（环境工程专业论文）重庆主城区pm10来源研究——以缙云山、沙坪坝为例.pdf

重庆人学硕士学位论文中文摘要 摘要 为了遏制空气污染加重的趋势，重庆市政府自1 9 9 7 年开始分阶段实施一系列 污染控制措施。这些措施的实施使主城空气质量得到了明显改善，但污染形势仍 不容乐观，首要污染物为p m l o ，可吸入颗粒物( p m l o ) 对人类和环境的危害很大。 因此，有必要通过研究搞清楚重庆市主城p m l o 污染来源，才能提出有针对性的污 染防治措施，起到污染治理事半功倍的效果。 该文通过资料查阅调查了重庆市主城p m 。o 污染规律，结合既往研究成果，对 重庆市主城区的大气颗粒物的排放源类进行了识别，将重庆主城尘污染来源分为 土壤风沙尘、燃煤烟尘、机动车尾气尘、燃油尘、建筑水泥尘、冶金尘、二次扬 尘、二次粒子( 硫酸铵和硝酸铵) 和其他尘八大类，研究了各类尘源采集样本的 代表性问题；对源样品的处理和再悬浮技术进行了一定研究；根据尘污染来源分 类采集了各类尘源样品，通过环境空气p m l o 实地采样监测获得p m l o 受体样品， 源和受体样品经过处理分析其无机元素、水溶性成分、元素碳( e c ) 和有机碳( o c ) ， 通过源样品分析结果比较，建立了由1 7 种( n a 、m g 、a l 、s i 、k 、c a 、s c 、t i 、v 、 c r 、m n 、f e 、n i 、c u 、z n 、a s 、p b ) 无机元素、元素碳( e c ) 和有机碳( o c ) 及 三种离子( n 0 3 。、n h 4 + 、s 0 4 2 。) 组成的扬尘、水泥尘、燃煤尘、机动车尾气尘、钢铁 尘和二次粒子六种源类p m l o 成份谱。各源类的特征元素为：燃煤烟尘是a 1 ，土壤 尘是s i ，水泥尘是c a ，钢铁尘是f e ，机动车尘、燃油尘和餐饮油烟是o c ，二次 粒子是硝酸铵和硫酸铵。通过受体样品分析结果获得其无机元素、水溶性成分、 e c 和o c 组成情况；应用c m b 解析技术得到了重庆市主城( 以缙云山、沙坪坝 为例) p m l o 源解析结果，认为p m i o 污染防治的重点源类应依次为建筑尘、道路扬 尘、燃煤尘、机动车尾气尘和钢铁尘。最后，针对重庆市主城p m l o 来源解析结果， 文章提出了重庆市主城p m i o 污染防治的对策与措施。 该文对城市区域的p m l o 的污染来源解析工作具有一定指导意义，对城市区域 的大气污染防治和管理具有一定的参考价值。 关键词：大气污染，可吸入颗粒物( p m l o ) ，源解析，重庆 a b s t r a c t t o p r e v e n tt 1 1 e咖do fi n c r e a s i n ga i rp o l l u t i o n ， t h e c h o n g q i n gm u n i c i p a l g o v e m m e n ti m p l 锄e n t e das 嘶e so fc o n t r o lm e a s u r e sb ys t a g e ss i n c el9 9 7 t 1 1 e i m p l e m e n t a t i o no ft h e s em e a s u r e si m p r o v e dt h ea i rq u a l i t yo ft h em a i nc i t ) ，s i g n i f i c a n t l y ， b u tp o l l u t i o ns i t u a t i o ni ss t i l ln o to p t i m i s t i c ，w i mt h ep m a r y p o l l u t a n tp m lo ，w m c hi s i n h a l a b ep a n i c l e ( p m l o ) a i l dd o e s 铲e a th a m lo nh u m a n sa i l d m ee n v i r o 啪e n t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a 叫t of i n do u tt h es o u r c e so fp m lop 0 1 l u t i o ni nt h em a i nu r b a n a r e ao fc h o n g q i n gb ys t u d y i n g ，i no r d e rt op u tf o r w a r