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颗粒物是我国大部分城市环境空气的首要污染物,源解析技术是环境空气颗粒物管理的重要技术手段和决策依据。CMB模型由于其物理意义明确且能定量计算各个源类贡献值而成为发展最迅速、应用最广泛的源解析技术。
源成分谱的构建是CMB源解析中最关键的一环,其代表性、共线性等问题对CMB解析性能产生至关重要的影响。目前,国内仍尚未建成源成分谱数据库,对源成分谱的特征研究也因此受到一定的限制。
南开大学作为国内最早开展颗粒物源解析工作的机构之一,20多年来在源解析领域取得了丰硕的成果,同时在研究实践过程中积累了大量的颗粒物排放源类样品及源成分谱。
本论文即以上述研究资料为基础,将源成分谱科学分类,初步建成包括国内数十个城市、几千条源成分谱在内的源成分谱数据库。在此基础上,对煤烟尘、土壤尘、城市扬尘、水泥尘四种典型城市颗粒物排放源类,运用Bootstrap再抽样技术、相关分析、比值分析等数理统计方法,研究各个典型源类成分谱数十个组分的含量、偏差、相关、比值及分布特征,初步建成了典型源类成分谱有效性评价指标体系。研究结果显示:煤烟尘成分谱以Al、Si和TC三组分为主要特征,PM10、TSP成分谱重要组分含量均值之间无显著差别,且子源类复杂程度相当;土壤尘以Si、Al、K和Fe为主要特征组分,Si、Al在PM10和TSP成分谱间差别不大,K、Fe的差别则相对较大,土壤尘不同粒径子源类的复杂程度相当;城市扬尘PM10和TSP中的Si、Al含量比较接近,但由于作为单一源类的受体,TSP成分谱可能受到更大范围、更大程度的影响,因此其Ca、TC含量均值与PM10相差较大,且子源类复杂程度较大;水泥尘成分谱的特征组分包括Ca、Si、Al和TC,PM10和TSP粒径间组分含量均值差别不大,子源类的复杂程度也相近。总的来看,源类子类复杂程度从小到大依次为土壤尘、城市扬尘、水泥尘、煤烟尘。
特征比值方面,Al/Si、Al/K、Si/K作为煤烟尘、土壤尘和城市扬尘成分谱的特征比值,在不同源类、不同粒径中取值虽然不同,但在源类内部的取值范围相对较小。同时,Al/Ti也可作为煤烟尘成分谱的标识比值,Al/Fe、Si/Fe、Ca/Fe也可作为土壤尘成分谱的标识比值,Al/Ti、Si/Ti、K/Ti也可作为城市扬尘的特征比值。水泥尘成分谱的特征比值之一是Si/K,与上述三个源类相同,同时Mg/Si、Mg/K、Mg/Ca也可作为其特征比值。
在研究各个典型源类成分谱特征的基础上,本论文通过数值模拟各个源类构成受体的过程,研究源成分谱不同不确定性条件下CMB模型对受体的解析性能。结果显示,(1)源成分谱和受体成分谱不确定性的增大均会导致CMB模型解析性能的下降,但源成分谱不确定性的影响远远大于受体;(2)随着源成分谱不确定性的增大,对各个源类分担率计算结果所造成的影响程度不同,由大到小依次为:水泥尘>机动车尾气尘>土壤尘>煤烟尘>海盐粒子;(3)源成分谱中标识组分不确定性的影响远远大于非标识组分,且各个标识组分不确定性对CMB模型的影响程度也不同,由大到小依次为:Ca>Cl->OC>Si>Al;(4)源成分谱标识组分不确定对CMB解析结果的影响主要体现在以该组分为标识组分的源类分担率上,随着某标识元素不确定的增大,相应源类分担率的计算结果受到的干扰越大。