大气颗粒物源解析化学质量平衡模型研究进展

1、大气颗粒物源解析化学质量平衡模型研究进展邹长武 , 郑雪峰 , 印红玲(成都 信息工程学院 , 四川成都 610225摘要 化学质量平衡模型是我国目前大气颗粒物源解析最常用的模型之一 。 在简单介绍化学质量平衡模型的基础上 , 对其在成分谱 、 算法 、 研究对象等方面的研究现状进行了综述 , 并结合这几方面的综述对其今后的发展趋势进行了分析 。 关键词 大气颗粒物 ; 源解析 ; 化学质量平衡模型 中图分类号 P 415. 3+2 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2010 30-16994-02Research Progress o n the Che m i calM ass

2、 Bal anceM odel for Source Apporti on m ent of A t mospheric Particu l ates ZOU Chang -wu et al (ChengduU niversit y of Infor mati on T echno l ogy , Chengdu , Sichuan 610225 Abstract Che m i calmass ba l ance (C M B mode l i s one o f t hem ost common mode l s i n t he source apporti on ment of at

3、m ospher i c particul a t es . Based on t he sm i ple i ntroducti on of C M B mode, l the current research sit ua ti on of its co mponent spectru m, al gor i th m and research objectwere su mmarized and t he develop ment a l tendency was ana l yzed accordi ng t o the su mmary above . K ey words A t

4、m ospher i c particulate ; Source apporti on m en; t Che m i calm ass bal ance mode l基金项目 四川省教育厅项目 (07ZB014 。作者简介 邹长武 (1974-, 男 , 四 川宜宾人 , 博 士 , 副教授 , 从事环境信息分析研究 。确定空气质量和污染源排放 (即受体和源 的关系是进 行空气质量管理时制定大气污染防治规划、 确定污染治理的 重点核心问题 , 但这个关系十分复杂。大气污染源解析技术 就是区分和识别大气污染的复杂来源并定量分析其源贡献 率的一种科学方法 , 是确定各种排放源与环境空气质量之间

5、 响应关系的桥梁 , 是控制和治理大气污染的一个十分重要而 又非常复杂的课题。大气污染源解析技术主要包括排放清 单、 扩散模型和受体模型等 3类技术。其中的受体模型由于 不依赖于污染源排放条件、 气象、 地形等数据且不用追踪污 染物迁移过程 , 成为应用最广泛的一类技术1。受体模型的研究方法包括显微镜法、 物理法和化学法 3种 , 其中又以化学法发展最成熟 1-3。化学质量平衡模型 (Che m i calM ass Bala nce , C M B 模型 是美国 EPA 推荐的用于研究 P M 10/PM 2. 5和 VOC s 等污染物 的来源和贡献率的一种重要方法 , 同时也是目前在实际

6、工作 中研究最多、 应用最广的化学法受体模型4。笔者在对 CMB模型原理、 实现方法进行介绍的基础上 , 对其研究现状进行 了综述 , 并对其今后的发展趋势进行了分析 , 以期为应用 C MB 模型更好地开展大气颗粒物源解析工作奠定基础。 1 CMB 模型简介M iller 等于 1972年第一次正式给出了化学元素法的计 算等式 , 并将其命名为化学元素平衡法 (CEB 5, 其后 Coop -er 和 W atson 将该法正式命名为化学质量平衡法 (C M B 。C MB 模型的基本假设为 : 各类源排放出来的颗粒物 的化学组成相对稳定 ; 各类源排放出来的颗粒物之间没有 相互作用 ; 所

7、有对受体有贡献的主要源都被确定 , 并且知 道它们排放出来的颗粒物的化学组成 ; 元素个数必须大于 等于源的个数 ; 各类源排放出来的颗粒物的化学组成有明显的差异 ; 测样方法的误差是随机的 , 符合正态分布 4,6。 基于以上假设 , 可知受体的总质量浓度就是每一源类贡献浓 度值的线性加和 , 即= Jj =1S j(1式中 , 为受体大气颗粒物的总质量浓度 , g/m3; S j 为第 j 类 源贡献的质量浓度 , g /m3; J 为源类的总数。要确定各源类的贡献浓度值 , 只需测定所有对受体有贡 献的主要源和受体的成分谱 , 根据物质守恒原理有 :i = Jj =1F ij S j (