ds u i t a b l em e a s u r e so np o l l u t i o n p r e v e n t i o na n dc o n t r o l ，w h i c hw i l lp l a yam u l t i p l i e re 行i e c to fp 0 1 1 u t i o nc o n 讶d 1 b a s e do nt h es u r v e yd a t ao fp m l op o l l u t i o nl a w st h r o u 曲m em a i nd i s t r i c t so f c h o n g q i n ga n dt l l ea c h i e v 锄e n t so fp r e v i o u sr e s e a r c h ， t h i s p a p e ri d e n t i f i e sm e 锄1 s s l o n ss o u r c e s0 f 。a t m o s p h e r ep a r t i c u l a t em a t t e ri nu r b a n c h o n g q i n g ，a n dd i v i d e st h e s o u r c eo fd u s tp o l l u t i o ni n t oe i 曲tt y p e s ，s u c h 嬲s o i la n ds a n dd u s t ，c o a ls m o k e d u s t v e h i c l ee x h a u s td u s t ，o i l 如e l i n gd u s t ，c o n s 仃u c t i o nc e m e n td u s t ，i m nd u s t ，s e c o n d a r v d u s t ，s e c o n d a r yp a f t i c i e s ( 锄m o n i u ms u l f a t ea n da m m o n i u m1 1 i t r a t e ) 锄do t h e rd u s t s t u d y i i lt l l ep 印m er 印r e s e l l t a t i v e i l e s so fa l ld u s ts o u r c e sc o l l e c t e ds a m p l e s ，t h e 仃e a t l = i l e n ta n dr e s u s p e l l s i o n t e c h n o l o g yo ft l l es o u r c es a n l p l e sw e r es t i l d i e d t h e t e c h n 0 1 0 百e sw e r eu s e dt oa n a l y z ei n o r g a n i ce 1 锄e n t s ，w a t * s 0 1 u b l ec o m p o n e n t s ， e l e n l e l l t a lc 衲o n ( e c ) a n do 唱a n i cc 打b o n ( o c ) o fa l ld u s tp 0 1 1 u t i o ns o u r c es 锄p l e s 舶mc a t e g o 巧c o l l e c t i o na n do f 锄b i e i l tp m1or e c e p t o rs a n l p l e s 舶mf i e l ds a m p l i n g a n dm o n i t o r i n g b yc o m p a r i n gm e 觚a l y s i sr e s u l t so fa ns o u r c e s a i l l p l e s ，t h ep mlo c o m p o n e n ts p e c t f l l mw a s 内册e d ，w h i c hw a se s t a b l i s h e db yt 1 1 e17l ( i n d so fi n o r g a j l i c e l 锄e n t s ( n a ，m g ，a l ，s i ，k ，c a ，s c ，t i ，vc r ，m n ，f e ，n i ，c u ，z n ，a s ，p b ) ，e l e m e n t a l c a r b o n ( e c ) a n do 唱a n i cc a r b o n ( 0 c ) a 1 1 dt 1 1 i 。