王 露,畢曉輝,劉保雙,郜計(jì)欣,李廷昆,張?jiān)７?田瑛澤,馮銀廠

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基于CALPUFF-CMB復(fù)合模型的燃煤源精細(xì)化來源解析

王 露,畢曉輝*,劉保雙,郜計(jì)欣,李廷昆,張?jiān)７?田瑛澤,馮銀廠

(南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,國家環(huán)境保護(hù)城市空氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350)

為了反映燃煤源對(duì)環(huán)境受體的影響情況,利用擴(kuò)散模式(CALPUFF模式)對(duì)燃煤源多種子源類的排放、擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬,得到燃煤源各子源類對(duì)環(huán)境受體中PM10的影響權(quán)重,進(jìn)而構(gòu)建更具代表性的燃煤源成分譜.然后將受體顆粒物化學(xué)成分和兩套源成分譜(基于環(huán)境影響構(gòu)建的燃煤源成分譜和基于各子源類煤煙塵排放量加權(quán)平均的傳統(tǒng)源成分譜),分別納入CMB模型進(jìn)行烏魯木齊市采暖季環(huán)境受體中PM10的來源解析. 結(jié)果表明:基于CALPUFF模擬結(jié)果,得到燃煤源的3類子源類-電廠、供熱、工業(yè)燃煤源的影響權(quán)重分別為0.02、0.39和0.59.基于傳統(tǒng)方法構(gòu)建的源成分譜進(jìn)行源解析的結(jié)果顯示,各源類的貢獻(xiàn)大小依次為:集中燃煤(27.2%)>城市揚(yáng)塵(19.1%)>二次硫酸鹽(15.7%)>民用散煤(9.9%)>二次硝酸鹽(9.5%)>機(jī)動(dòng)車尾氣塵(7.6%)>鋼鐵塵(1.2%)>建筑水泥塵(0.2%);而基于環(huán)境影響構(gòu)建的源成分譜獲得的結(jié)果顯示:二次硫酸鹽(20.1%)>城市揚(yáng)塵(20%)>集中燃煤(18.9%)>民用散煤(11.5%)二次硝酸鹽(10.5%)>機(jī)動(dòng)車尾氣塵(9%)>鋼鐵塵(1.7%)>建筑水泥塵(1.4%).基于不同燃煤源子源類對(duì)受體環(huán)境的影響權(quán)重,將烏魯木齊市顆粒物來源解析結(jié)果進(jìn)一步細(xì)分,得到相對(duì)精細(xì)化的來源解析結(jié)果. 結(jié)果顯示,民用散煤的貢獻(xiàn)為11.5%,電廠燃煤源為0.4%,供熱燃煤源為7.4%,工業(yè)燃煤源為11.1%.

PM10；CALPUFF-CMB；燃煤源成分譜；環(huán)境影響；源解析

大氣顆粒物污染問題已成為降低大氣能見度、危害人體健康、影響天氣和氣候的重要原因[1-6].為有效控制顆粒物污染,定量識(shí)別其污染來源十分必要,因此對(duì)于顆粒物的來源解析研究已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)[7-9].目前對(duì)空氣中顆粒物進(jìn)行源解析的方法眾多,以受體模型、源清單分析和空氣質(zhì)量模型3類為主[10],而受體模型中的化學(xué)質(zhì)量平衡模型(CMB)在我國應(yīng)用最為廣泛[11-13]. CMB的基本輸入?yún)?shù)包括受體顆粒物化學(xué)成分和源成分譜,其中源成分譜的準(zhǔn)確程度很大程度上決定了源解析結(jié)果的準(zhǔn)確程度[14].

目前,國內(nèi)外對(duì)源成分譜的相關(guān)研究主要集中在排放源的分類[15-16]、排放源顆粒物的化學(xué)組分和測定方法[17-19]、顆粒物各類排放源成分譜的研究[20]以及各排放源類中標(biāo)識(shí)元素的確定等方面[21-22].針對(duì)情況十分復(fù)雜、擁有諸多子源類的燃煤源成分譜的構(gòu)建方法研究更是十分缺乏.目前的燃煤源成分譜構(gòu)建方法主要集中在算術(shù)平均法[23]和基于排放量的加權(quán)平均法[24-25],而這兩種方法均沒有考慮到不同子源類經(jīng)過傳輸擴(kuò)散過程對(duì)受體環(huán)境的影響程度,與燃煤源各子源類對(duì)環(huán)境受體的的真實(shí)影響情況存在明顯的偏差,同時(shí)不同行業(yè)燃煤源對(duì)環(huán)境受體的貢獻(xiàn)無法定量,不便于管理部門有針對(duì)性地制訂顆粒物污染控制措施.

