绝对主因子分析法解析龙岩市 大气中的可吸入颗粒物来源

邱立民, 刘 淼, 王 菊, 张胜楠, 侯 洁, 房春生

(吉林大学 环境与资源学院, 长春 130012)

Abstract: Principal component analysis (PCA) and absolutely principal component analysis (APCA) were used to qualitatively analyze the data of PM10samples from three periods of 2009 to 2010 at Longyan environmental monitoring station, Longyan teachers college, Minxi university and Longyan university for the purpose to obtain the different source apportionments and contributions of PM10. The results show that on the city’s perspective, the main sources of PM10in Longyan City are the second dust/coal dust, vehicle exhaust/road dust, soil dust, and waste incineration. In the view of each sampling point, the main sources of PM10at Longyan environmental monitoring station are vehicle exhaust/secondary dust, soil dust and road dust, the major sources of PM10at Longyan teachers college are soil dust, coal dust and vehicle exhaust/secondary dust, the main sources of PM10at Minxi university are secondary dust/coal dust, vehicle exhaust and waste incineration, the main source of PM10at Longyan university are secondary dust, vehicle exhaust/soil dust and coal dust.

Keywords: PM10; source apportionment; principal component analysis; absolutely principal component analysis

可吸入颗粒物(PM10)是大气中的主要污染物之一[1-2], 目前对PM10的研究已取得了很多成果[3-5]. PM10是导致福建省龙岩市环境空气质量下降的主要污染物, 因此科学准确地了解龙岩市空气中PM10的主要污染来源, 才能有针对性地制定污染控制策略, 从而为改善龙岩市大气环境质量提供依据.

利用改进后的主因子分析法(principal component analysis, PCA), 即绝对主因子分析法(absolutely principal component analysis, APCA)对可吸入颗粒物的来源进行定性和定量解析, 需要借助线性代数的相关知识, 对主因子载荷矩阵及主因子得分系数矩阵进行适当处理, 即可得到各主要污染源对颗粒物及各化学组分的贡献值和分担率数据[6-7]. 本文利用2009～2010年对龙岩市大气中PM10开展的3期采样数据, 采用绝对主因子分析法识别龙岩市大气PM10的主要来源.

1 数据和方法

1.1 PM10样品的采集

本文样品于2009年9月～2010年3月在龙岩环境监测站、 龙岩学院、 闽西大学和龙岩师专4个大气自动站分3期进行采集, 分别为夏季、 冬季和春季. 采用TH-1000型中流量采样器(武汉天虹智能仪表厂), 使用有机滤膜, 采样流量为100 L/min, 连续采集24 h. 第一次采集样品16个, 第二次采集样品20个, 第三次采集样品12个, 共采集样品48个. 将源解析采样结果与大气自动站同期数据进行相关分析, 结果显示源解析采样数据具有典型性和代表性.

1.2 PM10样品主要金属元素分析

利用电感耦合等离子体/质谱分析法(ICP-MS)检测大气颗粒物中受体滤膜样品的主要金属元素组分. 采用美国Milestone公司的ETHOD系列微波消解仪对滤膜进行微波消解, 消解后的样品利用ICP/MS分析测试. 元素成分谱包括Na,Mg,Al,K,Ca,Fe,Be,Cu,Zn,Ni,Se,Mn,Pb,Co,Ti,V,Cr,As,Cd,Hg,Mo,Ba,Sb共23种元素.

1.3 主因子分析法

主因子分析法基于与污染源有关的各变量之间均存在某种相关性, 在尽量不损失原变量指标包含信息的前提下, 采用少数几个综合变量(主因子)近似代替原来多个变量的方法, 并计算各因子的因子载荷, 最后结合对污染源的认识判断源的类型[8].

通过上述步骤识别主因子后, 引入绝对主因子得分APCS(absolute principal component scores)估算各因子的贡献率[9]. 样品标准化:Zik=(Cik-Ci)/Si, 其中:Zik为标准化实测的污染物元素的质量比(i种污染物,k个样品);Cik为k个样品i项目质量比的实测值;Ci为i项目的平均值;Si是所有样品中i项目的标准方差.

由于上述主因子得分是经过标准化的, 因此, 引入一个有项目质量比均为零的样品, 其标准化结果为(Z0)i=(0-Ci)/Si=-Ci/Si. 各实测样品的主因子得分减去上述引入的质量比为零样品的因子得分即为绝对主因子得分.