8、i =1, 2, , I (2式中 , i 为受体颗粒物中元素 i 的浓度测量值 , g /m 3; F ij 为 第 j 类源颗粒物中元素 i 的浓度测量值 , g /m 3; I 为元素的总 数 , 其余符号同前。只要满足元素总数大于等于源类总数 , 则可以计算出各 源类的浓度贡献值。那么理论上各个源类的贡献率为 :j =S j100%(3式中 , j 为第 j 类源的贡献率 , 其余符号同前。 2 C MB 模型研究现状及发展趋势 2. 1 源和受体 C MB 模型关于源和受体的研究主要包括对受体有贡献的主要源的确定、 源和受体成分谱分析两个方面。目前 C M B 模型对受体有贡献的主要

9、源的确定大多依靠经验 , 相关研究不多。陈立奇等 7、 柳海燕等 8、 刘昌岭等 9曾用不同方法进行大气气溶胶的来源及成分分析的研究。 这些研究虽然都不是对 C MB 模型的研究 , 但是主要源的确 定对解析结果具有重要影响 , 在今后的源解析工作中借鉴这 些研究方法确定 C M B 模型的主要源 , 可能提高 C M B 模型解 析结果的可信度。目前 , C M B 模型关于源和受体成分谱分析 方面的研究也比较少 , 在相当长时间内主要依据无机元素来 识别污染源确定其贡献率。但是污染源排放性质的变化导 致仅靠无机元素很难甚至根本无法识别一些重要的污染 源 10-11。因此 , Schauer

10、 等在 20世纪 90年代提出有机示踪 技术12, 这是对 C M B 受体模型的重要发展。 目前该技术已在美国得到广泛应用。C M B 模型计算源类贡献浓度的基本原理是物质守恒 , 所以在今后选择成分谱时除考虑增加有机物外 , 还要注意排 除在从源进入受体时容易发生变化导致质量改变的物质 , 同 时在测定成分谱的方法选择上也要考虑对测定的物质是否责任 编辑 张彩丽 责任校对 傅真治安徽农业科学 , Jou r n al ofAnhu iAgr. i Sc. i 2010, 38(30:16994-16995, 169992. 2 算法 在 C M B 模型发展过程中 , 求解方法提出过很多

11、种算法 , 主要有示踪元素法、 线性程序法、 普通加权最小二乘 法、 岭回归加权最小二乘法、 部分最小方差法和有效方差最 小二乘法等。目前 C MB 模型最常采用的算法是有效方差最 小二乘法 , 该方法就是使加权的元素测量值与计算值之差的 平方和最小 10。20世纪 80年代 , 一些新颖的优化算法通过模拟或揭示 某些自然现象或过程而得到发展 , 这些算法独特的优点和机 制 , 引起了国内外学者的广泛重视并掀起了该领域的研究热 潮 , 且在诸多领域得到了成功应用。李祚泳等率先把遗传算 法引入到 C M B 模型中 , 对污染源贡献浓度值进行优化求解 , 从而获得各污染源对大气颗粒物的最优贡献率

12、 13。其后遗 传算法改进模型、 禁忌搜索算法、 免疫进化算法也被相继引 入到 C M B 模型中 14-15。但是 , 优化算法用于 C M B 模型中污 染源贡献浓度值优化求解时算法参数的选取一般凭经验和 试验 , 对问题的求解过程和最终结果因人而异 , 重现性较差 , 且优化时的目标函数选择误差平方和最小还是有效方差最 小 , 目前还没有人进行相关研究。因此 , 采用优化算法求解 C MB 模型中各个源的贡献率还有待进一步的研究。2. 3 解析对象 C M B 模型最初主要用于 TSP 和 P M 10的源 解析研究 , 经过几十年的发展 , 已经在解析对象上有了比较 大的发展。2. 3

