金沙遗址博物馆大气污染特征研究

2021-04-12蒋璐蔓张军科董贵明明文秀陈丽琴苗闻文陈俊橙

文物保护与考古科学 2021年1期

蒋璐蔓，张军科，董贵明，刘珂，明文秀，陈丽琴，苗闻文，陈俊橙，杨弢，肖嶙

(1. 成都文物考古研究院，四川成都 610074； 2. 西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 611756；3. 成都金沙遗址博物馆，四川成都 610074)

0 引言

遗址博物馆是在古文化遗址上建立的针对遗址进行发掘、保护、研究、陈列的专门性博物馆[1]，是集保护与展示功能于一身的一种遗址保护形式，现有的遗址博物馆模式对遗址和文物起到了一定的保护及展示作用[2]。诸多研究指出，大气环境问题是造成文物和遗址损害的一项重要因素，大气中的气溶胶、污染性气体，以及室内的温湿度变化等均会对文物及土遗址产生影响[3]。

当前，我国诸多地区的遗址博物馆已受到大气污染物不同程度的损坏，Hu等[3]研究了我国长江流域五个典型的遗址博物馆室内外大气污染状况，结果发现，遗址博物馆内部的SO2和PM2.5均数倍或数十倍高于指导标准[3]；李华[4]研究发现，秦俑博物馆俑坑存在较高浓度的SO2、NOx、NH3等污染性气体及PM2.5、降尘，且室内PM2.5主要受室外传输控制。这些结果的获取对遗址的有效保护提供了重要参考。

金沙遗址博物馆建成于2007年，将金沙遗址大型祭祀活动场所的发掘地建为遗址保护厅，遗址内保存有尚未发掘的文物，发掘并回填的象牙，以及展示于出土原址的象牙、野猪獠牙、鹿角、阴沉木、陶器、玉器等各种材质的文物。当前成都市空气污染严重，Zhang等[5]研究指出，成都市年平均PM2.5浓度为68 μg/m3，远高于我国国家环境空气质量二级标准(NAAQS-Ⅱ)(35 μg/m3)，在冬季重污染频发，PM2.5平均浓度更是高达101 μg/m3[6]。成都市大气中高浓度的污染物可能会通过空气交换进入金沙遗址博物馆遗址保护厅内部，对土遗址及其中文物产生危害。为全面了解金沙遗址博物馆遗址区的空气污染现状和特征，本研究对遗址保护厅内外大气环境中的PM2.5和VOCs进行了针对性观测研究，对重要化学组分进行了全面分析，比较了室内外各自独有的污染特征。这对于金沙遗址博物馆遗址区土遗址及其中文物的保护、空气质量的改善和更健康参观环境的营造具有重要参考价值。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本研究观测站点设置在金沙遗址博物馆，其中室内观测站点设置在一号坑象牙遗迹处(图1)，室外站点设置于遗迹馆东门外广场，周围开阔，无明显遮挡。遗迹馆紧邻成都市中环路，距离约100 m。采样日期为2019年11月2日至3日，细颗粒物(PM2.5)采样使用石英纤维滤膜(Pall：d=90 mm)，采样仪器为TH-150C(武汉天虹)，采样流量100 L/min，每天采集2个样品，采样时间为每日08∶30至20∶00和20∶30至第二日08∶00，每个样品采集时间为11.5 h。挥发性有机物(VOCs)采样使用标准气袋，采样时间为每天下午2∶00，采样后在一周内完成分析。同时，记录采样时段的温度、湿度、风及降水等气象信息。

图1 室内观测站点Fig.1 Indoor observation site

1.2 分析方法

1.2.1称重采样前，将采样膜置于铝箔纸中，在500 ℃的马弗炉中预先加热4 h，随后在恒温(20±1)℃、恒湿(45%±5%)箱内平衡48 h后用天平称重，采样完成后在同样恒温恒湿环境中平衡后进行称重，大气PM2.5的质量浓度由采样膜采样前后质量差计算得出。

2.2.2化学分析采用DRI 2001A型热光有机碳/元素碳分析仪对截取0.495 cm2的样品膜进行有机碳(OC)和元素碳(EC)的分析。使用1.6作为OC和有机物(OM)的转换系数[7]，即OM=1.6×OC。

