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大氣顆粒物來源解析技術指南

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大氣顆粒物來源解析技術指南

  • 分類:政策法規
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2020-06-18 11:18
  • 訪問量:

大氣顆粒物來源解析技術指南

  • 分類:政策法規
  • 作者:
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  • 發布時間:2020-06-18 11:18
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  大氣顆粒物來源解析技術指南

  (試 行)

  第一章 總 則

  1.1 編制目的

  為貫徹落實《國務院關于加強環境保護重點工作的意見》和《大氣污染防治行動計劃》,推進我國大氣污染防治工作的進程,增強大氣顆粒物污染防治工作的科學性、針對性和有效性,根據《中華人民共和國環境保護法》、《中華人民共和國大氣污染防治法》、《環境空氣質量標準》(GB 3095-2012)及相關法律、法規、標準、文件,編制《大氣顆粒物來源解析技術指南(試行)》(以下簡稱“指南”)。

  1.2 適用范圍

  1.2.1 本指南適用于指導城市、城市群及區域開展大氣顆粒物(PM10和 PM2.5)來源解析工作。

  1.2.2 本指南內容包括開展大氣顆粒物來源解析工作的主要技術方法、技術流程、工作內容、技術要求、質量管理等方面。

  1.3 編制依據

  《中華人民共和國環境保護法》

  《中華人民共和國大氣污染防治法》

  《國務院辦公廳轉發環境保護部等部門關于推進大氣污染聯防聯控工作改善區域空氣質量的指導意見的通知》

  《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》

  GB 3095-2012 環境空氣質量標準

  GB/T 14506.30-2010 硅酸鹽巖石化學分析方法 第 30 部分:44個元素量測定

  GB/T 14506.28-2010 硅酸鹽巖石化學分析方法 第 28 部分:16個主次成分量測定國家環境保護總局公告 2007 年第 4 號 關于發布《環境空氣質量監測規范》 (試行)的公告HJ 618-2011 環境空氣 PM10和 PM2.5的測定 重量HJ/T 194-2005

  環境空氣質量手工監測技術規范HJ/T 393-2007 防治城市揚塵污染技術規范當上述標準和文件被修訂時,使用其最新版本。

  1.4 術語與定義

  下列術語和定義適用于本指南。

  顆粒物污染源:向大氣環境中排放固態顆粒污染物的排放源統稱顆粒物污染源。

  環境受體:受到大氣污染物污染的環境空氣統稱環境受體,簡稱受體。

  大氣顆粒物來源解析:通過化學、物理學、數學等方法定性或定量識別環境受體中大氣顆粒物污染的來源。

  大氣顆粒物來源解析技術方法:用于開展大氣顆粒物來源解析的技術方法,主要包括源清單法、源模型法和受體模型法。

  源清單法:根據排放因子及活動水平估算污染物排放量,據此排放量識別對環境空氣中顆粒物有貢獻的主要排放源。

  源模型法:以不同尺度數值模式方法定量描述大氣污染物從源到受體所經歷的物理化學過程,定量估算不同地區和不同類別污染源排放對環境空氣中顆粒物的貢獻。

  受體模型法:從受體出發,根據源和受體顆粒物的化學、物理特征等信息,利用數學方法定量解析各污染源類對環境空氣中顆粒物的貢獻。

  顆粒物源成分譜:污染源排放特定粒徑段顆粒物的化學組成特征。

  共線性源:化學成分譜相似的顆粒物排放源。

  顆粒物開放源:各種不經過燃燒或其它工藝過程、無組織、無規則排放的顆粒物源,具有源強不確定、排放隨機等特點,比如揚塵。

  1.5 指導原則

  (1)科學實用性原則:在確保大氣顆粒物來源解析工作科學性與規范性的同時,應注重顆粒物污染來源與成因的精細化診斷,增強為污染防治決策服務的針對性和可操作性;

  (2)標本兼治原則:既要滿足城市與區域環境空氣質量達標的長期需求,又要服務于重污染事件的源識別、預警與應急控制措施制定。以大氣顆粒物來源解析常態化工作為重點,同時加強對重污染過程污染來源的解析;

  (3)因地制宜與循序漸進原則:各地根據自身污染特征、基本條件和污染防治目標,結合社會發展水平與技術可行性,科學選擇適合當地實際的源解析技術方法;隨著源解析技術進步與環境信息資料的完備,不斷完善和更新源解析結果。

  1.6 組織編制單位

  本指南由環境保護部科技標準司組織,南開大學、中國環境科學研究院、中國科學院大氣物理研究所、北京工業大學、北京大學等單位起草編制。

  第二章 大氣顆粒物來源解析技術方法的適用性

  制定環境空氣質量達標規劃和重污染天氣應急方案,要以顆粒物來源解析結果為依據。各地應根據“標本兼治”、“因地制宜與循序漸進”原則,結合環境管理目標、需求,以及開展顆粒物來源解析工作所需的基礎條件(基礎數據、技術能力等),選擇適合實際情況的大氣顆粒物來源解析技術方法。目前大氣顆粒物來源解析技術方法主要包括源清單法、源模型法和受體模型法。大氣顆粒物來源解析技術方法的適用性見表 1。

