潍坊市环境受体中PM2.5污染特征与精细化来源解析*

王斌之 谭金峰 王克全 梁丹妮 刘保双 史旭荣 张文辉 薛倩倩

(1.潍坊市环境监测中心站，山东 潍坊 261041；2.天津双允环保科技有限公司，天津 300350；3.南开大学环境科学与工程学院，国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室，天津 300350)

近年来，重污染天气的频发导致颗粒物，尤其是PM2.5备受关注[1-5]。PM2.5能降低大气能见度，影响全球环境和气候，危害人体健康[6-7]，研究其化学组成和污染来源十分必要。潍坊市地跨35°32′N～37°26′N、118°10′E～120°1′E，地扼山东内陆腹地通往半岛地区的咽喉，是历史上著名的手工业城市。2015—2017年潍坊市PM2.5年均浓度呈逐年下降趋势，但2017年PM2.5年均浓度仍然超标，污染形势严峻。

潍坊市已开展了有关PM2.5的研究，但研究的关注点在颗粒物中的化学组分，尚未开展PM2.5的来源解析研究。杜逢慧等[8]发现潍坊市大气颗粒物中重金属的污染特征。刘芳等[9]研究了潍坊市大气PM2.5中碳组分、水溶性无机离子和无机元素的污染特征。

潍坊市地势西高东低，北临渤海南靠黄海，地处山东内陆与半岛的过渡地段。本研究从潍坊市的过渡地理位置出发，研究其大气环境中PM2.5的污染特征及其主要排放源。

为了解潍坊市PM2.5的主要来源，同时为制定大气污染防治策略提供依据，本研究于2017年1—10月，分季节采集了潍坊市代表点位的PM2.5样品，分析了PM2.5浓度及其化学组分特征，利用复合受体模型(化学质量平衡(CMB)、CMB-Iteration模型)对潍坊市PM2.5进行来源解析，并将源解析结果同山东省内陆和沿海城市进行对比。

1 研究方法

1.1 受体PM2.5样品采集

根据《环境空气质量监测规范(试行)》的规定，结合潍坊市自然地理、气象等环境因素，以及工业布局、人口分布等社会经济特点，依托潍坊市中心城区及周边现有自动监测站，选取8个点位采集PM2.5样品，受体采样点位置和周边情况见表1。

根据颗粒物在线浓度，同时考虑其排放源和气象因素的季节性变化，每天连续采样22 h(10：00至次日8：00)，采样期间气象条件见表2。选择90 mm的聚丙烯滤膜分析无机元素，选择90 mm的石英滤膜分析碳和离子组分。

1.2 源样品采集

通过对潍坊市的基础调研，确定需采集的源类，共采集城市扬尘样品8个、土壤风沙尘样品10个、建筑水泥尘样品10个、煤烟尘样品3个、钢铁尘样品1个。采集到的开放源样品(土壤风沙尘、城市扬尘、建筑水泥尘)为全粒径样品，需要将其自然晾干并过150目筛后，通过再悬浮采样器对其进行滤膜采样[10-11]，切割粒径2.5 μm。

1.3 样品分析

样品的分析包括滤膜称重和化学组分分析。滤膜称重使用1/1 000 000天平(梅特勒WXTS26DU)，每个空白及样品滤膜称重2次以上，任意2次有效称重的差值在±0.04 mg。化学组分包括碳组分、水溶性离子和元素，分别采用DRI 2001A型有机碳(OC)/元素碳(EC)分析仪、赛默飞戴安ICS-900型离子色谱仪、赛默飞ICAP-7400型电感耦合等离子发射光谱仪进行分析。分析每批样品前需用标准溶液对仪器进行校正及空白试验，分析方法见文献[12]至[14]。

