謝 飛 時志強

（1 江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心 江蘇南京 214500 2 江蘇省蘇協(xié)環(huán)境技術(shù)研究院 江蘇南京 214500）

引言

近年隨著我國城市化進程加快、工業(yè)化水平提高、交通運輸業(yè)的發(fā)展等，環(huán)境空氣PM2.5 現(xiàn)在已經(jīng)成為我國大部分城市的首要污染物。相關(guān)研究表明，對大氣能見度和人體健康影響最大的是粒徑為0.1-2.5μm 之間的粒子，搞清區(qū)域PM2.5 的分布和組成，不僅是環(huán)境管理需求也是民生需要[1-2]。環(huán)保部發(fā)布了《關(guān)于開展第一階段大氣顆粒物來源解析研究工作的通知》、《大氣顆粒物來源解析技術(shù)指南（試行）》和《環(huán)境空氣顆粒物來源解析技術(shù)路線（試行）》等文件，對我國大氣顆粒物源解析技術(shù)方法進行了明確規(guī)定。

對于環(huán)境空氣PM2.5 源解析，規(guī)范推薦了源清單法、源模型法和受體模型法，并分別對幾種源解析方法的使用條件和優(yōu)缺點進行了對比。通過源解析工作的實際開展過程發(fā)現(xiàn)，環(huán)境空氣PM2.5 受產(chǎn)業(yè)布局、地理條件、氣象條件等影響較大。在大的時空尺度上結(jié)合區(qū)域環(huán)境資料、實地采樣、氣象特點等，采用手工源解析能夠較好的反映區(qū)域PM2.5 各類排放源的貢獻(xiàn)及來源等信息。但對于局地、短時間尺度上的霧霾天氣，大型活動空氣管控等，手工源解析由于時間過程長，很難保證PM2.5 的及時解析和重污染天氣形成的捕捉。《大氣顆粒物來源解析技術(shù)指南（試行）》中也明確規(guī)定，針對重污染過程，推薦應(yīng)用基于在線高時間分辨率的監(jiān)測和模擬技術(shù)，發(fā)展快速源識別和解析方法。因此，如何對顆粒物進行及時采樣分析，并對來源進行解析，以方便管理部門制定相應(yīng)的管控政策，來補充手工源解析的不足，已經(jīng)成為了區(qū)域PM2.5 管控的短板。車載在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜PM2.5 源解析系統(tǒng)，能通過質(zhì)譜細(xì)分析系統(tǒng)，結(jié)合大數(shù)據(jù)算法實現(xiàn)快速的區(qū)域源解析的目的[5]。

1 車載在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜源解析系統(tǒng)及原理

PM2.5 的組成主要包括無機元素、水溶性礦物質(zhì)、有機化合物和含碳組分等[3]。高時空單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀主要由氣溶膠進樣系統(tǒng)、氣溶膠測徑系統(tǒng)，離子化系統(tǒng)、質(zhì)譜分析系統(tǒng)、特征譜庫以及大數(shù)據(jù)算法系統(tǒng)組成。單顆粒氣溶膠質(zhì)譜（SPAMS）通過對環(huán)境大氣中單個細(xì)顆粒物的成分和粒徑大小進行實時檢測，獲取顆粒物的物理化學(xué)特性，包括顆粒物的粒徑、化學(xué)組成甚至光學(xué)性質(zhì)，等并將其特征通過大數(shù)據(jù)算法與儀器內(nèi)置污染源特征譜庫進行比對，實時得出顆粒物的污染來源組成情況，從而實現(xiàn)PM2.5 的 源 解 析[4]。