e ek i n d so fi o n s 州0 3 ，n h 4 + ，s 0 4 2 ) ， 锄dc o n s i s t e do fs i xs o l l r c e sa sd u s t ，c e n l e n td u s t ，c o a lb u m i n gd u s t ，v e h i c l ee x h a u s t d u s t ，i r o nd u 瓯a n ds e c o n d a r yp 耐i c l e s i ts h o w e dt h a tt h ec h a r a c t 硎s t i ce 1 锄e n to f e v e 呵s o u r c ew a s 嬲f 0 1 l o w s ：灿i nc o a ls m o k ed u s t ，s ii ns o 订d u s t ，c ai nc e i i l e n td u s t ， f ei ni r o na i l ds t e e ld u s t ，o ci nv e h i c l ee x h a u s td u s t ，o i l 如e l i n gd u s t 觚dc o o k i n go i l y 如m e ，a m m o l l i 姗n i 昀t e 觚d 锄m o n i 哪s u l p h a t ei ns e c o n d a r yp a n i c i e s a l s o ，b y 锄a l y z m gt h er e c 印t o rs 锄p l e s ，m ec o m p o s i t i o no fi n o r g a l l i ce l e m e n t s ，w a t e 卜s o l u b l e c o m p o n e n t s ，e ca n do cw a so b t a i n e d t h ec h 唧i c a lm a s sb a l a n c e ( c m b ) m o d e lw 嬲 a p p i i e di nt h i ss t u d yt oa p p o r t i o nm es o u r c ec o n t r i b u t i o n st op m l oi nt h em a i nu r b 趾 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a r e ao fc h o n g q i n g ( i nj i n ”nm o u n t a i na n ds h 印i n 曲ad i s t r i c t 器锄e x a m p l e ) t 1 1 e r e s u l t ss h o w e dt h a tm em a j o rs o u r c ei ns e q u e i l c ew e r ec o n s t m “o nc e m e n td u s t ，r o a d d u s t ，c o a lb 啪i n gd u s t ，v e t l i c i ee x h a u s td u s ta i l di r o nld u s t a tl a s t ，m i sp 叩e rp r o p o s e d s o m es t r a t e 百e s 锄dm e a s u r e so fp m l op o l l u t i o np r e v e n t i o na 1 1 dc o n n 0 li i lt l l em a i n u r b a na r e ao fc h o n g q i n gb a s e do nt h ea n a l 如c a lr e s u l t so fp m l o t h i sp a p e fi so fc e n a i nd i r e c t i v es i 印i f i c a l l c et o 印p o n i o np m i op 0 1 1 u t i o ns o u r c e ， 锄dh a sar e f 打朗c ev a l u eo na i rp o l l u t i o np r e v e n t i o na n dm a n a g e m e n ti nm a i nu r b a n a r e ao f c h o n g q i n g k e y