1.4 模型计算

源解析选择复合受体模型(CMB、CMB-Iteration模型)。CMB模型假设存在对受体中大气颗粒物有贡献的若干源类，并且以下条件成立：(1)各源类所排放的颗粒物的化学组成有明显的差别；(2)各源类所排放的颗粒物的化学组成相对稳定；(3)各源类所排放的颗粒物之间没有相互作用，在传输过程中的变化可被忽略[15-16]。基本原理公式如下：

表1 受体采样点位置和周边情况

表2 潍坊市采样期间气象条件

(1)

式中：Ci为受体大气颗粒物中化学组分i的测量值，μg/m3；Fij为第j类源颗粒物中化学组分i的测量值，g/g；Sj为第j类源贡献的质量浓度计算值，μg/m3。

CMB-Iteration模型可解决二次有机碳(SOC)的估算问题，通过嵌套的迭代估算法对受体中OC含量进行修正，直到将受体中SOC全部扣除(达到收敛要求)[17-18]，重构CMB模型的受体成分化学组成，使之与源成分谱更匹配。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5浓度时空变化特征

采样期间，PM2.5年平均质量浓度为79 μg/m3，秋冬季较高、春夏季较低，季节变化具体表现为冬季(106 μg/m3)>秋季(71 μg/m3)>春季(68 μg/m3)>夏季(65 μg/m3)。从空间分布来看，峡山水库PM2.5较低(70 μg/m3)，这是因为该点位周边无明显排放源；坊子邮政和市环保局PM2.5处于中间水平，分别为77、78 μg/m3；寒亭监测站、XH集团、潍城区监测站、朱刘小学PM2.5均超过80 μg/m3，分别为81、83、85、86 μg/m3。

2.2 化学组分变化特征

图1 PM2.5中主要化学组分质量浓度和质量分数Fig.1 The mass concentrations and contents of chemical species in PM2.5

图2 不同季节PM2.5中主要化学组分的质量浓度和质量分数Fig.2 The mass concentrations and contents of chemical species in PM2.5 during different seasons

2.3 PM2.5来源解析

将煤烟尘、城市扬尘、土壤风沙尘、建筑水泥尘、钢铁尘等源样品的分析结果通过加权平均构建本地化源成分谱，以纯硫酸铵和纯硝酸铵作为二次硫酸盐和二次硝酸盐的源成分谱[23]，机动车源谱来自文献[24]，同时将受体化学组分的浓度平均值及其标准偏差纳入复合受体模型进行计算，得到了PM2.5的源解析结果。

2.3.1 常规源解析结果

常规源解析表明：春季，煤烟尘、建筑水泥尘、二次硝酸盐和机动车尘是主要的贡献源类，分担率分别为19.2%、16.2%、15.6%和14.7%；夏季，二次硝酸盐、二次硫酸盐和机动车尘是主要的贡献源类，分担率分别为18.9%、18.5%和17.1%；秋季，二次硝酸盐、煤烟尘和机动车尘是主要的贡献源类，分担率分别为21.9%、18.6%和18.5%；冬季，煤烟尘、机动车尘和二次硝酸盐是主要的贡献源类，分担率分别为19.6%、19.0%和12.9%。机动车尘在各季节分担率均较高；煤烟尘在冬季、秋季和春季的分担率较高；二次硫酸盐的分担率在夏季较高；二次硝酸盐在各季节分担率均较高，相对冬季最低；建筑水泥尘在春季的分担率较高；钢铁尘的分担率在各季节均较低。

为研究潍坊市与山东省其他城市PM2.5来源的差异，将源类进行合并，城市扬尘、土壤风沙尘、建筑水泥尘合为开放源，二次硫酸盐、二次硝酸盐和SOC合为二次粒子，煤烟尘、钢铁尘、生物质燃烧、工业源合为燃烧源，对比潍坊市与内陆城市(泰安市[25]、菏泽市[26]、淄博市[27])、沿海城市(烟台市[28]、青岛市[29])PM2.5来源解析结果，结果见表3。潍坊市源解析结果总体介于沿海城市和内陆城市之间。沿海城市二次粒子的分担率高于内陆城市，燃烧源的分担率总体低于内陆城市；潍坊市二次粒子和燃烧源的分担率介于沿海和内陆之间，与其地理位置特征相符。由于各研究使用的模型不同、研究时段有差异，不同城市的基础情况及能源结构等也不同，源解析结果的比较有待深入研究。