13、. 1 混合尘源解析。由于大气颗粒物的来源十分复杂 , 同一种污染源也可通过不同的途径进入到环境受体中 , 导致 利用 C MB 模型进行解析时经常遇到一组数据多种结果的现 象。同时 , 由于混合尘源的特殊性 , 其与各单一尘源类存在 着较为严重的共线性 , 而目前还无法通过选择合适的标识元 素将它们区分开 , 因此 , 很难直接用 C MB 模型准确解析出它 们对受体的分担率。在我国颗粒物污染在城市污染中占很大比例的情况下 , 通过各种途径控制颗粒物污染是非常必要的。扬尘作为一 种混合尘源类 , 由各单一尘源类的部分颗粒物混合组成 , 不 仅是环境空气中颗粒物的排放源类 , 还是各单一尘源类

14、所排 放的颗粒物的接受体。因此 , 除从根本上控制各种单一尘源 外 , 控制扬尘也是一种重要的污染控制手段。为此 , 冯银厂 等在国际上首次提出了大气颗粒物二重源解析技术 , 为解决 大气颗粒物源解析技术中扬尘贡献率提供了一种思路 16。 其基本原理在于扬尘既然是环境空气中颗粒物的排放源类 , 也可以用 C M B 模型计算其对受体的分担率。其后二重源解 析技术在我国得到较多的应用 17-20。但是 , 郝明途等认为 在二重源解析的计算中扬尘代替了某一单一尘源类且代替 的源类与其有严重的共线性 , 所以扬尘对受体的实际贡献值 应该比结果中扬尘对受体的贡献值低 , 而被代替尘源类直接 对受体的贡

15、献值应比结果高。为此 , 他们从与扬尘没有共线 性或共线性很弱的源类 (独立源 着手 , 去反推扬尘对受体的 实际贡献值 , 对二重源解析技术进行了改进 , 通过数据进行 了验证 , 并开发了相应的软件 21-23。二重源解析技术为混合尘源的解析提供了一种思路 , 同 时二重源解析技术的改进对该技术进行了完善。但是二重 , 的情况下无法适用 , 并且无论是二重源解析技术还是二重源 解析技术的改进都是采用扬尘去代替某一个单一尘源类 , 就 必然和其他与其共线性的源类一起带入 C M B 模型进行计 算 , 没有从根本上解决共线性的问题。因此 , 混合尘源解析 工作的进一步完善还有待于更多研究者将

16、其他学科尤其是 数学学科中解决共线性问题的方法引入。2. 3. 2 P M2. 5。美国环保局在 1997年提出的环境空气中颗 粒物标准的修改提案中新增了关于 P M 2. 5的标准。而我国对P M2. 5的研究起步比较晚 , 现在还没有制定相应的标准 , 也未 将其列为控制指标。但是 , P M 2. 5具有比 P M 10更小的粒径和 更加巨大的比表面积 , 更容易富集空气中有毒有害物质 , 而 且能较长时间停留在空气中 , 不易沉降 , 易被输送到较远地 方 , 可在肺泡沉积 , 并进入血液循环 , 其对环境及健康的影响 已引起越来越多国家和地区的重视。国外大量研究表明 , P M 2.

17、 5在 P M 10中占有很大比例 , 污染越重的地区 P M 2. 5与 P M 10的比值也越大 , 据美国和加拿大几个城市报道 , 污染较轻的 城市 P M 2. 5与 P M 10比值在 0. 30. 4, 污染较重的城市该比值在 0. 50. 7。因此 , 对 P M2. 5进行源解析具有更大的现实意 义 , 将来必将成为一个重要的研究方向。近年来我国也相继开展了许多关于 P M2. 5的研究 , 对其 化学成分特征及来源研究取得了一定成果。但应用 C M B 模型解析 P M2. 5时存在物质变化比较复杂 , 选择的成分谱可能 出现质量不守恒的问题 , 通常需要进行一定的改进。杨圣

18、杰 等采用多元素同时测定及 C M B 模型对北京市采暖期和非采 暖期 2. 5 m 小颗粒进行源解析 , 结果表明汽车尾气排放为 北京市主要污染源 24。 Che ng 等提出用降解因子 来校正 CMB 模型 25。2. 3. 3 VOCs 。 城市上空对流层中臭氧过多生成与大气中 挥发性有机物 (VOCs 有关 , 这些有机物质被氧化后生成的活性基团能够与氮的氧化物反应生成 NO2, 从而改变臭氧与 氮的氧化物所形成的光化学平衡 , 导致臭氧增加 4, 6。此外 , VOC s 还与城市中产生光化学烟雾有关 , 很多城市环境中存 在的 VOC s 具有较强的毒性 , 具有 三致 (致癌、

