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基于稳定碳同位素质量平衡模型的空气颗粒物(PM_(10))源解析研究

张建强  
【摘要】:可吸入颗粒物(pm10)是大气污染的重要组成形式,识别环境空气中pm10来源是环境领域研究的重点。在开展环境空气颗粒物来源研究中,化学质量平衡受体模型(CMB)已成为世界各国进行空气颗粒物来源解析时应用最广泛的模型。但在应用CMB模型时由于煤烟尘、土壤风沙尘和机动车尾气尘共线性问题的存在,使解析结果具有一定的不确定性。本文通过对太原市环境空气及主要污染源排放PM10中无机元素、离子、碳及其同位素组成特征的研究,分别建立了受体PM10及其污染源的化学成分及碳同位素组成谱,提出了碳同位素质量平衡受体模型(CIMB),较好地解决了利用CMB模型进行源解析过程中遇到的煤烟尘、土壤风沙尘和机动车尾气尘的共线性问题。同时,利用该模型对太原市PM10进行了来源解析。太原市环境空气PM10中无机元素以Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe为主,这几种元素百分含量占19种元素总和的95%以上;各点位S042-百分含量明显高于NO3-和Cl-;总碳(TC)平均占PM10质量浓度的26.35%,且有机碳(OC)含量明显高于元素碳(EC)。太原市主要污染源排放PM10中19种元素之和的百分含量范围在4%~65.75%之间,各源类样品中无机元素含量有明显差异,其中以机动车尾气尘中含量最低(4.00%);各污染源排放PM10中三种离子含量较低,范围在0.24%~1.37%之间,主要与这三种离子的形成机理有关;煤烟尘、机动车尾气尘中TC和OC的含量较高,其中机动车尾气尘中TC平均占PM10的89.87%。太原市冬季和春季δ13COC值分别在-38.5‰~-30.5‰和-31.4‰~-29.4‰之间。与δ13COC比较,δ13CEC、Cδ13CTC的变化幅度较小,在冬季δ13CEC范围在-23.6‰~-23.4‰之间,变化仅为0.2‰;春季δ13CEC范围在-23.6‰~-22.0‰之间,变化为1.6‰。同一点位δ13Coc值与δ13CEC、δ13CTC值差异显者,δ13CTC 介于 δ13COC 和 δ13CEC 之间。太原市冬季δ13CEC与δ13CoC之间表现出强相关(R2=0.79,P=5.33E-6),而在春季二者无相关关系,表明太原市冬季环境空气中OC和EC主要来源相同,而在春季二者来源不同。不同污染源排放OC、EC和TC碳同位素值有较大差异,土壤风沙尘、煤烟尘和汽油车尾气尘的OC同位素值分别是-24.6‰、-26.5%和-27.7‰;土壤风沙尘的EC同位素值为-14.1‰,煤烟尘和汽油车尾气尘分别为-23.2‰和-25.5‰;土壤风沙尘、煤烟尘和汽油车尾气尘的TC同位素值分别为-17.3‰、-23.6‰和-27.0‰。不同来源TC、OC和EC的碳同位素组成差异说明碳同位素可以作为很好的标识指标示踪环境空气颗粒物中OC和EC的来源。利用环境受体及污染源OC、EC和TC碳同位素之间的关系,建立了用于空气颗粒物源解析的碳同位素质量平衡模型(CIMB),并通过引入松弛因子的迭代法对三元方程进行求解。CIMB技术丰富并发展了环境空气颗粒物源解析的理论,为环境中各类污染物的来源解析提供了新的技术方法。利用建立的CIMB模型对太原市环境空气PM10进行来源解析,结果表明煤烟尘、土壤风沙尘、机动车尾气尘、建筑水泥尘、钢铁尘、硫酸盐和硝酸盐对太原市PM10的贡献率分别为32%、15%、17%、20%、2%、6%和5%。CIMB解析结果中煤烟尘及土壤风沙尘的贡献率略大于利用CMB模型的解析结果,而对于机动车尾气尘采用两种模型计算的贡献率基本保持不变。


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