大氣可吸入顆粒物源解析方法研究進展

1、收稿日期:2006-04-06作者簡介:易慧(1982-,女,湖北黃岡人,碩士研究生。大氣可吸入顆粒物源解析方法研究進展Study Progre ss on Source Apportionment of Inhalable Particle s in Atmo sphere易慧葉代啟付名利(華南理工大學環(huán)境科學與工程學院廣州510640摘要綜述了國內外用于可吸入顆粒物源解析的受體模型的最新研究進展,詳細介紹了粗集理論模型、BP 網(wǎng)絡權重分析、投影尋蹤回歸、正定矩陣分解和主成分分析等多種方法。指出了可吸入顆粒物源解析方法的發(fā)展趨勢和還需做的工作。關鍵詞可吸入顆粒物源解析受體模型Abstract

2、 The latest research progress of receptor models for source apportionment of inhalable particles is summa 2rized.Rough Sets ,BP network ,projection pursuit regression ,positive matrix factorization and principal component analysis are introduced in details.Development tendency and f urther work in s

3、ource apportionment of inhalable particles is pointed out.Key words Inhalable Particle s Source Apportionment Receptor Models可吸入顆粒物是指通過呼吸系統(tǒng)可以進入人體的顆粒物,通常用PM 10表示,即空氣動力學直徑不超過10m 的大氣顆粒物。它對環(huán)境、氣候和人類健康產生重要影響1。并且我國大氣首要污染物已從SO 2轉變?yōu)轭w粒物特別是可吸入顆粒物。2003年,國家重點城市大氣可吸入顆粒物濃度年日均值為01108mg/m 3。2004年為01112mg/m 3,北京市可吸入顆

4、粒物2003年年日均值為01141mg/m 3,2004年均值01149mg/m 3,均超過國家二級標準G B3095-1996(年平均0110mg/m 3。因此,非常有必要對可吸入顆粒物的來源進行分析和研究。1受體模型研究進展研究可吸入顆粒物的來源是對其有針對性控制的基礎,也是作戰(zhàn)略性決策的依據(jù)。20世紀60年代Blifford 和Meeker 首先提出了受體模型2,通過測定和研究顆粒物排放源和環(huán)境空氣受體中顆粒物的物理和化學特性,定性識別對受體有貢獻的污染源并定量計算各污染源的分擔率。它較擴散模式大大簡化,自問世以來得到了迅速的發(fā)展3。其中以化學-統(tǒng)計學方法發(fā)展最為成熟,主要包括化學質量平

5、衡法(chemical mass balance ,CMB 和多元統(tǒng)計法。多元統(tǒng)計法又包括因子分析法(factor analysis ,FA 、多元線性回歸法(mul 2tiple linear regression ,ML R 和富集因子法(en 2richment factor ,EF 等。常見的因子分析法有主因子分析(p rincipal factor analysis ,PFA 和目標轉移因子分析(target transformation factor analy 2sis ,T TFA 。下面介紹國內外一些最新的研究進展。1.1化學質量平衡法化學質量平衡法根據(jù)質量守恒原理,大氣顆粒

6、物中某元素的量是各類源對其貢獻量的線性加和。8李祚泳等人分別把遺傳算法(GA4和蟻群算法(ACA5引入到CMB排放源成分譜分布尋優(yōu),獲得各污染源對大氣顆粒物的最優(yōu)貢獻率,且計算結果接近。基于GA算法通用性好、快速、簡便,基于ACA算法不需要對排放源有特別的了解和限制,結果客觀可靠。CMB模型已經(jīng)發(fā)展到第八版CMB8.0,但仍不能很好的解決揚塵的共線性問題。南開大學馮銀廠6針對這個問題首次提出了二重源解析技術。它運用CMB模型分別計算出5種分擔率:A i表示不考慮顆粒物進入環(huán)境空氣中途徑,各單一塵源類對受體的總的分擔率;B表示用揚塵代替對其貢獻最嚴重的單一塵源類如土壤風沙塵對受體的分擔率;C i

7、表示將揚塵作為受體,其它各單一塵源類對揚塵的分擔率;D i表示各單一塵源類以揚塵的形式進入到受體中的分擔率;E i表示各單一塵源類除去進入揚塵的部分后對受體的分擔率。則有:D i=B×C i(1E i=A i-D i(2求出的結果E i與揚塵的分擔率B共同組成顆粒物二重源解析結果。從而解決了同時解析出揚塵和其它單一塵源類對受體的分擔率的矛盾,明確了單一塵源類以不同的形式通過不同的途徑對大氣顆粒物貢獻的規(guī)律。1.2粗集理論模型李祚泳7將粗集理論(Rough Set s,簡記為RS引入到顆粒物源解析,該理論不需要預先給定某些特征或屬性的數(shù)量描述,直接從給定問題的描述集合出發(fā),很快能找出該