烏魯木齊位于新疆天山以北,大氣顆粒物污染較為嚴(yán)重[26-27].其中PM10仍然是影響其空氣質(zhì)量的首要污染物[28-29].近3a的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,烏魯木齊的PM10的平均濃度為123.1μg/m3,超過國家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的1.8倍.因此,明確烏魯木齊PM10的來源及貢獻(xiàn)對(duì)于針對(duì)性的管理具有非常重要的意義.本研究于烏魯木齊市,利用擴(kuò)散模型建立基于環(huán)境影響的新的燃煤源成分譜和基于各子源類煤煙塵排放量加權(quán)平均的傳統(tǒng)源成分譜,分別納入CMB模型計(jì)算烏魯木齊環(huán)境受體中PM10的源貢獻(xiàn).然后將燃煤源對(duì)PM10的貢獻(xiàn)繼續(xù)細(xì)分,定量給出各燃煤源子源類對(duì)環(huán)境受體顆粒物的貢獻(xiàn),從而為烏魯木齊的管理部門制定燃煤源的精細(xì)化控制措施提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)概況

圖1 烏魯木齊市采樣點(diǎn)分布

MS: 監(jiān)測站, ME: 米東環(huán)保局, RA: 鐵路局, TB: 收費(fèi)所, TS: 三十一中, SS: 七十四中

烏魯木齊市位于我國天山以北、準(zhǔn)噶爾盆地以南地區(qū),是新疆的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心,市域面積超過14000km2,人口超過300萬;氣候?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?季節(jié)性特征較明顯.2011年,烏魯木齊市平均風(fēng)速和氣溫分別為2.0m/s和7.3℃,年降水量為238.2mm,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng).為采集到研究區(qū)域內(nèi)足夠的、有代表性的受體顆粒物樣品,本研究主要依托環(huán)境空氣質(zhì)量國控點(diǎn)進(jìn)行受體采樣點(diǎn)布設(shè),綜合考慮各點(diǎn)位在研究區(qū)域的均勻分布及對(duì)各主要功能區(qū)的覆蓋,最終選定監(jiān)測站、米東環(huán)保局、鐵路局、收費(fèi)所、三十一中和七十四中六個(gè)采樣點(diǎn)位,各點(diǎn)位空間分布情況見圖1,點(diǎn)位的周邊環(huán)境情況見表1.

表1 烏魯木齊市采樣點(diǎn)位特征

1.2 受體樣品采集

采樣期為2011年2月13日~3月7日,每個(gè)點(diǎn)位保證至少7d有效數(shù)據(jù),每天連續(xù)采樣20h,各點(diǎn)同步采樣. PM10樣品通過武漢天虹儀表有限公司生產(chǎn)的智能中流量采樣器(TH-150C)獲得,采樣器流量為100L/min,選擇直徑為90mm的石英濾膜(500QAT-UP,頗爾生命科學(xué)公司,中國)和聚丙烯纖維膜(北京合成纖維研究所)進(jìn)行環(huán)境受體中PM10的采集.采樣之前中流量采樣器均統(tǒng)一進(jìn)行了流量校準(zhǔn).石英濾膜樣品用于分析碳組分和水溶性離子,聚丙烯纖維膜樣品用于分析元素組分.采樣期間,除了10%的平行樣和空白樣,共獲得120個(gè)有效PM10樣品.

1.3 源樣品采集

本研究根據(jù)對(duì)烏魯木齊市自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、能源結(jié)構(gòu)、城市建設(shè)、工業(yè)現(xiàn)狀、及主要大氣污染特征的調(diào)查研究以及前期的研究結(jié)果[30],識(shí)別出城市揚(yáng)塵、建筑水泥塵、機(jī)動(dòng)車尾氣塵、燃煤源、鋼鐵塵為當(dāng)?shù)刂饕廴驹?其中燃煤源再分為集中燃煤源和民用燃煤源兩類.城市揚(yáng)塵、建筑水泥塵、鋼鐵塵、集中燃煤源通過采集全粒徑顆粒物獲取,各污染源類的采集原則和方法見文獻(xiàn)[31].所采集全粒徑樣品全部經(jīng)自然晾干后過150目(100μm)標(biāo)準(zhǔn)篩,再通過再懸浮技術(shù)將PM10顆粒物重新采集到濾膜上以備分析[29].二次硝酸鹽和二次硫酸鹽的成分譜分別由純的硝酸銨和硫酸銨代替[32].機(jī)動(dòng)車尾氣塵成分譜基于文獻(xiàn)中獲得[30].