将可吸入颗粒物作为因变量, 绝对因子得分作为自变量进行回归分析, 得出每个样品中各主因子的相对贡献率； 以样品中各元素的质量比作为因变量, 每个样品中各主因子的相对贡献率作为自变量, 最终可求出各主因子中各种元素的质量比:Ci=(b0)i+∑APCSp×bpi(p=1,2,…,n), 其中: (b0)i为常数项;bpi是回归系数; APCSp是样品的绝对主因子得分, APCSp×bpi表示污染源p对污染物Ci的贡献. 所有样品的APCSp×bpi均值即为污染源p的平均贡献率. 主因子中各种元素的质量比计算方式依此类推. 本文主因子定性分析部分在统计分析软件SPSS上进行, 定量计算结果通过软件SAS和EXCEL电子表格完成.

2 结果与讨论

2.1 全市采样PM10主因子分析

先将全市4个采样点的采样数据进行初步分析处理后, 再将分析结果中各种元素的质量比作为主因子分析的变量代入SPSS软件进行主因子分析计算. 根据前p个因子累计方差贡献率≥85%～95%的原则确定主因子个数. 当p=3时, 方差贡献率达到82.686%; 当p=4时, 方差贡献率达到94.059%. 经主因子分析得到的方差极大正交旋转因子载荷矩阵列于表1.

表1 龙岩市大气中PM10样品方差极大正交旋转因子载荷矩阵Table 1 Factor transformation matrix after varimax rotation for PM10of Longyan City

第一因子中元素Se,Sb,Ca,Be,Mo,V,Ti,Ba,As的载荷较高, 载荷值分别为0.866,0.813,0.804,0.791,0.726,0.720,0.707,0.696和0.644, 其中元素Se,Sb,Be,Mo,V,As主要与燃煤尘排放有关, 而Ca,Ti,Ba对扬尘的影响较大. 因此, 因子1来源于二次扬尘/燃煤尘, 其贡献率为35.037%.

第二因子中元素Co,Zn,Cu,Ni,Na,Cr,Fe,Pb的载荷较高, 载荷值分别为0.884,0.777,0.759,0.759,0.750,0.713,0.706,0.650, 其中Co,Ni,Cr和Pb是汽车尾气的标志元素, 而Zn,Cu,Na和Fe元素均属于地壳元素, 因此因子2可能来源于汽车尾气/道路尘, 其方差贡献率为32.227%.

第三因子中元素Al,Mg载荷较高, 载荷值为0.837和0.699, 这两种元素是土壤风沙尘的主要标志元素, 因此, 因子3来源于土壤风沙尘, 其贡献率为15.421%.

第四因子中元素K载荷较高, 载荷值为0.843, 其来源是垃圾焚烧尘, 贡献率为11.374%.

2.2 各污染源对PM10的分担率解析

2.2.1 绝对主因子定量源解析评估 在用因子分析法定性识别污染源类型的基础上, 通过绝对主因子分析法定量计算出各种污染源对PM10的贡献值及分担率. 为验证该方法的准确性, 通过比较所选取变量的解析值和监测值之间的符合程度进行判断. 图1为龙岩市大气中PM10绝对主因子法解析值与实际监测值之间的比较结果. 由图1可见, 各化学组分的解析值与监测值之比基本上接近于1, 各种元素的相对误差基本在±20%之内, 其中Fe,Cu,Ni,Co,Cd和Hg的解析值与监测值之间的相对误差较大, 尤其是Cd, 可能是由于某些元素间具有较强的相关性或这些元素与主成分的相关性不强导致误差较大, 误差在可接受范围内. 总之, 该方法能较完全地解析龙岩市PM10的主要来源.

图1 各变量解析值与实际监测值之比Fig.1 Ratios of monitoring value and analytical value of variables

2.2.2 各污染源对PM10的分担率及贡献值解析 龙岩市大气中PM10实际监测值为95.61 μg/m3, 绝对主因子法解析所有污染源的贡献值之和为87.11 μg/m3, 可见绝对主因子法已经基本解析了龙岩市PM10的各种来源, 即龙岩市大气颗粒物PM10主要来源是二次扬尘/燃煤尘、 土壤风沙尘、 汽车尾气/道路尘和垃圾焚烧尘4类污染源.

图2为各污染源对PM10的分担率. 由图2可见, 二次扬尘/燃煤尘是大气中PM10的首要污染源, 对PM10的分担率达53%, 土壤风沙尘、 汽车尾气/道路尘和垃圾焚烧尘是对PM10贡献较大的另外 3种重要污染源, 分担率分别达18%,13%和6%. 该结果与龙岩市本身的地理环境和人为因素有关: 尽管龙岩市地处南方, 每年的生活燃煤量不大, 但当地很多民用燃料采用燃煤, 燃烧后炉渣弃于附近, 属于低矮点源排放, 难以控制和治理, 所以有很大一部分燃煤尘排放到大气环境中或沉降后进入扬尘并以扬尘的形式进入到环境空气中； 此外, 龙岩市近几年经济发展迅速, 机动车数量不断增加, 道路建设、 建筑施工项目遍布城市各地, 由车辆和施工引起的道路扬尘和建筑扬尘量也很大.