圖1 單顆粒氣溶膠質(zhì)譜系統(tǒng)圖

單顆粒氣溶膠質(zhì)譜系統(tǒng)采用空氣動力學(xué)透鏡進樣、雙光束測徑、單步激光解析電離以及雙極飛行時間質(zhì)譜的技術(shù)組合，儀器每秒可測最多19 個顆粒物，具有極高的時間分辨率，可提供小時級別的顆粒物成分和來源解析結(jié)果。由于環(huán)境空氣中的顆粒物粒徑大小不一且呈不規(guī)則狀，在不改變顆粒物組成的情況下，通過空氣動力學(xué)透鏡進入真空進樣系統(tǒng)中，聚焦顆粒物至中軸線。進入系統(tǒng)的顆粒物通過雙光束空氣動力學(xué)測徑方法，這種方法的原理是基于不同空氣動力學(xué)直徑的顆粒物在進樣出口處獲得了不同的加速速度。在通過相距一定距離的兩束激光時，顆粒物所需的飛行時間是不一致的，通過標(biāo)準(zhǔn)的樣品進行標(biāo)定即可對每一個大氣粒子進行測徑。

測徑系統(tǒng)測量后，通過光電倍增管轉(zhuǎn)變成電信號精確觸發(fā)266nm 激光，激光束將單顆粒電離，單顆粒被電離成各種正負(fù)離子。質(zhì)譜分析系統(tǒng)同時檢查正負(fù)離子，從而獲得單個顆粒物的全譜信息。分析內(nèi)容包括：有機碳：有機胺類、有機酸類、多環(huán)芳烴類；元素碳：柴油車排放、生物質(zhì)燃燒排放等；無機鹽：無機鹽類（硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、氯鹽等）；金屬/重金屬：Ca、Ti、V、Mn、Fe、Cu、Zn、Cr 等約70 多種。

2 PM2.5 特征譜庫建立及解析

針對PM2.5 源解析，在《大氣顆粒物來源解析技術(shù)指南（試行）》中建議使用排放清單、擴散模型、受體模型及模型聯(lián)合使用等。在線源解析的理論基礎(chǔ)也是基于受體模型原理，依據(jù)分析數(shù)據(jù)結(jié)合示蹤粒子及大數(shù)據(jù)算法來實現(xiàn)PM2.5 的源解析。

不同城市PM2.5 的來源也存在著一定的差別，因此建立區(qū)域PM2.5 組成的特征源譜庫，能夠更準(zhǔn)確的實現(xiàn)區(qū)域PM2.5 的朔源。根據(jù)區(qū)域工業(yè)布局和環(huán)境特點，對固定源、移動源、開放源、餐飲油煙源、生物質(zhì)燃燒源以及二次粒子的前體物排放源等，選擇能代表區(qū)域污染源排放的時空分布特征樣品的種類和數(shù)量。對所采集代表性樣品進行再懸浮，通過進樣系統(tǒng)將所采集樣品輸送入單顆粒氣溶膠質(zhì)譜系統(tǒng)進行分析。

分析結(jié)果通過基于Matlab 平臺的軟件名為YAADA 數(shù)據(jù)分析軟件進行數(shù)據(jù)處理，YAADA 中主要包含了數(shù)據(jù)導(dǎo)入、搜尋、作圖、定量分析函數(shù)，用戶可以通過Matlab 自己修改或編寫函數(shù)來擴展其應(yīng)用。該軟件可以對數(shù)據(jù)通過自適應(yīng)共振理論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（ART-2a），該算法可通過大量的分析數(shù)據(jù)進行分類處理，通過離子譜圖相似性進行歸類。不同來源的氣溶膠顆粒所含有的特征離子不同，這一點已有大量的實驗結(jié)果證明。因此，根據(jù)大氣氣溶膠中的組成特征情況就能夠推斷出顆粒的可能來源以及顆粒在空氣中發(fā)生的各種變化過程。若一類數(shù)據(jù)落在已存在的數(shù)據(jù)的相似程度之外，那么ART 就會新增加一類。運用這種方法，他能夠鑒定新的一類數(shù)據(jù)，同時不影響已存在的類別。通過軟件的算法，對數(shù)據(jù)進行歸類后，形成區(qū)域PM2.5 特征譜庫。通過在線單顆粒氣溶膠質(zhì)譜設(shè)備對區(qū)域大氣顆粒物進行采樣分析，根據(jù)分析結(jié)果，使用示蹤離子法及自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（ART-2A）結(jié)合區(qū)域PM2.5 特征譜庫，對環(huán)境空氣中顆粒物的來源進行在線解析，從而獲取區(qū)域PM2.5來源。