1.4 化學(xué)成分分析

本研究源與受體采集所得石英濾膜樣品用于分析水溶性離子和碳組分,采集所得聚丙烯濾膜用于分析無機(jī)元素[33].其中,碳組分使用DRI-2001A熱光碳分析儀(美國沙漠研究所)測定OC、EC兩類組分含量;水溶性離子使用DX-120IC型離子色譜儀(戴安,美國)測定Cl-、NO3?、SO42?等陰離子和NH4+、K+、Mg2+、Na+、Ca2+等陽離子含量;無機(jī)元素使用ICP 9000(N+M)型等離子體原子發(fā)射光譜儀(熱電公司,美國)測定Na、Mg、Al、S、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Br、Ba、Hg、Pb等20種元素的含量.各成分的具體分析方法見文獻(xiàn)[31-33].

1.5 質(zhì)量控制與質(zhì)量保證

為消除濾膜中的揮發(fā)性組分對(duì)膜稱重的影響,采樣前將石英濾膜放置于馬弗爐中,600℃下灼燒2h以去除可能的有機(jī)碳的影響[31].采樣前后,將所有濾膜置于溫度為20℃,相對(duì)濕度為50%的恒溫恒濕箱中平衡48h以上,再用精度為0.01mg的Mettler AX205型微量天平對(duì)濾膜進(jìn)行稱重.稱量環(huán)境與平衡環(huán)境一致,每張濾膜稱量2次以上,確保兩次稱量數(shù)據(jù)相差在0.05mg以內(nèi).然后,將所有的濾膜樣品置于溫度為-4℃的冰箱環(huán)境中保存以用于化學(xué)分析[33].使用DRI－2001A型碳分析儀分析顆粒物中的碳組分時(shí),在每次分析前采用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行校準(zhǔn);使用戴安DX－120IC型離子色譜儀測定水溶性離子含量過程中,分析時(shí)做10%樣品量的平行樣,以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[34].

2 研究方法

2.1 CMB模型

CMB模型的核心為一組線性方程,其根本就是受體中每種化學(xué)組分的濃度等于各排放源類成份譜中該化學(xué)組分的含量與各排放源類對(duì)受體的貢獻(xiàn)濃度值乘積的線性加和[35].其原理可以用式(1)表示:

式中:為受體大氣顆粒物的總質(zhì)量濃度,μg/m3;S為每種源類貢獻(xiàn)的質(zhì)量濃度,μg/m3;為源類數(shù)目,=1,2…….

受體大氣顆粒物上的化學(xué)組分的濃度為C,于是可以寫成式(2)

式中:C為受體大氣顆粒物中化學(xué)組分的濃度測量值,μg/m3;F為第類源的顆粒物中化學(xué)組分的含量測量值,g/g;S為第類源貢獻(xiàn)的濃度計(jì)算值, μg/m3;為源類數(shù)目,=1,2……;為化學(xué)組分?jǐn)?shù)目,=1,2…….

當(dāng)3時(shí),方程組的解為正.得到源類的貢獻(xiàn)值為下式所示:

= S/×100% (3)

式中:為源類的貢獻(xiàn)值.

2.2 CALPUFF模型

CALPUFF模型是美國EPA支持開發(fā)并推薦的用于模擬污染物傳輸行為的中尺度空氣質(zhì)量模型.該模型考慮復(fù)雜地形的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)及靜風(fēng)等非定常條件以及污染物的干濕沉降等過程,可以較好地模擬一次污染物在幾十到幾百Km范圍內(nèi)的擴(kuò)散[36].

CALPUFF主要包括CALMET、CALPUFF、CALPOST 3個(gè)部分,需要?dú)庀?、地理和污染?類信息[37]. 其中CALMET為氣象預(yù)處理模塊. CALPUFF煙團(tuán)擴(kuò)散模塊是模式的核心部分,利用CALMET產(chǎn)生的氣象場文件,計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)和各指定點(diǎn)的污染濃度.污染源信息來自于對(duì)烏魯木齊市電廠燃煤源、工業(yè)燃煤源和散煤源的調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),包括坐標(biāo)位置、煙囪高度、煙囪直徑、污染物出口溫度、污染物排放速率等.建立氣象場所需地面氣象數(shù)據(jù)來源于烏魯木齊市6個(gè)地面氣象站同期的風(fēng)向風(fēng)速、溫度、濕度、總云、氣壓、云高等逐時(shí)數(shù)據(jù),一日2次的探空數(shù)據(jù)來源于當(dāng)?shù)馗呖仗娇照?地形數(shù)據(jù)使用的是美國NASA的SRTM3數(shù)據(jù)(空間分辨率90m),土地利用數(shù)據(jù)使用的是NASA MODIS全年數(shù)據(jù)(MCD12Q1,空間分辨率500m)[36-37]. CALPUFF模擬范圍在烏魯木齊市的四面邊界基礎(chǔ)上再外推5km,網(wǎng)格距設(shè)置為1km.該模型的具體介紹和操作見文獻(xiàn)[38-40].

