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大氣污染來(lái)源解析技術(shù)研究現(xiàn)狀
大氣顆粒物會(huì)影響降雨--大氣中的這些顆粒物會(huì)與水汽結(jié)合，在降雨時(shí)影響雨水的酸堿度，以下是小編搜集整理的一篇探究大氣污染來(lái)源解析技術(shù)的論文范文，歡迎閱讀參考。
隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球大氣環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，給地球和人們的生活造成了巨大的危害。空氣質(zhì)量是人們健康生活的保障，有效解析大氣污染，然后采取有針對(duì)性的治理措施是一項(xiàng)重要的工作，這關(guān)系到社會(huì)發(fā)展和人們的健康。
1大氣顆粒物及其危害
懸浮在大氣中的顆粒物俗稱大氣顆粒物，它是一個(gè)物理形態(tài)和化學(xué)組成都非常復(fù)雜的集合物質(zhì)名稱，是大氣中的不定組分之一。按照空氣動(dòng)力學(xué)直徑的不同，可將其分為總懸浮顆粒物TSP、降塵和飄塵。而飄塵又可分為PM10和PM2.5,由于它們粒徑小，能被人直接吸入呼吸道內(nèi)，損害人們的身體健康，所以，近年來(lái)，它們備受社會(huì)各界的關(guān)注。研究表明，PM10經(jīng)過(guò)呼吸道可以進(jìn)入人體，而PM2.5甚至還能進(jìn)入肺泡。調(diào)查顯示，3~15歲兒童的呼吸道發(fā)病率上升與PM10有很大的關(guān)系。
大氣顆粒物可以影響氣候效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5與能見(jiàn)度有密切的關(guān)系，它可以降低能見(jiàn)度。大氣顆粒物降低能見(jiàn)度主要是通過(guò)其對(duì)光的散射和吸收來(lái)減弱光的信號(hào)。大氣顆粒物對(duì)溫度也有一定的影響。研究表明，它的危害程度是溫室效應(yīng)的2倍多。
同時(shí)，大氣顆粒物還會(huì)影響降雨--大氣中的這些顆粒物會(huì)與水汽結(jié)合，在降雨時(shí)影響雨水的酸堿度，這些顆粒物的酸堿度就會(huì)成為酸化或堿化的主導(dǎo)因子。而酸雨會(huì)損壞各種建筑物，這些都會(huì)直接影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。另外，大氣顆粒物還會(huì)通過(guò)其他方式影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)和發(fā)育，從而減少農(nóng)作物的產(chǎn)量等。
由此可見(jiàn)，環(huán)境空氣質(zhì)量與我們的生活息息相關(guān)，空氣質(zhì)量是影響人們生活健康的一個(gè)重要因素。治理大氣污染、制訂大氣污染防治規(guī)劃的核心是確定大氣中的污染物及其來(lái)源。只有了解大氣污染的來(lái)源，才能做好防護(hù)治理工作。大氣污染源解析技術(shù)是區(qū)分和識(shí)別大氣污染物復(fù)雜來(lái)源并定量分析其源貢獻(xiàn)率的一種技術(shù)方法，是確定各種排放源與環(huán)境空氣質(zhì)量之間響應(yīng)關(guān)系的樞紐，是控制和治理大氣污染的一個(gè)重要而又復(fù)雜的課題。
2源解析技術(shù)
大氣污染來(lái)源解析技術(shù)的數(shù)學(xué)模型主要是指擴(kuò)散模型和受體模型。擴(kuò)散模型(源模型)是一開(kāi)始以污染源排放清單的分析和以污染源排放清單為基層的模型。20世紀(jì)60年代末，受體模型首先被Blifford和Meeker提出。受體模型被廣泛應(yīng)用是因?yàn)槭褂迷撃Ｐ头治霾恍枰粉櫸廴疚锏倪w移過(guò)程，并且不受局部區(qū)域氣象、氣候和地形等條件的限制等。受體模型的主要研究方法包括顯微鏡法、物理法和化學(xué)法3種。其中，化學(xué)法發(fā)展最成熟，主要有化學(xué)質(zhì)量平衡法(CMB)、二重源解析法、因子分析法(FA)和富集因子法(EF)等。