3 單顆粒氣溶膠質(zhì)譜的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的離線采樣分析源解析相比，單顆粒氣溶膠質(zhì)譜在線源解析避免了離線采樣、運輸及分析過程中的造成氣溶膠損失，且在線源解析采用高時間質(zhì)譜分析儀，分析效率較高，利用單顆粒質(zhì)譜高時間分辨率的優(yōu)勢，可分析污染過程中逐小時的顆粒物成分及來源隨顆粒物濃度變化情況，結(jié)合氣象條件、污染源分布及現(xiàn)場巡查，結(jié)合PM2.5 譜庫能夠?qū)崿F(xiàn)快速的識別PM2.5 來源。SPAMS 在線源解析系統(tǒng)目前已在全國多個城市進行了實際應(yīng)用，特別是重污染天氣應(yīng)急監(jiān)測、氣團跟蹤、大型活動保障等。利用在線源解析系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域污染物或污染源變化規(guī)律、城市重點點位PM2.5 污染源構(gòu)成情況。通過源解析結(jié)果可以實現(xiàn)，城市層面重點區(qū)域/重點源差異化管控，幫助管理部門制定快速、科學(xué)、有效、可行的解決方案。在冬季北方期間加強觀測，實時獲取污染情況，指導(dǎo)對應(yīng)措施的制定[6]。

由于大顆粒質(zhì)譜單機運行模式下即可同時提供無機元素和有機物種的信息，并且能夠發(fā)現(xiàn)單個顆粒物上各化學(xué)物種之間的聯(lián)系，無需前處理，可實現(xiàn)大氣顆粒物的實時采樣和分析，具有極高時間分辨率（小時級別），能夠發(fā)現(xiàn)污染源的細(xì)微變化特征。大顆粒氣溶膠質(zhì)譜結(jié)合大數(shù)據(jù)算法系統(tǒng)，可集成于一部機動車上，不僅機動性好，在重污染天氣下的顆粒物源解析應(yīng)急響應(yīng)、措施評估、污染成因分析，以及精細(xì)化管理上有獨特優(yōu)勢。

結(jié)語

大顆粒氣溶膠質(zhì)譜目前雖然實現(xiàn)了車載，但只能進行定點監(jiān)測，并不能實現(xiàn)走航，由于區(qū)域小環(huán)境也可能導(dǎo)致PM2.5 來源的變化，因此想要獲取精確地PM2.5 來源解析結(jié)果，應(yīng)解決大顆粒質(zhì)譜的供電問題，實現(xiàn)走航監(jiān)測，通過多點監(jiān)測分析，實現(xiàn)區(qū)域源解析的精細(xì)化，進一步提高源解析效率。同時通過走航過程PM2.5 來源的變化，實現(xiàn)重點PM2.5 來源的確認(rèn)，也可以通過多點的源解析為城市PM2.5 來源進行畫像，確定區(qū)域PM2.5 控制策略，為政府區(qū)域大氣管控決策提供支撐數(shù)據(jù)。

由于大顆粒氣溶膠質(zhì)譜源解析系統(tǒng)依賴示蹤離子及大數(shù)據(jù)算法結(jié)合區(qū)域源譜庫進行的源解析，區(qū)域源譜庫的建立直接決定了在線源解析的準(zhǔn)確性。為了保證在線源解析的應(yīng)用的有效性，應(yīng)在正常天氣條件下，對區(qū)域PM2.5 進行定期、連續(xù)的監(jiān)測，建立區(qū)域PM2.5 源譜檔案，為區(qū)域PM2.5 來源精確解析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。區(qū)域PM2.5 受溫度、風(fēng)速風(fēng)向、光照、地理地形等影響也會有較大的變化，在分析精確、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)完善的條件下，在解析系統(tǒng)上合理的融合環(huán)境地形、氣象參數(shù)系統(tǒng)能進一步提高PM2.5 的精度。在走行車上，安裝氣象測量裝置進行區(qū)域氣象數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)實時傳輸，同時結(jié)合GIS 系統(tǒng)提供的地形狀況，結(jié)合現(xiàn)有大顆粒質(zhì)譜解析系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域環(huán)境中PM2.5 的精確解析。