2.3 CALPUFF-CMB復(fù)合模型解析方法

圖2 CALPUFF-CMB復(fù)合模型方法流程

圖中1是來自子源類1的CALPUFF模擬濃度;1是指子源類1對(duì)環(huán)境受體的影響權(quán)重,以此類推.

本研究構(gòu)建了CALPUFF-CMB復(fù)合模型,主要分為3步:1.利用CALPUFF模型對(duì)某個(gè)源類M中多種子源類(本研究中指燃煤源的4種子源類:電廠、供熱、工業(yè)、民用燃煤源)的排放、擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬,得到各子源類對(duì)受體點(diǎn)位產(chǎn)生的污染物濃度,進(jìn)而計(jì)算出各子源類對(duì)環(huán)境受體的影響權(quán)重;2.根據(jù)源類M中各子源類對(duì)環(huán)境受體的影響權(quán)重確定其在污染源成分譜中的權(quán)重,構(gòu)建基于環(huán)境影響的M源成分譜,并納入CMB模型中進(jìn)行來源解析計(jì)算,確定各源類對(duì)環(huán)境受體的貢獻(xiàn); 3.利用CALPUFF模擬獲得的源類M中各子源類對(duì)環(huán)境受體的影響權(quán)重將源解析結(jié)果中的M源貢獻(xiàn)率進(jìn)一步分配,得到更為精細(xì)化的顆粒物來源解析結(jié)果.圖2是CALPUFF-CMB復(fù)合模型法完整的流程圖.源類M中各子源類對(duì)環(huán)境受體的影響權(quán)重等于利用CALPUFF模擬的各子源類所占的濃度比例:

式中:f是指第種子源類對(duì)環(huán)境受體的影響權(quán)重;是指子源類的總數(shù).

3 結(jié)果與討論

3.1 烏魯木齊市燃煤源子源類PM10源成分譜特征

按照燃煤源不同子源類分別進(jìn)行污染源樣品采集,并對(duì)采集到的源樣品分別加以處理、分析,建立了烏魯木齊市大氣顆粒物燃煤源多種子源類PM10成分譜,包括電廠燃煤源、供熱燃煤源、工業(yè)燃煤源以及民用燃煤源,如圖3所示.

圖3 燃煤源子源類PM10源成分譜

由源成分譜(圖3)可以看出,電廠燃煤源成分譜中占比較為突出的組分分別為SO42-(20.6%)、Cl-(11.8%)、NH4+(8.2%)、Al(6.0%)、Si(3.5%)、OC(3.4%)、Ca(1.8%)、EC(1.4%)等.其中SO42-是占比最高的組分,這可能與電廠采取的濕法脫硫工藝相關(guān)[41].研究發(fā)現(xiàn),Cl-含量約為其他種類燃煤源中含量的6~26倍,而NH4+含量也為其他幾類源的2倍左右,Cl-和NH4+成為電廠燃煤源區(qū)別于其他幾種燃煤源的特征之一.供熱燃煤源成分譜中占比較高的組分分別為SO42-(16.0%)、EC(8.0%)、Ca(5.3%)、Si(4.7%)、NH4+(4.6%)、Al(4.1%)、OC(3.4%)等,多種組分比例與其他幾種燃煤源并不存在明顯差異,而EC含量在幾種燃煤源中最高.工業(yè)燃煤源成分譜中占比較為突出的組分分別為SO42-(18.2%)、OC(6.9%)、Ca(5.1%)、EC(4.3%)、Na(3.9%)、Fe(3.2%)、Si(3.1%)等.研究發(fā)現(xiàn),相比于其他幾類燃煤源,Mg、Al、Si含量最低,而Na、Fe等組分含量最高. 民用燃煤源成分譜與電廠、工業(yè)和供熱燃煤源PM10成分譜差別較大,占比較為突出的組分分別為OC(39.8%)、SO42-(11.0%)、EC(6.7%)、Si(5.5%)、Al(3.6%)、NH4+(3.5%)、Ca(3.2%)等,其中OC占比最高. SO42-占比小于電廠、工業(yè)和供熱燃煤,可能是由于民用燃煤產(chǎn)生的污染物一般直接排放到環(huán)境空氣中,不存在濕式脫硫過程[42].