2.1CMB模型
化學(xué)質(zhì)量平衡法是根據(jù)多種排放源的顆粒物組成質(zhì)量濃度分解為一組由各類源貢獻(xiàn)的組合的方法，并遵守質(zhì)量守恒定律，利用有效方差最小二乘法解出各類源對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)。1972年，化學(xué)質(zhì)量平衡法被Miller等提出，一開(kāi)始命名為化學(xué)元素平衡法(CEB)，1980年，Cooper和Watson將其改為化學(xué)質(zhì)量平衡法。
目前，CMB被廣泛應(yīng)用于PM10、PAHs、VOCs等的來(lái)源解析中。對(duì)CMB模型的假設(shè)有以下幾種：①污染源種類小于或等于化學(xué)組分種類;②各種排放源類排放的顆粒物化學(xué)元素有明顯的差別;③各種排放源類所排放的顆粒物的化學(xué)組分相對(duì)穩(wěn)定，它們之間不會(huì)相互影響;④各源類顆粒物之間不會(huì)相互作用，并且可以忽略其在傳輸過(guò)程中的變化;⑤所有成分譜是線性無(wú)關(guān)的;⑥測(cè)量的不確定度是隨機(jī)、符合正態(tài)分布的。
由此可以認(rèn)為，化學(xué)組分的質(zhì)量濃度等于每種源類化學(xué)組分的含量值和源貢獻(xiàn)值的線性加和。用公式可表示為：【1】
式(1)中：Ci代表顆粒物化學(xué)組分i的質(zhì)量濃度測(cè)量值，ug/m3;Fij代表第j類源的化學(xué)組分i的含量測(cè)量值，ug/ug;Sj為第j類源貢獻(xiàn)的質(zhì)量濃度計(jì)算值，ug/m3;i代表化學(xué)組分的數(shù)目;j代表源類的種數(shù)。
化學(xué)質(zhì)量平衡模型的算法主要有有效方差最小二乘法、普通加權(quán)最小二乘法、示蹤元素法、線性程序法和嶺回歸加權(quán)最小二乘法等。其中，有效方差最小二乘法是最常用的算法。CBM模型是國(guó)內(nèi)外研究最多、應(yīng)用最廣的受體模型，因?yàn)槠浒l(fā)展成熟、原理簡(jiǎn)單、解析結(jié)果符合實(shí)際，可以分析多種來(lái)源體系。
蘇國(guó)鑫詳細(xì)介紹了CMB模型在大氣顆粒物PM2.5源解析中的應(yīng)用原理和過(guò)程，以便分析PM2.5的源。
CMB模型的缺點(diǎn)是：①用此方法分析相關(guān)內(nèi)容時(shí)，需要收集詳細(xì)的污染源成分譜，這需要消耗大量的人力和財(cái)力;②在解析過(guò)程中，如果污染物的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，那么，得出的結(jié)果就可能會(huì)有很大的誤差;③如果污染源的成分相似，那么，得出的成分譜有可能出現(xiàn)共線現(xiàn)象。
2.2FA模型
因子分析法是從研究變量?jī)?nèi)部之間依賴關(guān)系出發(fā)的，將一些具有錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系的變量歸結(jié)為少數(shù)幾個(gè)綜合因子的一種多變量統(tǒng)計(jì)分析方法。該方法的基本思想是，直接分析受體樣品的化學(xué)成分，根據(jù)它們之間的相互關(guān)系綜合總結(jié)得出公因子，并且計(jì)算出每個(gè)因子載荷，通過(guò)分析各因子載荷情況，并結(jié)合現(xiàn)有元素知識(shí)來(lái)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)得出結(jié)果，從而推斷出污染源的類型。在國(guó)內(nèi)外，將FA模型應(yīng)用于大氣顆粒物污染來(lái)源解析的研究比較多，并且有很好的效果。
FA模型也是建立在質(zhì)量守恒基礎(chǔ)上的。關(guān)于FA模型有3個(gè)假設(shè)：①在污染物從排放源到采樣點(diǎn)的傳輸過(guò)程中，可以忽略質(zhì)量變化;②污染物中某種元素是多個(gè)互不相關(guān)的污染源貢獻(xiàn)率的線性組合;③由各個(gè)污染源貢獻(xiàn)的某元素的量差別比較大，采樣和分析期間的變化比較小。
