化学质量平衡(CMB)受体模型原理与应用简述

化学质量平衡（CMB）受体模型原理与应用简述

作者：刘霄云

来源：《世纪之星·交流版》2015年第01期

[摘 要]化学质量平衡（CMB）受体模型是重要的大气颗粒物源解析模型之一。本文主要简述了该模型的原理及应用，并举例说明通过该方法对大气颗粒物进行的源解析。 [关键词]大气颗粒物；受体模型；化学质量平衡；源解析 一、化学质量平衡（CMB）受体模型 1. 化学质量平衡（CMB）受体模型原理

对大气颗粒物的来源进行定性或定量研究的技术称之为源解析技术。

源解析技术的发展始于以排放量为基础的扩散模型（源模型）。扩散模型可以很好地建立起有组织排放的烟尘源和工业粉尘源与大气环境质量之间的定量关系，从而为治理有组织排放源提供了科学依据。但是扩散模型无法应用于源强难以确定的开放源。为了解决这一问题， Blifford和Meeker首先把着眼点由排放源转移到了受体（即受污染源影响的某一局部大气环境），通过分析在受体采集的颗粒物样品推断颗粒物的来源，随后逐步形成了通过对大气颗粒物环境和源样品的化学或显微分析确定各类污染源对受体贡献值的一系列的源解析技术。 化学质量平衡（CMB）法是大气颗粒物源解析受体模型研究方法中的一种，该法于1972年由Miller，Friedlander和Hidy等人第一次提出，在1980年由Cooper和Watson正式命名为化学质量平衡法。由该方法建立起来的CMB模型是目前在实际工作中研究最多、应用最广的受体模型。

CMB 模型假设存在着对受体中的大气颗粒物有贡献的若干源类（j），并且（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以被忽略。那么在受体上测量的总物质浓度C就是每一源类贡献浓度值的线性加和。

排放源的成份谱和受体样品中各种物质的浓度值及其标准偏差均为模型所需的输入数据，模型根据这些数据计算出各个源的贡献值及其标准偏差。 2. 解析结果的优度判断

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

模型通过计算所得到的结果的可信度由以下几个统计参数来反映：

R方差值 - 计算的受体地区颗粒物样品各化学组分浓度值的变化值与测量值的变化值的比值，范围在0～1.0。该值越接近1.0，说明源解析的结果越可靠；

Chi方差值 - 受体地区颗粒物样品各化学组分浓度计算值和测量值之差值的加权平方和，该值越接近0，说明源解析的结果越可靠；

质量平衡值 - 受体地区颗粒物样品各化学组分浓度计算值总和与测量的总浓度值的比值，该值在80%～120%之间，源解析的结果都可认为是可靠的； T统计值 - 源贡献计算值与其标准偏差的比值，如果该值 二、CMB模型的应用

CMB模型应用的关键问题在于如何确定纳入计算的排放源。排放源的确定主要存在两个问题：一是纳入模型计算的排放源的全面性，二是纳入模型计算的排放源的共线性。根据模型的原理，纳入计算的排放源越全面，所得的计算结果就越精确、越接近实测值。但在实际应用中仍然会因为某些源的欠缺而产生误差。基于这一点，模型中加入了解析结果优度判断，只要符合优度标准就可以认为结果是可信的。由于环境中同一源类的颗粒物会以不同形式和途径排放到大气环境中，使得环境空气中的颗粒物来源极为复杂，而目前的源解析技术没有考虑到这一点。因此，利用CMB模型进行解析时经常会遇到一组数据多种结果的现象。美国EPA提出的奇异值分解和T统计法解决了共线性源类的诊断问题，但没有从根本上解决存在严重共线性源类对受体交叉贡献的问题。针对以上问题对该模型在实际应用中的发展和完善予以阐述。 1. 城区大气环境中TSP的来源解析

大气质量评价中TSP通常作为一个重要污染指标。利用CMB模型对大气中TSP来源进行解析，可以确定排放源的种类和排放源的贡献，达到空气质量监测的目的。美、日等一些国家的研究人员70年代就已用CMB法对芝加哥、华盛顿等许多城市TSP的来源做了大量的工作，为针对性地治理TSP作出了重要贡献。我国直到80年代后期，才开始进行TSP源解析的定量研究。我国一些城市已作了TSP的源解析工作，如：杭维琦和黄世鸿应用CMB模型对南京市城区7个环境监测点环境空气中的TSP进行了源解析，得出4类主要污染源对TSP的平均贡献率：建筑尘39.8%，煤烟尘25.7%，土壤尘19.2%，冶炼尘1.8%。对该城区的地面尘源解析结果表明：地面尘与环境空气中TSP的构成相近。陈明华等人应用CMB模型对上海市9个监测点的大气颗粒物进行源解析，得出对TSP贡献率较大的污染源为敞开源，建筑尘达32.1%，土壤尘达27.6%。但是当纳入扬尘这类复合源计算时，由于其与建筑尘、烟煤尘这类单一源存在着严重的共线性，所以很难准确地解出各单一源对受体的贡献值。冯银厂等提出了二重源解析技术，较好地解决了这个问题。该源解析技术将扬尘这类复合源作为受体，建筑尘

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

等单一源作为排放源进行二重解析求出各单一源对扬尘的贡献值，进而计算出各单一源以扬尘形式进入到受体中的贡献值，扣除这些贡献后可得到单一源的实际贡献值。郝明途等针对该技术在应用中的不足进行了进一步的改进，在计算扬尘的实际贡献值时，以扬尘代替与它共线性最弱的单一源进行源解析计算，然后反推出扬尘对受体的实际贡献值，减小了计算结果的误差。