3.2 CALPUFF模擬燃煤源的環(huán)境影響結(jié)果

將烏魯木齊市燃煤源排放清單細(xì)分為包括電廠、供熱、工業(yè)3類并處理后納入CALPUFF模式進(jìn)行PM10等污染物的擴(kuò)散、傳輸?shù)冗^程的模擬,得到不同類污染源對(duì)不同受體點(diǎn)位產(chǎn)生的PM10濃度如表2所示.

由表2可知,相對(duì)于供熱燃煤源和工業(yè)燃煤源而言,電廠燃煤源對(duì)不同點(diǎn)位造成的影響差異相對(duì)較小,PM10濃度范圍為1.76~6.80μg/m3,而多點(diǎn)位濃度平均值為(3.50±1.83)μg/m3,烏魯木齊市電廠燃煤源對(duì)各點(diǎn)位環(huán)境受體中PM10的影響未表現(xiàn)出明顯差異.而供熱燃煤源與工業(yè)燃煤源對(duì)受體點(diǎn)位的影響則有較為明顯的空間差異性(表1).由供熱燃煤源排放獲得的PM10濃度范圍為8.84~124.89μg/m3,而多點(diǎn)位濃度平均值為(65.13±51.32)μg/m3,其中TB (124.89μg/m3)、MS(117.55μg/m3)和RA (88.33μg/m3)點(diǎn)位的PM10濃度高于平均值,且TB和MS 2點(diǎn)位濃度約為均值的2倍;SS(23.02μg/m3)、ME(8.84μg/m3)和TS(28.13μg/m3)點(diǎn)位的PM10濃度低于均值,且ME濃度僅為均值的1/7.濃度最高的點(diǎn)位是TB,可能是由于TB周圍為居住、學(xué)校、辦公及商業(yè)區(qū),在采暖季存在大量的燃煤供熱活動(dòng).由工業(yè)燃煤源產(chǎn)生的PM10濃度范圍為54.15~238.45μg/m3,而多點(diǎn)位濃度平均值為(99.23± 69.01)μg/m3,其中僅ME點(diǎn)位濃度(238.45μg/m3)高于平均值,且高于均值的2倍,作為烏魯木齊市最大且十分重要的工業(yè)區(qū)(表1),米東區(qū)內(nèi)涵蓋多種類型工廠,容易造成嚴(yán)重工業(yè)污染,尤其以燃煤源污染最為突出[30];而其余點(diǎn)位PM10濃度差異不顯著,可能說明烏魯木齊市工業(yè)燃煤源污染有十分明顯的區(qū)域差異.

表2 3種燃煤源子源類環(huán)境影響模擬結(jié)果

利用CALPUFF模式模擬得到燃煤源中子源類(電廠、供熱、工業(yè)燃煤源)對(duì)受體點(diǎn)位產(chǎn)生的污染物濃度分別為(3.50±1.83)、(65.13±51.32)、(99.23± 69.01)μg/m3,各子源類所占的濃度比例即為其在污染源成分譜中的權(quán)重.經(jīng)計(jì)算,電廠、供熱、工業(yè)燃煤源三者的影響權(quán)重分別為0.02、0.39和0.59.在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行基于環(huán)境影響的燃煤源成分譜的構(gòu)建.

3.3 基于環(huán)境影響與基于傳統(tǒng)方法構(gòu)建的燃煤源成分譜比對(duì)

基于CALPUFF的模擬結(jié)果,獲得了燃煤源不同子源類對(duì)環(huán)境受體 PM10濃度的不同影響,利用得到的權(quán)重將燃煤源子源類成分譜加權(quán)獲得基于環(huán)境影響的集中燃煤源成分譜.與此同時(shí),利用傳統(tǒng)方法,即將子源類的煤煙塵排放量加權(quán)平均獲得一套傳統(tǒng)集中燃煤源成分譜.

對(duì)比表3中2套集中燃煤源成分譜信息可以發(fā)現(xiàn),利用兩種方法構(gòu)建的源成分譜中多種組分含量存在較大差異.對(duì)于Na、K、Ca、Fe、OC、EC等組分,利用傳統(tǒng)方法構(gòu)建的源成分譜中含量(1.3%~ 4.6%)低于利用基于環(huán)境影響方法構(gòu)建的源成分譜中含量(1.8%~5.7%);對(duì)于NH4+、Cl-和SO42-3種組分,利用傳統(tǒng)方法構(gòu)建的源成分譜中含量(5.3%、4.7%和18.3%)則高于利用基于環(huán)境影響方法構(gòu)建的源成分譜中含量(3.7%、1.2%和17.3%),尤其是Cl-,傳統(tǒng)方法中含量(4.7%)約為基于環(huán)境影響方法中含量(1.2%)的4倍.總的來看,無機(jī)元素及碳組分在基于環(huán)境影響方法構(gòu)建的源成分譜中含量較高,而水溶性離子組分在傳統(tǒng)方法中含量較高.