8、問題中的內在規(guī)律。其基本術語和計算過程如下:U為描述某系統(tǒng)的數(shù)據(jù)構成的總集合,應用于源解析表示顆粒物樣本中的各種元素的集合;子集XU,不同分類X i的樣本數(shù)應比較接近;R為由系統(tǒng)參數(shù)構成的屬性表達的等價關系,把排放源視作R;對于某一R i可以按幾個區(qū)間Y i對U進行劃分,從而求出:X的R上近似集R-(X=UY iU|RY i X(3 X的R下近似集R-(X=UY iU|RY i X(4X的R邊界B R(X=R-(X-R-(X(5最后算出各類排放源對于分類X的重要性程度Ri(X iRi(X i=(|U|-|R-(X-R-(X|/|U|(6RS理論用于排放源貢獻率大小的計算估計有些情況下分辨率不高

9、,但用于排放源重要性排序是可行的,算法簡單實用。1.3BP網(wǎng)絡權重分析模型在不斷探索大氣顆粒物源解析更好的方法時,李祚泳8又提出了人工神經(jīng)網(wǎng)絡法(Artificial Neural NetworksB P網(wǎng)絡法。它以污染源作為輸入因子,一般由輸入層、隱層和輸出層組成三層網(wǎng)絡,相鄰兩層的節(jié)點之間通過權值連接。算法實現(xiàn)過程見圖1 。圖1BP網(wǎng)絡法算法實現(xiàn)過程網(wǎng)絡因子的權重貢獻率即污染源貢獻率可以由公式計算出來。B P網(wǎng)絡權重分析模型有很強的容錯性,對個別采集樣本數(shù)據(jù)測試有誤或存在不確定數(shù)據(jù),一般不會對解析結果造成太大的影響;解析能力強,即使所測數(shù)據(jù)資料很少也可以得到較正確的結果9。1.4投影尋蹤回

10、歸法投影尋蹤回歸PPR10是投影尋蹤(PP與回歸分析(RA相結合產生的一種多因子建模新技術。其基本思想是為了避免線性回歸不能反映實際問題中非線性情況的矛盾。采用一系列嶺函數(shù)Gm(Zm的和去逼近回歸函數(shù):f(xMm=1m G m(Z m=Mm=1m G m x(7式中:M嶺函數(shù)的個數(shù);Z m嶺函數(shù)的自變量,它是P維向量 x 在 方向上的投影。9Z m = x =m 1x 1+m p x P =Pj =1m j x j(8采用最小二乘法去逼近f (x ,以確定式(7(8中的參數(shù)mj ,m ,G m (Z m 和M 的組合,使?jié)M足L 2=E y -Mm =1m G mPj =1m j x j2=mi

11、n (9 將不同排放源的某一元素譜視作PPR 建模的因子x j ,將大氣樣本采集分析得到的元素數(shù)據(jù)視為因變量y ,應用逐步交替優(yōu)化的多重平滑回歸技術算法(SMAR T 獲得因子x j 對因變量y 的權重貢獻率。PPR 法在一定程度上克服了源解析的非線性問題,模型具有較強的解析能力,穩(wěn)健性、抗干擾性和客觀性都較好。1.5正定矩陣分解法正定矩陣分解法(po sitive mat rix factoriza 2tion ,PM F 的優(yōu)點是分解矩陣中元素、分擔率非負,不需要測量源成分譜,對每一個單獨的數(shù)據(jù)點使用誤差估計,并且可處理遺漏和不精確數(shù)據(jù)。Miller 等11用CMB 、PCA/A PCS

12、(absolute p rinci 2pal component scores 、UNM IX 和PM F4種方法對已知源解析結果的人工模擬被顆粒物污染的大氣樣本進行解析,對比發(fā)現(xiàn),PM F 得到的主要源源廓線最接近模擬樣本,準確度最高。PM F 的原理簡單概括為12:假設X 為n ×m 矩陣,n 為樣品數(shù),m 為化學成分(如OC 、EC 、各種離子和元素等數(shù)目,那么X 可以分解為X =GF +E ,其中G 為n ×p 的矩陣,F 為P ×M 的矩陣,P 為主要污染源的數(shù)目,E 為殘數(shù)矩陣。定義:e ij =x ij -Pk =1g ik fkj(i =1,n;j

13、 =1,m ;k =1p (10Q (E =ni =1mj =1(e ij /s ij 2(11其中,s ij 為X 的標準偏差。約束條件為G 和F 中的元素都為非負值,最優(yōu)化目標是使Q 趨于自由度值,這樣可以確定出G 和F 來。通常,認為G 為源的載荷即源的分擔率,F 為主要污染源的源廓線即化學成分的相對濃度值,確定源的類別。Eugene 13等人改進了PM F ,分析化學成分時把碳分成8種:3種EC (elemental carbon ,元素碳、4種OC (organic carbon ,有機碳、1種OP (pyrol 2ized organic carbon ,熱解有機碳。改變了原來只分