采用微波酸消化法将滤膜样品消化成溶液进行元素分析。取采集样品滤膜的1/4放入有6 mL HNO3、2 mL H2O2和0.6 mL HF的混合液消解容器中，用微波加速反应系统(MARS；CEM公司)处理，用去离子水稀释至50 mL。使用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS 7500a安捷伦)测定消解液中17种微量元素浓度。

VOCs分析时，样品首先通过预浓缩仪(Entech 7100A)及气相色谱(GC)，随后进入由火焰离子化检测器(FID)和质谱(MS)组成的双通道检测系统，其中，FID主要用于对乙烷、乙烯、乙炔、丙烯和丙烷等低分子量VOCs物质的测定，而MS主要用于C4-C12范围VOCs物质的测定，两种检测方法的联用实现了对大气中主要VOCs物质的全面测定[8]。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5质量浓度

观测时段室外PM2.5质量浓度明显高于室内，分别为94.6 μg/m3和77.0 μg/m3，室内外PM2.5质量浓度差异大小取决于室内环境的密闭程度，与遗址博物馆建筑特点密切相关，金沙遗址博物馆遗址保护厅为大跨度保护大厅式的建筑，室内外空气流动频繁，室内外PM2.5浓度水平差异较小。在秦始皇帝陵博物院一号坑遗址区的研究中，由于其与金沙遗址博物馆遗址保护厅相似的建筑结构，室内外PM2.5浓度水平差异亦较小[9]。而汉阳陵帝陵外藏坑保护展示厅的研究中，外藏坑为地下丛葬坑，且展示厅采用全封闭玻璃围护结构，密封性强，导致室内外PM2.5浓度水平差距较大。

昼夜差异方面，室内外PM2.5质量浓度均在白天高于夜间。在室外，昼夜平均浓度分别为97.7 μg/m3和91.4 μg/m3；而在室内，昼夜差异更加显著，平均浓度分别为84.2 μg/m3和69.8 μg/m3，这种室内外昼夜差异的大小主要与两种环境不同时段受人为影响程度和排放源变化有关。在室外，尽管白天人为活动影响明显强于夜间，但在夜间依然有稳定的排放源输入，如紧邻博物馆的交通源；而在室内，白天参观人数众多，人为活动影响巨大，但在夜间闭馆时段，几乎不存在人为活动影响。同时，夜间闭馆以后，室内外空气交换减弱，受室外污染影响减小，进一步导致污染水平降低。

2.2 PM2.5化学组分

2.2.1碳质组分室外OM浓度高于室内，对应的值分别为16.52 μg/m3和12.92 μg/m3；室内外EC浓度水平则较为接近，分别为3.52 μg/m3和3.83 μg/m3。OM在室内外均无明显昼夜差异；室外EC夜间(4.08 μg/m3)高于白天(2.95 μg/m3)，这与室外夜间有利于污染积累的气象条件(如较低的边界层)和额外的贡献源(如重型柴油车)密切相关，而室内EC白天(4.33 μg/m3)则高于夜间(3.34 μg/m3)，反映了夜间闭馆后遗址保护厅内污染水平的明显降低现象，这可能与室内夜间无游客影响有关。OC/EC比值通常被认为是判断PM2.5来源的重要标志，本研究中室内外OC/EC的平均比值分别为2.1和2.9，属于典型的交通源排放特征[10]，进一步凸显了紧邻的中环路对遗址区空气质量产生的影响。室内OC、EC浓度昼夜均低于室外OC、EC浓度，表明遗址保护厅内建筑对中环路交通排放源的有效隔离作用，对金沙土遗址及其中文物具有保护作用。

与土壤尘相关的三类离子组分K+、Mg2+、Ca2+在室内(0.29 μg/m3、0.03 μg/m3和0.39 μg/m3)的浓度均在不同程度高于室外(0.17 μg/m3、0.02 μg/m3和0.36 μg/m3)。这与遗址保护厅内部大面积裸露的土壤表面及金沙遗址表层可溶盐中Mg2+、Ca2+等离子含量很高密切相关[2]。