w o r d s ：a i rp o l l u t i o n ，i i l l l a l a b ep 抓i c l e ( p m l o ) ，s o u r c e 印p o r t i o n m e n t ，c h o n g q i n g i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交 的塑l 士 学位论文 缢墨亟墨幽盘殛鉴二：鳖邋趁唑邀搦是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嘶列幺主 签字日期：如哆仁、7 导师签名：莎易缓签字日期：7 p 7 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 然嚣怒篷鬣嚣麓谥扣下简称“章程”) ，愿意将本人的塑士学位论文赠送绶幽垃糊煎一幽提 。 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，+ 可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：旦壶址一 翩签名：芝：理 妒7 年，二月7 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书些坯装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及研究意义 可吸入颗粒物( p m i o ) 对人类和环境的危害很大。流行病学研究已证实大气 颗粒物污染与居民死亡和发病率的增加有关，如呼吸系统症状增加、肺功能降低、 医院门、急诊入院率增加、慢性支气管炎发病增加、长期或短期死亡率上升等。 在各种大气污染物中，颗粒物与各种健康效应终点的联系最为密切，其危害也最 大【卜3 1 。p m l o 也是导致全球气候变化、大气光化学烟雾事件、酸沉降和臭氧层破坏 等重大环境问题的重要因素。此外，p m l o 还对大气能见度产生极大的影响，表现 在细颗粒物质的散光效应、碳黑以及含碳黑粒对光的吸收作用等方面【4 巧】。我国自 二十世纪七十年代中期以来一直重视烟尘治理并取得了明显成效，烟尘尤其是工 业粉尘的排放得到了控制。与此同时，城市细颗粒物的污染问题日渐突出，主要 原因是常规的消烟除尘技术和设备不能有效控制细颗粒物的排放，同时城市建筑 和道路扬尘、机动车排放的细颗粒物和气态前躯物也大幅度增加。尽管我国p m l o 的年均浓度标准限值远比其它发达国家宽松，但超标现象仍很普遍。我国环境质 量报告书和世界银行资源报告提供的数据显示，在我国三分之二的城市存在着 p m l o 超标。在大部分天数首要空气污染物均为p m l o 。事实表明，p m l o 己成为我国 城市最主要的空气污染物【6 j 。 重庆市历年来的空气质量监测自动站数据显示，城市大气污染很严重，主要污 染物为颗粒物【7 】，为了遏制空气污染加重的趋势，重庆市政府自1 9 9 7 年丌始分阶 段实施一系列污染控制措施，9 7 年以来陆续开展了“清洁能源工程”、“新老五管齐 下工程”、“一控双达标”、“蓝天行动计划”和环保执法检查等工作，在大气污染治 理方面投入了大量的人力、物力和财力，使得主城区大气环境质量有所改善，由 于历史欠账太多，重庆市主城环境空气质量改善的任务还相当艰巨，因此，如何 改变空气质量污染状况是重庆市主城面临的严峻问题。 由于p m l o 其来源十分复杂，既有人为源排放又有天然源排放，既有有组织源 排放又有无组织开放源排放，无组织排放源属于目前无法定量其源强分布的尘源， 所以难以利用扩散模型在这类源和环境之间建立输入响应关系，解决这一问题的 技术方法是受体模型。它是应用在源和受体上所测量的大气颗粒物的物理化学特 性来确定对受体有贡献的源类和其贡献值。只有搞清楚重庆市主城各区的p m - o 主 要污染来源和类型，才能提出有针对性的污染控制措施，本研究通过e p a 和我国 国家环保部推荐的化学质量平衡( c m b ) ，建立源与受体之间的输入响应关系，对 重庆主城区p m l o 进行源解析获得定量化结果，以便对重庆主城区提出有针对性的 重庆人学硕十学位论文1 绪论 p m l o 污染防治措施。 1 2 国内外颗粒物来源解析概况 1 2 1 国外研究概况 多年来，各国研究者不断应用各种方法进行源解析工作，现已开发出1 0 余种受 体模型，包括有：化学质量平衡( c m b ) ，主成分分析( p c a ) ，因子分析( f a ) ，多元线 性回归( m l r ) ，投影寻踪回归法( p p r ) 等。