14、析EC 和OC 的做法,根據(jù)各種碳豐度的不同可以區(qū)分柴油污染源和汽油污染源,從而解析出汽油車、柴油車(on -road diesel 、火車和公共交通設施這4種相似的源對PM 2.5的貢獻率。1.6主成分分析主成分分析(principal compo nent analysis ,PCA 作為一種把原來多個指標化為少數(shù)幾個互不相關的綜合指標的多元統(tǒng)計方法,廣泛應用于大氣污染物的源解析過程中。解析方法如下:采樣獲得各元素的質量濃度值,進行因子分析。首先選取主成分即主要源的個數(shù),個數(shù)的判據(jù)是使這幾個主成分能解釋方差的80%以上。進而對矩陣作最大方差旋轉,獲取因子負荷矩陣,即某一主成分的元素負荷矩陣

15、。再結合因子質量濃度隨時間和粒徑的變化曲線、各種氣象條件推斷出主成分的種類14。1.7混合模型各種方法都有其局限性和最適用場合。例如多元分析是“提出排放源假設”的技術,化學質量平衡法是“檢驗排放源假設”的技術,主成分分析可以識別源類別,多元線性回歸可以計算源的分擔率。因此,多元分析與化學質量平衡相結合,PCA 與ML RA 相結合,揚長避短,在實際的應用中也取得了較好的結果。Chio 等15在臺灣對不同空氣質量條件下的PM 10進行了源解析,PCA 法解析出6種主要源:汽車排氣、揚塵、二次氣溶膠、生物質燃燒、工業(yè)源、海鹽,又用CMB 法解出了這些源的貢獻率。Almeida 等16用PCA/ML

16、 RA 對歐洲西部海岸大氣中的PM 10和PM 2.5進行了源解析。2源解析技術發(fā)展的新趨勢2.1碳輔助的源解析研究顆粒物中的碳可以分為不同種類,根據(jù)不同種類碳的含量特征,能更確切地反映顆粒物某些來源。根據(jù)14C 與總碳的比率,可明確區(qū)別化石碳與當代碳源。有機碳OC/元素碳EC 可用來檢測二次氣溶膠的存在3。如上文1.5所述,用PM F 法進行源解析時把碳分成8種類別,根據(jù)各種碳豐度的不同區(qū)分出柴油污染源和汽油污染源。2.2單顆粒研究單顆粒源解析法運用顯微技術識別單顆粒物1化學特征譜對顆粒物的來源作出判斷,并且,根據(jù)顆粒物數(shù)目的計數(shù)統(tǒng)計解出源貢獻率。它可以避免化學法因排放源物質化學成分的非線性

17、獨立性和平均化學成分的某些相似性引起的誤差,可以檢測出某些顆粒物的特征元素或者低濃度有毒元素,從而解析出未知排放源和低濃度排放源。目前,對單顆粒大氣氣溶膠進行分析通常有3種方法:電子微探針法(Electron Probe Microanalysis,EPMA、激光顯微質譜法(Laser Mass Microanalysis,L M2 MA和核子微探針法(Nuclear Microp robe,NM。李曉林17等將掃描核探針(scanning Nuclear Mi2 crop robe,SNM技術與人工神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別方法相結合,對上海市大氣PM10進行了源解析研究,該方法較EPMA和L MMA

18、具有分辨率高和對單顆粒進行整體分析的優(yōu)點。仇志軍18等用質子微探針對上海市人民公園大氣氣溶膠進行單顆粒源解析。Kaegi和Holzer19用環(huán)境電子掃描電鏡(environmental scanning elect ron microscope, ESEM和透射電鏡(t ransmission electron micro2 scope,TEM對瑞士蘇黎世大氣顆粒物進行了源解析。隨著顯微技術的提高,單顆粒源解析準確性會進一步提高,解析能力也會進一步增強,是一種有前途的源解析方法。3結語源解析工作國內起步晚,目前仍以CMB法為主,但近年來研究人員將各種數(shù)學模型應用于可吸入顆粒物源解析,提出了一些

19、新方法。國外則較多采用CMB、PCA、PM F這3種方法。此外,近年隨著核物理測試技術的發(fā)展,碳輔助的源解析和基于單顆粒研究的源解析方法將發(fā)揮越來越重要的作用。當前我國僅有一小部分城市進行了可吸入顆粒物源解析,缺乏廣泛性和系統(tǒng)性,今后源解析方法需要結合城市的具體情況在理論研究和推廣應用中不斷發(fā)展。參考文獻1.朱廣一.大氣可吸入顆粒物研究進展J.環(huán)境保護科學,2002, 28(113:35.2.戴樹桂,朱坦,白志鵬.受體模型在大氣顆粒物源解析中的應用和進展J.中國環(huán)境科學,1995,15(4:252257.3.王帥杰,朱坦.大氣顆粒物源解析技術研究進展J.環(huán)境污染治理技術與設備,2002,3(8

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