颗粒物的酸碱性对文物的保存具有很大影响，酸性或碱性颗粒物都可能引起青铜器、雕塑、陶瓷等文物的腐蚀。离子当量浓度能够准确判断大气颗粒物的酸碱性，阳离子电荷当量CE(cation equivalent)和阴离子电荷当量AE(anion equivalent)浓度计算公式如下[8]：

表1 金沙遗址博物馆遗址保护厅内外PM2.5主要化学组分Table 1 Main chemical components of PM2.5 inside and outside the Site Protection Hall of Jinsha Site Museum (μg /m3)

2.2.3元素组成室内外元素浓度水平接近，分别为4.25 μg/m3和3.76 μg/m3，且元素浓度水平排序在两种环境中几乎相同。地壳元素Na、Al、Fe、Mg和Ca均为两种环境中浓度水平排前5的元素，其浓度之和在室内外元素总浓度中分别占比82.8%和84.4%。

富集因子(EF)是表征颗粒物中金属元素来源的重要参数之一，计算方法为[12]：

EF=(Ci/C参比)样品/(Ci/C参比)地壳

式中，(Ci/C参比)样品为PM2.5中金属元素与参考元素含量的比值；(Ci/C参比)地壳为地壳中金属元素与参考元素含量的比值。本研究计算富集因子选取Al作为参比元素，计算结果如表2所示。可以看出，除Cu在室外处于重度富集，而室内处于中度富集外，其他元素在室内外的富集因子值虽然存在一定差异，但均处于同一富集水平。Na、Mg、Al、Ca、Ti、V、Mn、Fe、Co元素为轻度富集，主要来自天然源；Cu(室外)、Ag、Cd、Sb元素则为重度富集，几乎全部来源于人类活动；而其他元素属于中度富集，主要受人为活动影响[13]。

表2 金沙遗址博物馆遗址保护厅内外金属元素含量及富集因子值Table 2 Metal element contents and enrichment factor values inside and outside the Site Protection Hall of Jinsha Site Museum

2.3 挥发性有机物(VOCs)

VOCs是大气中普遍存在的一类化合物。一方面其包含了大量对人体健康具有严重威胁的物质，另一方面，VOCs是形成O3和PM2.5的关键前体物。就整体VOCs浓度而言，室内外几乎不存在差异，浓度分别为81.2×10-9和81.3×10-9。室内外平均浓度排前十的物质类似，如表3所示，这10种物质浓度对整体VOCs的贡献分别可达55.6%和54.5%。表3还列出了我国其他典型城市(北京、深圳和南京)和博物馆所观测的同季节大气中浓度排前10的VOCs物质浓度，可以看出，尽管不同地区优势物质浓度排序不一致，但均以低碳数的VOCs为主。就浓度排前10的物质浓度总和来看，本研究中VOCs浓度水平要明显高于其他城市，尤其是深圳。

表3 金沙遗址博物馆及国内部分城市VOCs浓度最高的前10个物质对比表Table 3 Comparison of the top ten VOCs in Jinsha Site Museum and in other cities in China (×10-9)

按照化学结构的不同，本研究中VOCs可以分为烷烃、烯烃、芳烃、卤代烃、乙炔和含氧有机物。由图2可知，烷烃在室内外VOCs中占据主导地位，贡献比例分别为44%和46%。这与诸多地区的大气中VOCs均以烷烃为主导的研究结果一致[18-19]。

图2 金沙遗址博物馆遗址保护厅内外VOCs构成Fig.2 Composition of VOCs inside and outside the Site Protection Hall of Jinsha Site Museum

尽管室内外VOCs整体浓度水平接近，但部分重点物质在室内外的浓度水平出现了一定的差异。在室外，与各类人为源密切相关的物质浓度高于室内，如机动车源(正丁烷、苯、甲苯、乙炔等)、工业溶剂和涂料使用(甲苯)、燃油挥发(异戊烷、正戊烷)、生物质燃烧(1，2-二氯乙烷)等；而在室内，乙醛、乙烷、2，3-二甲基丁烷等浓度则高于室外。因此，需要考虑博物馆内部可能存在这些物质特殊的排放源。