化学质量平衡受体模型及其在大气颗粒物源解析中的应用

综述化学质量平衡受体模型及其在大气颗粒物源解析中的应用Ξ李先国,范莹,冯丽娟(中国海洋大学化学化工学院,山东青岛266003)摘要:化学质量平衡模型已成为重要的颗粒物源解析模型之一。简述了大气颗粒物源解析技术的发展概况和化学质量平衡(CMB)受体模型的基本原理,对该模型应用中的关键问题,大气颗粒物源解析的进展情况作了详细的阐述。关键词:大气颗粒物;受体模型;化学质量平衡;源解析中图法分类号:O642.4+3;O648.18文献标识码:A文章编号:167225174(2006)022225204大气颗粒物是指那些悬浮在大气中的固体或液体颗粒物,在环境科学中,有时把颗粒物称为气溶胶。尽管大气颗粒物不是大气的主要组分,但它是大气环境中普遍存在又无恒定化学组成的聚集体。就人类健康而言,大气颗粒物本身就是有害物质,可能被人体吸入而对呼吸道和肺脏造成危害;它还是有毒物质的载体或反应床,如致癌、致畸、致突变的物质绝大部分都存在于颗粒物中,并且可使一些气体污染物转化成有害的颗粒物或使某些污染物的毒性增强[1]。此外,颗粒物能够散射太阳光,致使能见度下降;颗粒物还可在全球范围内扩散迁移。因此,对大气颗粒物的研究越来越受到人们的重视。大气颗粒物的分类方法各式各样,种类和名称也很多[1]。在大气环境监测中,通常把用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集的颗粒物称为总悬浮颗粒物(TotalSuspendedParticulate或TSP,粒径范围为0.1～100μm);把那些长时间飘浮在大气中颗粒直径<10μm的悬浮物称为飘尘(AirbornParticulate,PM10),而把那些>10μm,由于自身重力作用而很快沉降下来的部分称为降尘(DustFall)。1970年代初,我国就把尘污染控制作为大气环境管理的重要内容。为了有效控制大气颗粒物的污染,不仅要了解大气颗粒物的来源,还要定量地计算出各个源的贡献值,这就是源解析(SourceApportionment)技术。源解析是大气气溶胶研究的1个重要方面,也是制定大气污染防治规划的依据,对于确定污染治理重点和环境管理有着十分重要的指导意义。本文在对源解析技术做一简介基础上,着重介绍化学质量平衡(CMB)受体模型及其应用。1源解析技术简介1970年代以前,大气颗粒物的源解析基本停留在定性和半定量的水平。研究方法主要分为以下2种[2]:显微法和化学法。显微法适用于分析形态特征比较明显的气溶胶,主要包括光学显微镜法、扫描电子显微镜法和计算机控制扫描电镜法。化学法以气溶胶特性守恒和特性平衡分析为前提判别气溶胶的来源及其贡献,包括富集因子法、因子分析法、相关分析法、多元线性回归法、特征向量分析和空间模式法等。邵敏等[3]利用加速器质谱仪(AMS)对北京、湖南南岳和青岛的气溶胶及这些地区的地表土进行了测定,将多元线性回归方法与AMS方法相结合分析这些样品中微量元素组分和含碳组分的来源,结果表明,大气气溶胶含碳组分具有与微量元素组成不同的来源特征。陈立奇等[4]通过因子分析和相关分析,得出了台湾海峡海域大气颗粒物中Fe,Pb,Cd等金属的来源特征。柳海燕等[5]利用因子分析、富集因子和稀土元素分布模态对1993年9月～1994年8月在青藏高原五道梁采集到的气溶胶样品中多种化学元素成分的浓度资料进行综合分析,得出了该地区低层大气气溶胶的来源,同时还讨论了源的季节变化以及各源气溶胶质量浓度的相对贡献。刘昌岭等[6]通过因子分析和元素富集因子对青岛市区大气颗粒物中金属元素的来源进行了初步的探讨,结果表明,大气颗粒物中重金属主要来源为地壳土壤尘、煤灰尘、燃油尘及海水。从1970年代起,以建立定量的数学模型为基础,定量化的源解析技术开始出现。从本质上来说,这些技术都属于化学法的范畴,总体上可以分为2种:一是Ξ收稿日期:2005207218;修订日期:2005212212作者简介:李先国(19652),男,博士,博导。E2mail:lixg@ouc.edu.cn第36卷第2期2006年3月中国海洋大学学报PERIODICALOFOCEANUNIVERSITYOFCHINA36(2):225～228Mar.,2006以污染源为对象的扩散模型[7];二是以受污染区域为对象的受体模型。经过30多年的发展,受体模型解析技术得到了广泛的应用,成为源解析技术的主要方法之一,其中化学质量平衡(CMB)模型是实际应用最广泛的受体模型,也是下面要重点介绍的。2化学质量平衡(CMB)模型的介绍化学质量平衡(CMB)法是大气颗粒物源解析受体模型研究方法中的1种,该法于1972年由Miller,Friedlander和Hidy等人[8]第一次提出,在1980年由Cooper和Watson正式命名为化学质量平衡法。由该方法建立起来的CMB模型是目前在实际