3.4 基于兩套燃煤源成分譜的PM10來源解析

除燃煤源外,本文所識(shí)別出的污染源還包括城市揚(yáng)塵、建筑水泥塵、鋼鐵塵和機(jī)動(dòng)車尾氣塵,獲得的源成分譜見表3.利用各個(gè)污染源類中某些特征組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)()可以進(jìn)行源類的判別.由表3可知,(OC)、(Si)、(Ca) 和(Al) 在城市揚(yáng)塵中比較高,分別為18%、16%、7% 和7%,可作為其標(biāo)識(shí)元素;(Ca) 在建筑水泥塵中最高,為27%,是建筑水泥塵的標(biāo)識(shí)元素;鋼鐵塵中(Fe)最高,高達(dá)20%,是其標(biāo)識(shí)元素;(OC)和(EC)在機(jī)動(dòng)車尾氣塵中最高,分別為46%和29%,作為其標(biāo)識(shí)元素.與其他研究具有一致性[25,43].

該研究采用CMB模型對(duì)烏魯木齊市PM10的來源進(jìn)行解析,分別將兩套源成分譜(表3)以及環(huán)境受體顆粒物樣品成分譜(表4)共同納入CMB模型進(jìn)行擬合運(yùn)算,得到各一次源類和二次顆粒物對(duì)烏魯木齊市采暖季PM10的貢獻(xiàn).由圖4(a)可見,在參與擬合的源類中,各源類的貢獻(xiàn)率大小依次為:集中燃煤(27.2%)>城市揚(yáng)塵(19.1%)>二次硫酸鹽(15.7%)>民用散煤(9.9%)>二次硝酸鹽(9.5%)>機(jī)動(dòng)車排放(7.6%)>鋼鐵塵(1.2%)>建筑水泥塵(0.2%).貢獻(xiàn)源類以集中燃煤源最為突出(超過25%),同時(shí),民用散煤貢獻(xiàn)率也接近10%,二者累積貢獻(xiàn)率接近40%,成為首要貢獻(xiàn)源類,這說明烏魯木齊市屬于典型的煤煙型污染.此外,城市揚(yáng)塵貢獻(xiàn)率高達(dá) 19.1%,說明城市揚(yáng)塵對(duì)烏魯木齊市造成的大氣污染同樣不容忽視.由圖4(b)可見,在參與擬合的源類中,各源類的貢獻(xiàn)率大小依次為:二次硫酸鹽(20.1%)>城市揚(yáng)塵(20%)>集中燃煤(18.9%)>民用散煤(11.5%)>二次硝酸鹽(10.5%)>機(jī)動(dòng)車排放(9%)>鋼鐵塵(1.7%)>建筑水泥塵(1.4%).貢獻(xiàn)源類以二次硫酸鹽最為突出(貢獻(xiàn)率超過20%),這可能因?yàn)椴膳練鈶B(tài)前體物SO2濃度高,且烏魯木齊冬季相對(duì)濕度高于其他季節(jié),因此硫酸鹽在冬季的生成潛勢較高.其次,集中燃煤貢獻(xiàn)率達(dá)到18.9%,民用燃煤貢獻(xiàn)率達(dá)到11.5%,二者累計(jì)貢獻(xiàn)率超過30%,成為首要貢獻(xiàn)源類,這說明烏魯木齊市屬于典型的煤煙型污染.此外,城市揚(yáng)塵貢獻(xiàn)率高達(dá)20%,也是烏魯木齊市不可忽略的重要污染源.較高的揚(yáng)塵源貢獻(xiàn)與烏魯木齊的地形地貌條件、建筑施工活動(dòng)以及城市裸地等密切相關(guān)[28].