2.2.3 各污染源对PM10中化学元素的分担率及贡献值解析结果 在识别影响大气PM10主要污染源的基础上, 利用绝对主因子分析法不仅可以定量计算出各污染源对PM10的综合贡献值和分担率, 还可解析出各污染源对PM10中各种化学组分的分担率和贡献值, 结果列于表2. 由表2可见PM10中各化学组分的来源, 这些数据再次验证了上述对污染源类型的判断.

2.3 各污染源对龙岩市4个采样点PM10分担率的解析结果

利用绝对主因子解析得到了龙岩市4个采样点PM10污染源的贡献率, 结果列于表3. 由表3可见, 龙岩环境监测站采样点主要污染源为汽车尾气/二次扬尘、 土壤风沙尘和道路尘, 贡献率都在10%以上, 其中汽车尾气/二次扬尘贡献率最高. 因为该监测站位于城市中心, 人口密度较大, 活动频繁, 经过的摩托车和汽车较多, 也易产生二次扬尘; 土壤风沙尘和道路尘则是由于当地气候比较干燥, 道路上积灰较多, 加上过往车辆较多所致.

龙岩师专采样点主要的污染源有土壤风沙尘、 燃煤尘和汽车尾气/二次扬尘, 其中贡献率最大的是土壤风沙尘， 这是由于龙岩师专采样点位于城市北端, 靠近城市边界, 附近多山丘和矿山, 且气候较干燥风速较大所致; 燃煤尘是由于龙岩师专附近有几个燃煤工厂, 且龙岩市处于盆地中, 由于山的阻隔, 使燃煤尘不宜扩散, 而在附近沉积, 所以燃煤尘的贡献率也较大.

表2 各污染源对PM10中化学组分的贡献值和分担率解析结果Table 2 Contribution values and share rates of sources to chemical components of PM10

表3 龙岩市各采样点位主要污染源的贡献率Table 3 Contribution rate of the main sources of each sampling spot in Longyan City

闽西大学采样点最大的污染源为二次扬尘/燃煤尘, 其次为汽车尾气和垃圾焚烧尘, 可见主要是人为污染源, 这是因为由于闽西大学周围人为活动比较频繁, 且随着经济发展和交通完善, 汽车尾气带来的大气颗粒物污染也越来越严重. 龙岩学院采样点主要污染源是二次扬尘、 汽车尾气/土壤风沙尘和燃煤尘, 表明此处的人为活动也较频繁, 且龙岩学院靠近城市边界, 周边区域开发较少, 空地多, 有少量的工业企业, 货车较多, 产生大量尾气, 车辆产生污染较重.

2.4 龙岩市大气PM10污染源解析

根据PCA/APCA的解析结果可知, 龙岩市的主要污染源是二次扬尘/燃煤尘、 汽车尾气/道路尘、 土壤风沙尘和垃圾焚烧尘, 对大气污染均有不同程度的贡献； 龙岩监测站采样点主要污染源为汽车尾气/二次扬尘、 土壤风沙尘和道路尘, 龙岩师专采样点主要的污染源为土壤风沙尘、 燃煤尘和汽车尾气/二次扬尘, 闽西大学采样点的主要污染源为二次扬尘/燃煤尘、 汽车尾气和垃圾焚烧尘, 龙岩学院采样点主要污染源是二次扬尘、 汽车尾气/土壤风沙尘和燃煤尘. 可见, 除了扬尘和土壤风沙尘外, 机动车尾气尘对大气污染贡献较大.

3 结 论

(1) 主因子分析及绝对主因子分析的定量结果表明： 龙岩市大气颗粒物PM10的4类主要来源是二次扬尘/燃煤尘、 汽车尾气/道路尘、 土壤风沙尘和垃圾焚烧尘, 贡献率分别为53.18%,13.33%,18.12%和6.48%, 其余为不可识别源.

(2) 龙岩市大气可吸入颗粒物PM10中污染来源的贡献率具有明显的空间变化特征. 比较各采样点结果可见： 龙岩市监测站和闽西大学位于龙岩市中心附近, 主要污染源为二次扬尘和汽车尾气, 是由于人为活动较频繁, 且机动车数量较多所致； 龙岩学院和龙岩师专位于城市边界附近, 主要污染源是土壤风沙尘.

(3) 实验表明, 主因子分析模型可以用来解析缺少源成分谱时PM10的主要来源, 绝对主因子分析则进一步的解析各污染源的贡献值和贡献率. PCA/APCA方法的优势在于可以在不了解污染源的数目和组成情况下分析污染来源, 确定污染来源的类型和数目, 解析污染源的贡献率和贡献值.

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