假設(shè)每個(gè)化學(xué)組分是各種源類貢獻(xiàn)的代數(shù)和，則可將源貢獻(xiàn)分為2個(gè)因子的乘積，分別為污染源對(duì)采樣點(diǎn)處顆粒物貢獻(xiàn)的質(zhì)量濃度和污染源排放的單位質(zhì)量顆粒物中所含的該元素的量。具體公式是：【2】
式(2)中：Xij為元素的質(zhì)量濃度，ug/m3;αij為因子載荷，ug/mg;fkj為公共因子，mg/m3;di為唯一因子系數(shù)，ug/mg;ui為唯一因子，mg/m3;εi為元素i的測(cè)量過(guò)程。
其他產(chǎn)生的誤差用矩陣可以表示為：X=AF+DU+ε。(3)因子分析法就是從實(shí)際數(shù)據(jù)出發(fā)，根據(jù)它們之間相互關(guān)系，從全部變量中歸納總結(jié)出最少數(shù)目的公因子，并且計(jì)算出各個(gè)因子的載荷。
2.3Unmix模型
Unmix模型是一種解決混合問(wèn)題的多元線性模型，通常運(yùn)用于混合物或?qū)Χ嘣荏w建模時(shí)不能識(shí)別的情況下。在這些問(wèn)題中假設(shè)一些附加條件，那么，便可以得到單一解。Unmix的工作原理就是找到邊緣點(diǎn)(指在多維空間里，一些數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)源不存在或比其他來(lái)源貢獻(xiàn)小的點(diǎn))，并且找尋與這些點(diǎn)擬合的一個(gè)超平面，把這個(gè)超平面稱為一個(gè)邊。每個(gè)邊限定了對(duì)單一源沒(méi)有貢獻(xiàn)的點(diǎn)，即這是一個(gè)只有一個(gè)貢獻(xiàn)源的點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)是各個(gè)源的混合體。根據(jù)這種方法，可以計(jì)算源的最合適貢獻(xiàn)值。
2.4EF模型
富集因子法是用于研究大氣顆粒物中元素的富集程度，定量分析污染物某元素的狀況，判斷和評(píng)價(jià)元素的自然來(lái)源和人為來(lái)源的一種分析方法。通常情況下，它是將有固定的參比元素作為指標(biāo)，比如國(guó)際上常用的Fe、Al或Si元素，分析大氣污染狀況的一種源分析模型。其計(jì)算公式是：【3】
式(4)中：R為參比元素;i為顆粒物中待考察的元素;Xi、XR分別為顆粒物中元素i、R的質(zhì)量濃度;X′i、X′R為i和R的地殼豐富度。
EF值越大，富集程度就越高，人為源的貢獻(xiàn)就越大。根據(jù)富集因子的大小可以將元素分為2類：①當(dāng)富集因子小于10時(shí)，則認(rèn)為是自然源，沒(méi)有富集成分;②當(dāng)富集因子為10~104時(shí)，則認(rèn)為是被富集，來(lái)源于人為污染源。于令達(dá)等人利用此方法分析研究了2008年北京采暖前后大氣顆粒物的化學(xué)成分，并分析對(duì)比了富集因子。結(jié)果表明，該方法能夠很好地分析各元素的富集值。
3結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，我國(guó)對(duì)大氣顆粒物源解析技術(shù)的研究還處于起步階段，在大氣顆粒物的解析方面，只能研究單一源的解析。
解決環(huán)境空氣質(zhì)量問(wèn)題是我們健康生活的保障，所以，一定要不斷發(fā)展和完善源解析技術(shù)，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，解決其中存在的問(wèn)題。只有這樣，才能更好地解析大氣顆粒物和空氣的污染情況，并采取有效的治理措施。
參考文獻(xiàn)
[1]蘇國(guó)鑫.化學(xué)質(zhì)量平衡受體模型在大氣細(xì)顆粒物PM2.5源解析中的應(yīng)用[J].環(huán)境，2011(S1).
[2]郝明途，高健，戴曉燕，等.大氣顆粒物化學(xué)質(zhì)量平衡源解析方法研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2011(12).
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