表3 CMB模型中使用的PM10源成分譜(%)

圖4 基于不同源成分譜構(gòu)建方法的PM10來源解析結(jié)果對(duì)比

表4 烏魯木齊采暖季的PM10化學(xué)組分譜(μg/m3)

近年來,相關(guān)學(xué)者對(duì)烏魯木齊市環(huán)境受體中的顆粒物進(jìn)行了源解析研究.如馮銀廠等[28]對(duì)烏魯木齊市環(huán)境空氣中PM10進(jìn)行了來源解析,結(jié)果表明揚(yáng)塵(30%)、燃煤源(28%)、建筑塵(11%)、硫酸鹽(10%)、土壤風(fēng)沙塵(8%)和機(jī)動(dòng)車尾氣塵(8%)為主要貢獻(xiàn)源類;王敬等[28]對(duì)烏魯木齊市重污染期間PM2.5進(jìn)行了來源解析,研究發(fā)現(xiàn)主要貢獻(xiàn)源類分別是燃煤源(28.0%),二次硫酸鹽(27.0%),城市揚(yáng)塵(20.8%),二次硝酸鹽(9.2%),機(jī)動(dòng)車尾氣塵(6.5%),鋼鐵塵(4.4%).盡管如此,這些研究并沒有對(duì)主要源(燃煤源)進(jìn)行細(xì)化,不利于精細(xì)化的環(huán)境管理工作.本研究的結(jié)果一定程度上彌補(bǔ)了相關(guān)不足之處.

對(duì)基于2種方法構(gòu)建的源成分譜進(jìn)而獲得的兩種源解析結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),部分污染源貢獻(xiàn)率存在明顯差別.例如,機(jī)動(dòng)車排放、民用散煤在傳統(tǒng)方法中貢獻(xiàn)率(7.6%和9.9%)小于在基于環(huán)境影響的新方法中的貢獻(xiàn)率(9.0%和11.5%),而集中燃煤在傳統(tǒng)方法中貢獻(xiàn)率(27.2%)大于在基于環(huán)境影響的新方法中的貢獻(xiàn)率(18.9%).這就說明,針對(duì)烏魯木齊市,使用未考慮環(huán)境影響構(gòu)建的源成分譜進(jìn)行源解析,會(huì)增大源解析結(jié)果的不確定性.

3.5 精細(xì)化來源解析

本研究中,集中燃煤是由電廠、工業(yè)和供熱燃煤源組成,利用CALPUFF模擬獲得的電廠、工業(yè)和供熱燃煤源對(duì)PM10的影響權(quán)重將源解析結(jié)果中的集中燃煤源貢獻(xiàn)率進(jìn)一步分配,得到更為精細(xì)化的PM10來源解析結(jié)果,如圖5所示.

圖5 基于環(huán)境影響源成分譜構(gòu)建方法的PM10來源解析結(jié)果

由圖5可知,4種燃煤源貢獻(xiàn)率相對(duì)大小為:民用散煤(11.5%)>工業(yè)燃煤源(11.1%)>供熱燃煤源(7.4%)>電廠燃煤源(0.4%).由于民用散煤燃燒的煙囪普遍較為低矮,距離居民區(qū)較近,且煤質(zhì)復(fù)雜、質(zhì)量普遍不高等,對(duì)環(huán)境空氣造成的污染較為嚴(yán)重:而烏魯木齊市各種工廠種類、數(shù)量眾多,規(guī)模不一,規(guī)范管理難度大等[30],給工業(yè)污染的預(yù)防與控制帶來了極大的困難,因而工業(yè)污染的貢獻(xiàn)較為突出:冬季大規(guī)模的供熱活動(dòng)使供熱燃煤源貢獻(xiàn)相對(duì)較為重要:由于電廠采取了濕法脫硫等技術(shù),且管理較為規(guī)范,烏魯木齊市電廠燃煤源對(duì)環(huán)境空氣顆粒物的貢獻(xiàn)相對(duì)較小.

本研究中,污染源清單、氣象場資料、CALPUFF模型以及CMB 模型的結(jié)果具有一定不確定性:前期收集到的污染源排放情況和氣象數(shù)據(jù)有限,利用其確定燃煤源子源類對(duì)受體環(huán)境的影響權(quán)重可能存在偶然性,另外,本文建立的成分譜基于相對(duì)較少的污染源樣品.在今后的研究中,可利用蒙特卡洛等方法對(duì)不確定性加以定量,集多方力量獲得更為全面的前期調(diào)研數(shù)據(jù),并根據(jù)燃煤鍋爐的不同除塵工藝、不同級(jí)別、以及民用散煤的不同類型等分別進(jìn)行采樣,從而獲得更加接近真實(shí)情況的源成分譜,以便于管理部門制定更有針對(duì)性的管理措施.

4 結(jié)論

4.1 構(gòu)建了CALPUFF-CMB復(fù)合模型,并基于此建立了燃煤源成分譜的構(gòu)建方法,在烏魯木齊市進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用.本方法可以較好地對(duì)顆粒物進(jìn)行來源解析.

