化学质量平衡法在污染源解析中的应用研究

李雯香 秦培智 唐晗

摘要：选定受体模型中应用较为广泛的化学质量平衡法作为研究对象，阐述了其定义、原理及存在的优缺点，并从在大气、水、沉积物3个方面，分析了化学质量平衡法在其中的应用。结果表明：现阶段对于该模型的应用，仍以大气和沉积物研究为主，在水污染源解析工作中应用相对较少。

关键词：源解析;化学质量平衡法;应用

中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）14-0201-02

1引言

源解析最早应用于大气污染物的研究，美国从20世纪70年代开始进行大气污染源解析研究.近年来，源解析逐渐被运用到水体以及土壤中。化学质量平衡法是源解析中较为成熟且应用广泛的一种方法，属于受体模型之一，被美国环保局（USEPA）推荐使用，也是在我国源解析研究中使用最广泛的方法。

2化学质量平衡法的定义及原理

1972年，miller等首次提出基于化学元素法的计算等式，其后Cooprer和Watson将其正式命名为化学质量平衡法（以下简称CMB）。该方法基于各污染物指纹谱的差异，依据质量守恒定律，通过检测受体中各种物质的含量来确定各类污染源的贡献率。即受体中某种化学组分的浓度就是各排放源中该组分的浓度与贡献率乘积的线性加和，其数学表达式为：

3CMB的优缺点

3.1优点

一是原理简单易懂，算法成熟，应用较为简单，解析结果更加接近现实情况;二是不需要大量的样品采集，只从一个受体面就可以得出结果;三是能间接的检测出是否存在遗漏的内容，可求解得出具体源对受体贡献的绝对值和相对贡献率，便于提出污染削减对策。

3.2缺点

一是在应用前要进行较为详尽的污染成分谱调查，需要同时输人污染源成分谱与受体成分谱;二是对污染源的确定存在一定猜测成分，对同一污染源不同污染物种类的分辨存在一定局限性;三是需要解决如何区分不同时间、工厂、天气状况等条件下排放源排放成分不同的问题;四是由于水体中溶解态、悬浮态和沉积物之间迁移、转化、释放等机理较为复杂，模型中的一些假设条件对于水体不成立，在水环境中的应用受到限制。

4CMB模型的应用综述

4.1在大气污染源解析中的应用

目前，CMB模型的应用大多集中在大气污染源解析方面。

2009年，张华分别采用CMB和PNB两种模型对煤炭工业城市徐州的大气颗粒物进行源解析。研究表明：2个模型所获取的结果一致。徐州市对TSP的贡献最大的是建筑、燃煤、土壤及钢铁冶炼4个类源;对PMl。贡献最大的是燃煤、土壤、建筑及机动车4个类源。

2013年，张建强利用CMB模型较好的解决了煤烟尘、机动车尾气尘的共线性问题。论文通过研究太原市环境空气及主要污染源排放的PM¹⁰.中无机元素、离子、碳及其同位素组成特征，建立了受体及其污染源的化学成分及碳同位素组成谱，构建了碳同位素质量平衡模型，并进行了应用研究。结果表明：太原市PM¹⁰.主要来源于煤烟尘、建筑水泥尘、机动车尾气尘和土壤风沙尘;PM¹⁰中无机元素以Na、Mg、AI、si、K、Ca、Fe为主，各源类样品中无机元素含量有明显差异。

2016年，窦筱艳、赵雪艳等应用CMB模型开展了青海西宁市大气PM²5源解析研究。通过采集4类固定源、11类移动源和4类开放源的PM²5样品，构建了西宁市源排放成分谱。并分别在采暖季、风沙季和非采暖季采集大气PMa²5样品，对其化学组分（元素、离子和碳）进行分析。结果表明，观测期间西宁市PMz。主要来源于城市扬尘、燃煤尘、机动车尾气，分担率分别为26.4%、14.5%、12.8%;其次来源于二次硫酸盐、生物质燃烧、二次硝酸盐。并给出改善西宁市空气质量的对策：大力控制城市扬尘为主的开放源污染，严格控制本地燃煤、机动车等污染源的PM²5排放。