但其中只有c m b 和p c a 两种受体 模型受到美国环保局的认可和推荐；我国国家环保局1 9 9 3 年下发的城市环境综合 整治规划编制技术大纲中，明确规定使用受体模型进行城市颗粒物污染源解析工 作，所用受体模型也主要指c m b 【8 】o 美国在上世纪7 0 年代末就开始试用c m b 模型对芝加哥、华盛顿等城市的t s p 来源进行了解析，取得了与实际情况比较相符合的计算结果，为针对性地治理t s p 污染作出了重要贡献。近十多年来各国对颗粒物源解析工作逐渐由粗颗粒向细颗 粒转变。1 9 9 9 年英国环保署对英国大气环境作了一次全面的p m l o 源解析，认为道 路交通、二次颗粒物、以及由表层土壤、灰尘、海水泡沫产生的粗颗粒物是p m l o 的主要来源。1 9 9 8 1 9 9 9 年，加拿大也对全国范围颗粒物( p m l o ) 进行源解析，结 果显示不同的地区呈现出不同的源成分组成分布，在以工业为主的地区工业尘为 p m l o 的主要贡献者，其他地区道路交通的贡献率较大。澳大利亚b r i s b a n e 市p m l o 源解析时发现地壳物质、海盐和机动车排放是其主要的来源，同时还发现工作日 比节假同p m l o 的量有所增加，但其组成成分和各种源的贡献率并没有发生明显的 变化 9 】o 近年来，国外的研究更多地集中于p m 25 上y c c h a n 等人在澳大利亚的布罩 斯班用受体模型进行了p m l o 和p m 25 的源解析研究。研究表明p m 2 5 的主要来源是 元素碳、二次有机物、生物焚烧和二次硫酸盐。过去几十年里在西方国家城市大 气中交通源对微尘的贡献有所增加，特别是柴油车( 9 】。 美国纽约市于2 0 0 1 年开展了p m 2 5 的源解析，得出夏季的p m 2 5 浓度高于冬季， 同时p m 2 5 主要来自于本地和外地的大气气溶胶传输作用的结论【l 0 1 。 1 2 2 国内研究概况 上世纪8 0 年代后期，我国丌始试用c m b 模型进行t s p 源解析研究，并取得 了良好的效果。1 9 9 1 年，由国家环保局主持召开的“大气污染物排放许可证试点工 作会议”上，专家们建议我国采用c m b 方法进行大气颗粒物来源解析，以提高源 解析结果的精确度及可比性。随后，在一些大城市和经济发达地区的城市如北京、 天津、上海、成都、南京、郑州、太原、兰州、昆明、烟台、唐山及香港分别利 用c m b 进行了t s p 源解析，均取得了较好结果。随着国家实施p m l o 标准，对p m l o 2 重庆人学硕十学位论文1 绪论 的源解析在许多城市也相继开展起来。南开大学用c m b 法对济南市p m l o 进行了 源解析研究，认为土壤风沙尘、煤烟尘、建筑水泥尘是济南市p m l o 的主要来源。 重庆市分别在1 9 9 5 年和2 0 0 3 年对重庆市主城的大气颗粒物t s p 进行了源解析研 究【7 1 。在细颗粒物方面，唐孝炎等利用p m l o 对北京市大气细粒子进行了来源解析 工作，得出二次源、机动车排放、燃煤是北京市大气细颗粒物质的主要贡献者的 结论。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究区域 本文以重庆市主城沙坪坝区、缙云山( 对照点) 为例。 1 3 2 研究内容 p m l o 源样品和受体样品的采集及处理研究 1 ) p m l o 排放源的分类 2 ) 源样品的采集及处理 3 ) 受体样品的采集及处理 p m l o 源与受体化学成分谱特征的研究 1 ) 源样品化学成分谱的分析及数据处理 2 ) 受体样品化学成分谱的分析及数据处理 3 ) 源与受体化学成分谱的特征研究 p m l o 源贡献值和分担率特征研究 1 ) 源贡献值和分担率特征 2 ) 源解析结果的对比分析 p m l o 污染控制对策 1 3 3 研究的技术路线 研究的技术路线如框图1 1 所示： 3 重庆人学硕士学位论文l 绪论 图1 1p m l o 来源解析技术路线 f i g u r e1 1 t e c h n i c a lr o u t eo fs o u r c ea p p o i n 廿i l e i l to np m l o 4 重庆大学硕士学位论文 2p m l o 性质、危害及土城区p m l o 的浓度变化特征 2p m l o 性质、危害及主城区p m l o 的浓度变化特征 2 1p m l o 的性质、危害 2 1 1p m l o 的性质 p m l o 可分为细颗粒物( 粒径 2 5 岬) 和粗颗粒物( 2 5 岬s 粒径 o 0 1 若i s k + 1 j s k j l s 纠卸0 1 计算s i 的第k + 1 步迭代的值。 