2. PM10与PM2.5的源解析

PM10与PM2.5均为可吸入颗粒，并且PM2.5可以直接进入人体的肺泡，它们通常含有许多对人体有害的物质，其中有机碳、无机碳以及活性致癌物直接危害人体呼吸系统。因此，两种颗粒的源解析研究工作是治理大气环境污染的一个重要内容。Samara等人利用CMB模型对1997年6月～1998年6月在希腊北部的一个工业城市中的3个采样点所得到PM10的组分数据进行源分析，结果表明，柴油汽车尾气排放是环境中PM10的主要来源，其次是工业油燃烧。杨圣杰等人对北京市采暖期和非采暖期2.5μm小颗粒进行了初步研究，采用多元素同时测定及CMB模型对其进行源解析，研究表明，汽车尾气排放为北京市主要污染源。 3.稠环芳烃（PAHs）的来源解析

随着人们对稠环芳烃（PAHs）越来越关注，其在大气颗粒物中的源解析逐渐成为研究的热点。稠环芳烃（PAHs）化合物大多在城市上空中出现。城市大气中致癌PAHs比较典型的浓度水平为20μg/m3，有些特殊的大气和废气中PAHs含量更高，对人体危害极大，因此受到广泛的关注。大气颗粒物中已确证有较大致癌性的PAHs化合物为苯并（α）芘，多元环、难挥发性PAHs含量相对较高，并且主要集中于小颗粒物中，而粗粒子中的PAHs的含量很少。研究表明可吸入颗粒物所含的PAHs约占颗粒物中PAHs总量的95%，粒径 4.VOCs的来源解析

国外研究表明，城市上空对流层中臭氧过多的生成与大气中挥发性有机物（VOCs）有关。这些有机物质被氧化后生成的活性基团能够与氮的氧化物反应生成NO2，从而改变臭氧与氮的氧化物所形成的光化学平衡，导致臭氧增加。已经证明VOCs还与城市中产生光化学烟雾有关，很多城市环境中存在的VOCs具有较强的毒性，具有“三致”（致癌、致畸、致突变）作用。如果要采取有效的手段来控制大气中VOCs的浓度，就必须知道这些化合物的来源。因此，这几年利用CMB模型对大气中的VOCs进行源解析的研究在国外成为热点。Watson等人对美国20多个城市大气中VOCs源解析的结果表明：汽车尾气和汽油的挥发对环境中VOCs的贡献率达到50%或更高。Srivastava以柴油卡车、轻型轿车、加油站、汽车修理站、干洗店、天然气燃烧、下水道污泥和以海洋源为排放源的孟买市区大气中VOCs进行了源解析，结果表明加油站是主要的排放源，其次是海洋源，并且除汽车以外的源都对大气环境中的苯有较大的贡献。由于VOCs在大气环境中易发生化学变化，很难得到较为准确的源解析结果，目前国内外在这方面还有待于深入研究。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

三、CMB模型的应用举例

在国内，乌鲁木齐、呼和浩特、烟台、、南京、天津、抚顺等地区已分别应用CMB模型对大气颗粒物进行了源解析（朱建新，1996；高春香，2001；胥晓瑜，2001；胥晓瑜，2000；杭维琦，2000；朱坦，1996和李玉武a，2003），上海、青岛和杭州等地也应用CMB模型计算了各种排放源对大气PM10的贡献率（陈明华，1997；刘咸德，1998和王灿星，2003），为有效地制定本地区大气污染的控制策略提供了科学依据。源解析结果表明，各地大气颗粒物的主要贡献源类存在一定程度的差异。 1. 石家庄市和济南市扬尘的来源解析

扬尘是各单一尘源类的混合体，它既是对环境空气中颗粒物有贡献的源类，同时也是各单一尘源类的接受体。因此，根据化学质量平衡（CMB）受体模型的原理，本研究将扬尘作为受体，各单一尘源类作为对之有贡献的源，采用CMB受体模型对石家庄市和济南市的扬尘进行了来源解析，结果见表1。

从表1中可以看出，土壤风沙尘、建筑尘和燃煤尘是扬尘的主要来源。在济南市的扬尘中土壤风沙尘和建筑尘的分担率相差只有1%（粗粒子）和2%（细粒子），而在石家庄市的扬尘中土壤风沙尘的分担率是建筑尘分担率的3.4倍（粗粒子）和3.2倍（细粒子）。说明不同地区的扬尘，其来源组成有显著的差别。

石家庄市扬尘中土壤风沙尘的分担率达到47%（粗）和41%（细），表现出典型的土壤风沙扬尘的特征。济南市扬尘中土壤风沙尘和建筑尘的分担率相差只有2%，说明济南市扬尘和石家庄市扬尘相比，其建筑扬尘的特征更加显著。

由于扬尘是各单一尘源类颗粒物的混合物。因此，扬尘的化学成分及来源组成在一定程度上反映了环境空气中颗粒物的化学成分和来源。所以，根据表1中的结果可以推断，影响济南市环境空气中总悬浮颗粒物（TSP）和可吸入颗粒物（PM10）的主要单一尘源类依次是土壤风沙尘、建筑尘和燃煤尘，石家庄市则依次是土壤风沙尘、燃煤尘和建筑尘。这为开展大气颗粒物源解析研究工作提供了参考。同时，为环境管理中如何控制区域开放源（扬尘）提供了科学依据。 参考文献：

[1] 李先国，范莹，冯丽娟.化学质量平衡受体模型及其在大气颗粒物源解析中的应用.中国海洋大学学报.

[2] 金蕾，华蕾.大气颗粒物源解析受体模型应用研究及发展现状.中国环境监测.

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

[3] 冯银厂.化学质量平衡（CMB）受体模型原理与应用.南开大学环境科学与工程学院.