2017年，赵雪艳、王歆华等人应用CMB模型研究忻州市大气PM²5中的来源。研究分析采集的PM²5样品中的2种碳组分、39种元素、9种水溶性离子，对PM²5的质量浓度进行重构。结果表明：重构后的化学组分主要为矿物尘、二次粒子和微量元素、有机物、元素碳;化学组成质量分数具有较明显的季节变化特征，例如风沙季矿物尘质量分数高于采暖季和非采暖季，采暖季有机物质量分数高于其他两季;源解析结果显示忻州市PM²5的主要来源是扬尘（21%～35%）、二次粒子（25%～26%）和机动车尾气（21%～26%），属于多源类联合污染。

4.2在水污染源解析中的应用

目前CMB模型在水污染源解析工作中应用相对较少，单一应用也相对较少。

1999年，黄国兰、萧航等人通过模拟静态恒流排放的条件，检测各污染物的扩散行为，做污染物浓度一距离曲线，确定污染源“成分谱”随扩散过程的变化，建立扩散经验模型，最后发现CMB结合“成分谱”变化模型适用于实验室内水体微环境的污染物源解析。对CMB法是否适用于天然水体，还需进一步实验测量与污染物扩散有关的各项参数，应用更为精确的扩散模型做进一步研究。

2010年，胡成等人在研究近年应用于水污染方面的各种模型时发现，虽然CMB模型有其本身的优点，但是自身的不足更为明显，所以现阶段对于水污染源解析方面的研究与应用，更多的是停留在理论阶段，实际操作起来复杂，得到结论的较少。

2014年，王在峰、张水燕等人开发了水质模型与CMB模型相耦合的河流污染源源解析技术，用于解析直排工业源、上游断面、支流源和未知源对河流的污染贡献，包括相对贡献率和绝对贡献值。并将该模型应用于山东省济南市的主要纳污河流小清河，结果表明解析结果与实际情况相符且满足诊断指标要求。该研究将扩散模型与受体模型有机结合，擴大了适用范围，提高了解析精度。

4.3在沉积物源解析中的应用

CMB模型在沉积物中污染物的源解析也有广泛研究，主要包括多环芳烃、多氯联苯等有机污染物。

国外学者做了大量的沉积物中PAHs的源解析研究，将CMB模型成功应用于Lake Calumet、Pepin湖、Black River、威斯康星河格林湾以及Ashtabula河流等水体沉积物中PAHs源解析。

国内学者在这方面也作了一些研究，并取得了较好的成果。

2008年，薛荔栋等人在研究黄海近岸沉积物PAHs的来源中，先对于PAHs的来源作出假设，假设来源于燃煤、燃油、焦化、柴油泄漏等，然后对12站点进行监测采样，应用CBM模型对数据进行处理。得出结论：对于黄海近岸沉积物中的PAHs贡献率最大的是燃煤源，其次为燃油，最后为焦炉。

2008年，刘宗峰在黄河口及莱州湾表层沉积物中PAHs来源研究中，应用比值法确定燃煤、汽油燃烧、柴油燃烧、油类泄露、石油化工、木柴燃烧六大来源，应用CMB模型与多元统计分析对数据进行处理，分析结果大致一致：对于黄河口及莱州湾表层沉积物中PAHs贡献率最大的为燃煤源，其次为木柴燃烧源和柴油源。

2018年，孙健等在研究几种受体模型在土壤中PAHs的研究中，比较了特征比值法、特征化合物法、CMB、主成分分析、多元线性回归和正定矩阵因子分析法的应用原理及注意事项。结果表明，CMB模型可有效表达辽河河口芦苇湿地表土样品中PAHs的源谱信息。

此外，李娇等在对近些年的各种源解析模型在土壤方面的研究时发现，CMB模型并不能用于较长时间内污染源对受体的长期污染。

5结语

现阶段对于CMB模型的应用，仍然以大气污染源解析的研究为主，沉积物中污染物的源解析也有广泛研究，在水污染源解析中应用较少，且多为联合应用。从国内外看，我国对于源解析的研究起步时间较晚，相较于国外仍大多数停留在理论阶段，这对于环境学者来说既是机遇又是挑战。