2.3.2 综合和精细化来源解析

二次粒子主要由一次源排放的气态前体物(SO2、NOx和VOCs等)转化而来，归根究底仍来自一次源。在常规源解析的基础上，根据不同污染源的气态前体物排放量，将二次粒子的贡献进行分解，合并到相应的一次源类；将土壤风沙尘和建筑尘合并成扬尘，得到的源解析结果称之为综合源解析结果。主要污染源的排放量及二次粒子分配系数见表4。

仅考虑本地排放的情况下，燃煤是全年综合来源解析结果中首要的贡献源类，分担率达到36.0%；其次是机动车尘和扬尘，分担率分别为25.4%和21.8%。工艺过程源对PM2.5的贡献较低(3.9%)。该综合源解析结果只考虑了本地排放，但周边省市的PM2.5排放对潍坊市存在一定传输影响，同时潍坊市也会向周边进行传输。与周边城市的相互传输、排放量统计中的不确定性等会给解析结果带来一定误差。

为得到更精细化的源解析结果，根据烟粉尘排放量对综合源解析结果进行了重新分配，不同车型和燃煤源的烟粉尘排放量和分配系数见表5，扬尘重新分解成土壤风沙尘和建筑水泥尘。

表3 潍坊市PM2.5来源解析结果与其他城市对比1)

注：1)潍坊市、泰安市、烟台市、青岛市采用CMB模型拟合；菏泽市、淄博市采用正定矩阵因子分解模型(PMF)拟合。

表4 主要污染源的排放量及二次粒子分配系数

表5 机动车和燃煤源的排放量及分配系数

精细化源解析表明：煤烟尘是首要的贡献源类，其分担率达到36.0%，其中电厂、工业、民用燃煤的分担率分别为14.4%、18.0%和3.6%；机动车尘的分担率达到25.4%，其中载客、载货、其他汽车的分担率分别是6.3%、14.0%和5.1%；扬尘中土壤风沙尘、建筑水泥尘的分担率分别为10.1%和11.7%；工艺过程的贡献相对较低(3.9%)。

本研究根据烟粉尘排放量对部分污染源进行了分配，是精细化源解析的一次尝试。分配系数除考虑烟粉尘排放量，是否还要考虑气态前体物、车辆保有量等，这些问题有待进一步研究。

3 结 论

(1) 潍坊市PM2.5浓度具有季节差异和空间差异。季节差异表现为冬季>秋季>春季>夏季。空间差异表现为：峡山水库PM2.5较低；坊子邮政和市环保局PM2.5处于中间水平，寒亭监测站、XH集团、潍城区监测站、朱刘小学PM2.5较高。

(3) 常规源解析表明：机动车尘在各季节分担率均较高；煤烟尘在冬季、秋季和春季的分担率较高；二次硫酸盐的分担率在夏季较高；二次硝酸盐在各季节分担率均较高，相对冬季最低；建筑水泥尘在春季的分担率较高；钢铁尘的分担率在各季节均较低。潍坊市源解析结果总体介于沿海城市和内陆城市之间。

(4) 精细化源解析表明：煤烟尘是首要的贡献源类，其分担率达到36.0%，其中电厂、工业、民用燃煤的分担率分别为14.4%、18.0%和3.6%；机动车尘的分担率达到25.4%，其中载客、载货、其他汽车的分担率分别为6.3%、14.0%和5.1%；扬尘中土壤风沙尘、建筑水泥尘的分担率分别为10.1%和11.7%；工艺过程的贡献相对较低(3.9%)。