沙尘主要以城市扬尘的样式存在，所以，在二重解析中将土壤风沙尘的贡献率归于城市风沙尘中.从图5a～5c中解析出的这7类污染源对金华市主城区PM2.5的贡献值为75～79 g/m3，贡献率为80%～87%.这说明大气颗粒物中还有其他的未知源对它存在贡献，未知源的贡献率为13%～20%.大气PM2.5的来源复杂，可能的未知源包括生物燃烧源、二次有机碳等.

图5　各污染源对大气PM2.5在师大站、监测站和金华市的贡献率

表2　国内部分城市PM2.5源解析结果比较　%

表2是金华市与国内部分城市利用CMB模型对于PM2.5源解析结果的比较.可以看出，金华市扬尘贡献除了比宁波略高一点之外，比其余4城市要低.建筑水泥尘要低于南京、青岛，高于杭州和重庆很多，是杭州的5倍多，重庆的15倍左右.煤烟尘要低于南京和青岛，略高于杭州.冶金尘在3个城市中最低，这与当地的工业结构有关.二次粒子方面，金华与杭州接近.机动车尾气尘是5个城市中贡献率最高的，与印度城市海德拉巴市［28］相近，机动车尘对海德拉巴市的贡献率为31%，说明2个城市之间的交通结构相似.由此可以看出，机动车尾气尘是金华市PM2.5主要污染物来源.

3　结论

1）运用“一重源解析”和“二重源解析”技术相结合得到金华市各源类对受体的贡献值和分担率.各尘源对PM2.5污染的影响情况为：机动车尾气尘居第1位（约30%），二次粒子（硫酸盐和硝酸盐）居第2位（约24%），煤烟尘居第3位（约9%），城市扬尘排第4位（约8%），建筑水泥尘排第5位（约7%）.

2）金华市冬季PM2.5主要来源是机动车尾气尘，其次是二次粒子，这主要与金华市交通出行方式及SO2和NOX等前提物在冬天的化学转化有关.要改善金华市环境空气问题，最主要的方面就是限制机动车的使用，发展公共交通事业；同时还要调整或改变当地的经济结构和能源结构，优化工业布局，在不影响经济发展的前提下，发展绿色环保经济；实施脱硫脱硝工程，控制SO2和NO2的排放；进一步加强工业废气治理工作，控制行业VOCs的排放；加强城市环境管理与基础设施建设，控制城市扬尘污染.

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（责任编辑杜利民）

Source apportionment of ambient PM 2.5 in urban area of Jinhua City

XU Haiya1， GUO Ting1， XIE Tian1， YU Haiying1， BAIZhipeng2， WANG Changzhi3
（1.College of Geography and Environmental Sciences，Zhejiang Normal University，Jinhua321004，China；2.Atmospheric Environment Institute，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing100012，China；3.Zhejiang Environmental Protection Science Design and Research Institute，Hangzhou310007，China）

In order to study themain sources of PM2.5 in Jinhua City，PM2.5 sampleswere collected simultaneously from 2 stations（Jinhua City site and Zhejiang Normal University site）in January 2014.The samples were analyzed for inorganic elements，water soluble ions，organic carbon and total carbon.Chemical source profileswere reported for soil dust，resuspended dust，construction dustand two sources from other papers，including industrial dust（coal ash and metallurgical dust）and motor vehicles dust.Using CMB receptormodel and dual resolution technique，the PM2.5 source of Jinhua City was analyzed.The results showed that the main sources of PM2.5 in winter in Jinhua was vehicle exhaust dust，followed by the secondary particles.To improve the environmental air quality，itwas suggested that to control the using ofmotor vehicles，develop the public transport and promote green travel.

PM2.5；source apportionment；chemicalmass balancemodel；Jinhua；winter

X513

A

1001-5051（2016）02-0227-07

10.16218/j.issn.1001-5051.2016.02.017

*收文日期：2015-10-12；2016-02-26

金华市科学技术研究计划项目（2014-3-031）；浙江省科研院所专项科技条件建设（2012F10019）

许海亚（1990-），女，江苏淮安人，硕士研究生.研究方向：室内环境污染表征与控制技术.

郭婷.E-mail：guoting1008@126.com