o 气= ( 咋1 ) d 蹦) 1 皿 1 5 式( 3 8 ) 式( 3 9 ) 那么执行上一步迭代，如果小于 返回第二步 到第五步式( 3 1 0 ) 式( 3 1 1 ) 重庆人学硕十学位论文3 化学质最平衡( c m b ) 受体模型理论 上述公式中： c = ( c l ，c i ) 。为第1 个元素的c i 的列矢量； s = ( s 1 ，s j ) 为第j 种排放源类的贡献计算值s j 的列矢量； f = f i ji ) 【j 阶的源成分谱f i i 矩阵； v = v 咀i有效方差的对角矩阵。 以上算法表明：应用有效方差最小二来法求解c m b 模型时，模型的输入参数 为：受体化学元素谱浓度的测量值c i 和源成分谱的含量测量值f i j 。模型的输出参 数是：源贡献计算值s j 和s j 的标准偏差；元素的贡献计算值s i j 和s i j 的标准偏 差。 3 2c m b 模型模拟优度的诊断 c m b 模型是线性回归模型。在线性回归模型的实际应用中一般需要考虑回归 推断的估算值与实测值的偏离程度，偏离程度一般用“残差”来检验；对回归推断有 影响的参数及影响程度如何衡量。解决上述问题的数学方法一般称之回归诊断技 术。在本研究中为了验证源贡献估算的有效性和c m b 模型拟合的优良程度，选用 的诊断技术有源贡献值拟合优度的诊断技术和元素浓度计算值拟合优度的诊断技 术。 3 2 1 源贡献值拟合优度的诊断 贡献计算值是c m b 模型的主要输出结果。源贡献计算值应该具有以下三种基 本特征： 各源类贡献计算值之和应该近似等于受体上总质量浓度的测量值。 源贡献计算值不应该是负值，因为负的源贡献值没有物理意义。但是在线 性回归计算中，如果有两类和两类以上的源的成分谱相近或成比例( 即共线性) ， 源贡献值就有可能出现负值。 源贡献计算值的标准偏差不能太大，源贡献计算值若小于该贡献值的标准 偏差的话，那么说明这个源不稳定或其贡献值不能被c m b 模型检出。根据上述考 虑源贡献值拟合优度用下列回归诊断技术来检验。 1 ) t 一统计( t s t a t ) 嚣烈丁= 剐。耵 式( 3 1 2 ) t s 仉玎是源贡献计算值s j 和s j 的标准偏差的比值。根据统计学原理，源贡 献值的真值在大于一倍标准偏差内的分布概率大约为6 6 ，在大于两倍标准偏差 内的分布概率大约为9 5 。因此把源贡献计算值大于两倍或三倍的标准偏差作为 源贡献值的检出限。因此，若t s t a t 2 o ，说明拟合效果好。 1 6 重庆火学硕士学位论文3 化学质量平衡( c m b ) 受体模型理论 2 ) 残差平方和( c h i 或x 2 ) ， 2 幽f = z 2 = 7 三( c 。一s ) 玩i 式( 3 1 3 ) 1 ，f - l = l 噶= + ( s ；聊) 2 式( 3 1 4 ) x 2 是拟合元素的测量值与计算值之差的平方加权和，权重值为每个元素的受 体浓度的标准偏差和源中含量值的标准偏差的平方和。理想的情况是元素的浓度 测量值和计算值之问没有差别，那么x 2 应该等于零。c m b 模型中给出的诊断标 准为x 2 1 ，表示数据拟合的好；x 2 4 ，表示数据拟合差。 3 ) 回归系数( r 2 ) r 2 = 卜【( ，一，) z 2 口玩i ，式( 3 1 5 ) r 2 等于元素浓度计算值的方差与测量值的方差之比值。r 2 取值在o 一1 之间， 该值越接近于l ，说明源贡献值的计算值与测量值拟合的越好。当r 2 扬尘 燃煤尘 钢铁尘 建筑尘 c a ：建筑尘 钢铁尘 扬尘 道路尘 土壤尘 燃煤尘 a l ：燃煤尘 建筑尘 土壤尘 扬尘 道路尘 钢铁尘 f e ：钢铁尘 土壤尘 燃煤尘 扬尘 道路尘 建筑尘 t c o c ：燃煤尘 扬尘 道路尘 钢铁尘 建筑尘 土壤尘 s 0 4 2 。：建筑尘 道路尘 扬尘 燃煤尘 钢铁尘 土壤尘 表5 2 灵敏度矩阵 ! 垒垒! 宝i ：三! 宝翌i 堑堑z 巴垒虫兰 组份建筑尘钢铁尘 机动车燃煤尘硝酸铵硫酸铵扬尘 扬尘 扬尘是一混合源类，由土壤尘和道路尘混合而成，扬尘中含量较多的是s i 、k 、 a l 、c a 、f e 、t i 、o c 、e c 等元素，这与所采集的源成分有着密切的关系。s i 、k 、 a 1 、c a 、f e 、t i 都是地壳类元素，o c 、e c 可能来自道路上汽车尾气排放后