19、致畸、 致突 变 作用。因此 , 对 VOC s 进行源解析也是一项重要的工作。 这几年利用 C MB 模型对大气中的 VOCs 进行源解析的 研究在国外成为热点 6。 W atso n 等 26、 Sri vastava 27都进行 过相关研究。由于 VOCs 在大气环境中易发生化学变化 , 采用 C MB 模 型解析时很难选择满足质量守恒的元素和物质作为成分谱 , 因此很难得到较为准确的源解析结果。目前国内外在这方 面还有待于深入研究 , 选择合适的物质和分析方法应从元素 入手 , 确定能满足质量守恒的成分谱是采用 C M B 模型解析 VOC s 来源可能的解决办法。3 小结该研究从 C

20、MB 模型的源和受体、 算法和解析对象 3个 方面对其研究现状进行了综述 , 对各个方面的发展趋势提出 了自己的看法。可以看出 , 尽管 C MB 模型已经在源解析方 面有了比较深入的研究 , 但是在源和受体的成分谱选择以及 监测方法选择上要满足模型要求的质量守恒还需要更多的 深入研究 ; 在模型算法方面将新出现的优化算法和传统方法 1699538卷 30期 邹长武等 大气颗粒 物源解析化学质量平衡模型研究进展表 5 水资源价 格上限参 数Tabl e 5 Para m eter of w ater resource pri ce ca p 元 /年年份 Year人均收入Inco m e p

21、er capita年 份Y ear人均收入 Inco m e per cap i ta注 :资 料来源于 泉州年 鉴 。Note :The data are fro m Quan z hou Yearbook .表 6 加权欧氏 距离法对水 资源价格 的评价结 果Table 6 The ev a l uati on results of wei ghted Eucli dea n dista nce o n w ater res ource price年份 Year 污染后价 格 元 /m 3Pri ce after p o ll uti on污染前 价格 元 /m3Pri ce b efor

22、e p o ll uti on损 失 亿元 Loss20041. 20111. 34692. 0407 20051. 42251. 66693. 4219 20061. 76462. 03883. 8394 20072. 18002. 48184. 2253 20082. 55242. 94255. 4617 20093. 01693. 51196. 9299距离水资源价值评价模型也可用于工业水和农业用水的水 资源价格中 , 只需将水资源价格上限的参数换为相应值。山 美水库是生活水源地 , 故计算 d时 , 选择了一类水。也可选 择二或三类水计算 d 0, 从而得到不同级别中的价值损失。从 计

23、算过程中可以看出 , 加权欧氏距离水资源价值评价模型克 服了影子价格和 CGE 模型相关资料收集困难 , 处理量大 , 应 用困难的缺点 , 比边际机会成本更有可比性。影子价格、 CGE 和收益现值模型造成价格偏低 , 无法反映水资源本身的价 值 , 不利于生态环境的改善 , 而该模型得到的结果更加客观 , 符合实际。供求定价模型过分强调水资源量决定水资源价 值且未考虑到用水功能的划分 ; 模糊数学法计算较繁琐 , 过 分强调取极值 , 而掩盖了其他信息。加权欧氏距离模型综合 考虑了水资源价值的自然、 经济、 社会影响因素 , 由其在多维 空间直角坐标中的点决定 , 考虑更全面 , 结果更合理

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26、:66-68.(上接第 16995页 相结合 , 选择合适的优化目标函数是非常必要的 ; 在面对逐 渐拓广的研究对象方面 , 无论是扬尘、 P M2. 5还是 VOCs 的来 源解析都还有必要借鉴其他学科的知识和方法以提高解析 结果的精度。参考文献1张 蓓 , 叶新 , 井 鹏 . 城市 大气 颗粒 物 源解 析技术 的研究 进展 J.能源与 环 境 , 2008(3:130-133.2王 春燕 , 周 颖 , 李跃 春 . 大气 可吸 入 颗粒 物解析 技术研 究进展 J.四川 气 象 , 2006, 26(4:22-25.3方 璇 , 耿长 君 , 徐友 海 , 等 . 污染 物的源计 息

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