4.2 將集中燃煤源分為電廠燃煤源、工業(yè)燃煤源和供熱燃煤源3類,并構(gòu)建了不同于傳統(tǒng)的等權(quán)平均方法的新的燃煤源成分譜,該成分譜將不同燃煤源子源類對(duì)環(huán)境受體的影響考慮在內(nèi).

4.3 利用CALPUFF模式對(duì)烏魯木齊市的污染源進(jìn)行模擬,結(jié)果顯示,電廠、供熱、工業(yè)燃煤源三者的影響權(quán)重為0.02、0.39和0.59.

4.4 利用兩種源成分譜構(gòu)建方法獲得兩套燃煤源成分譜,并分別進(jìn)行烏魯木齊市顆粒物來源解析,獲得兩組結(jié)果.二者在區(qū)別在于:基于傳統(tǒng)方法構(gòu)建的源成分譜進(jìn)行源解析的結(jié)果顯示集中燃煤成為貢獻(xiàn)率最大的污染源,同時(shí)與民用散煤一同貢獻(xiàn)率將近40%;而基于環(huán)境影響構(gòu)建的源成分譜獲得的結(jié)果顯示集中燃煤的貢獻(xiàn)率排在第3位.兩組結(jié)果差別明顯,將對(duì)管理工作有效性產(chǎn)生不同的影響.

4.5 基于不同燃煤源子源類對(duì)環(huán)境受體的影響權(quán)重,將烏魯木齊市顆粒物來源解析結(jié)果進(jìn)一步細(xì)分,得到相對(duì)精細(xì)化的來源解析結(jié)果.結(jié)果顯示,四種燃煤源貢獻(xiàn)率相對(duì)大小為:民用散煤(11.5%)>工業(yè)燃煤源(11.1%)>供熱燃煤源(7.4%)>電廠燃煤源(0.4%).

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Refined source apportionment of coal-combustion source based on CALPUFF-CMB models.

WANG Lu, BI Xiao-hui*, LIU Bao-shuang, GAO Ji-xin, LI Ting-kun, ZHANG Yu-fen, TIAN Ying-ze, FENG Yin-chang

(State Environmental Protection Key Laboratory of Urban Ambient Air Particulate Matter Pollution Prevention and Control, College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China)., 2018,38(8)：2911~2920

In order to accurately reflect the influence of coal combustion emissions on atmospheric environment, the CALPUFF model was used to simulate the emission and transportation processes of PM10emitted from different coal-combustion sources and to obtain the influencing weight-coefficient of every fine-sorted coal combustion source to ambient PM10Then, the weight-coefficients were applied to construct a more representative coal combustion source profile. Finally, source apportionment of PM10during the heating season in Urumqi was conducted by chemical mass balance (CMB) model by combining the chemical compositions in ambient PM10and two sets of PM10source profiles (i.e., source profiles which were constructed by traditional method and by environmental implication considered method). The results indicated that: the weight-coefficients of coal-fired power plant, industrials and domestic heating were 0.02, 0.59 and 0.39, respectively. The results of source apportionment based on traditional source profiles were as follows: coal combustion dust (27.2%), fugitive dust (19.1%), secondary sulfate (15.7%), residential coal combustion (9.9%), secondary nitrate (9.5%), vehicle exhaust dust (7.6%), steel dust (1.2%) and cement dust (0.2%). While based on environmental implication considered source profiles, that results ranked in secondary sulfate (20.1%), fugitive dust (20%), coal combustion dust (18.9%), residential coal combustion (11.5%), secondary nitrate (10.5%), vehicle exhaust dust (9%), steel dust (1.7%) and cement dust (1.4%). In terms of influencing weight-coefficients of fined-sorted coal combustion sources to ambient PM10, the result of source apportionment of coal-combustion sources was further fractionized, and the result suggested that the contribution of residential coal combustion was up to 11.5%, the contribution of coal-fired power plant was up to 0.4%, the contribution of industrial heating was up to 7.4% and the contribution of industrials was up to 11.1%.

PM10；CALPUFF-CMB；coal-combustion source profile；environmental implication；source apportionment

X823

A

1000-6923(2018)08-2911-10

王 露(1994-),女,山西長治人,南開大學(xué)碩士研究生,主要從事大氣顆粒物污染與防治研究.發(fā)表論文5篇.

2018-01-06

國家重點(diǎn)研究和發(fā)展項(xiàng)目(2016YFC0208500)

* 責(zé)任作者, 副教授, bixh@nankai.edu.cn