  表 1 主要大氣顆粒物來源解析技術方法的適用性

 

技術方法 優勢和局限性 必備條件 可 達 目 標
源清單法 方法簡單、易操作,定性或
半定量識別有組織污染源
收集統計基準年研
究區域各污染源污
染物排放量
得到排放源清單及重點排放
區域和重點排放源的污染物
排放量
源模型法 定量識別污染的本地和區域
來源,可預測;解析源強未
知的源類尤其是顆粒物開放
源貢獻困難
建立與源模型要求相
適應的高時間和高空
間分辨率的排放源清
單、氣象要素場
定量解析本地和區域各類源
的貢獻;針對具有可靠排放源
清單的點源,定量給出貢獻值
與分擔率;對于面源和線源,
定量解析各源類的貢獻
技術方法 優勢和局限性 必備條件 可 達 目 標
受體模型法 可有效解析開放源貢獻;定
量解析污染源類,不依賴詳
細的源強信息和氣象場;不
可預測
采集顆粒物樣品,分
析顆粒物化學組成
定量解析各污染源類,尤其是
源強難以確定的各顆粒物開
放源類的貢獻值與分擔率,識
別主要排放源類的來向
源 模型與 受
體模型聯用
定量解析污染源的貢獻;工
作量大,成本高
建立高分辨率的排放
源清單和氣象要素
場;采集顆粒物樣品
定量給出污染源貢獻值與分
擔率,定量解析出本地和區域
各類源的貢獻

 

  解析常態污染下顆粒物的來源,為制定長期顆粒物污染防治方案提供支撐,建議使用受體模型;細顆粒物(PM2.5)污染突出的城市或區域,建議受體模型和源模型聯用。解析重污染天氣下顆粒物污染的來源,為顆粒物重污染應急響應決策提供支撐,建議受體模型和源模型聯用;同時基于在線高時間分辨率的監測和模擬技術,開展快速源識別。評估顆粒物污染的長期變化趨勢和控制效果,建議使用受體模型。評估多污染物協同控制的環境效益,建議使用源模型。對于大氣污染防治工作基礎較好的重點區域,如京津冀地區等,建議在動態更新污染源清單的基礎上,采用源模型和受體模型聯用解析本地和區域的顆粒物來源;其他城市或區域根據自身條件,以

  受體模型為基礎開展顆粒物來源解析工作,并逐步建立顆粒物源成分譜、詳細的動態源排放清單和模型聯用的方法體系。

  第三章 大氣顆粒物來源解析技術方法

  大氣顆粒物來源解析技術方法主要包括源清單法、源模型法和受體模型法(圖 1)。

  大氣顆粒物來源解析技術方法

  源清單法 源模型法 受體模型法

  第一代

  源模型

  第二代

  源模型

  第三代

  源模型

  CMB

  模型

  因子分

  析模型

  圖 1 大氣顆粒物來源解析技術方法

  3.1 源清單技術方法

  源清單技術方法的技術流程(附圖 1)包括:

  (1)顆粒物排放源分類

  應按照環境管理需求對顆粒物排放源進行分類。一般可將顆粒物排放源分為固定燃燒源、生物質開放燃燒源、工業工藝過程源、移動源。其中,固定燃燒源包括電力、工業和民用等,以及煤炭、柴油、煤油、燃料油、液化石油氣、煤氣、天然氣等燃料類型。工業工藝過程源包括冶金、建材、化工等行業。

  (2)顆粒物排放源清單的建立

  調查各類顆粒物源的排放特征(包括位置、排放高度、燃料消耗、工況、控制措施等),根據排放因子和活動水平確定顆粒物排放源的排放量,建立顆粒物排放源清單。顆粒物排放因子應通過實測或文獻調研獲取,可參考《工業污染物產生和排放系數手冊》及常用的國內實測排放因子數據。

  (3)定性或半定量識別主要顆粒物排放源

  根據顆粒物源排放清單,統計顆粒物排放總量及各區域、各行業、各類顆粒物排放量,計算重點排放區域、重點排放源對當地顆粒物排放總量的分擔率。

  3.2 源模型技術方法

  源模型技術方法的技術流程(附圖 2)包括:

  (1)選擇空氣質量模型

  利用源模型進行來源解析,應根據模式的適用范圍、對模型參數的要求及環境管理的需求進行合理選擇。建議依據擬進行源解析的地域范圍選擇適合的空氣質量模型,小尺度采用簡易模型,城市和區域尺度采用復雜模型。簡易模型:模擬的物理過程較為簡單,對于顆粒物,僅可粗略模擬一次污染源排放的顆粒物的擴散和干濕沉降,建議采用《環境影響評價技術導則 大氣環境》 (HJ 2.2-2008)推薦的模型:AERMOD、ADMS、CALPUFF。復雜模型:為第三代空氣質量模型,在各污染源排放量(或排放強度)確定的前提下,此類模型包含了污染源追蹤模塊,可較好模擬顆粒物在大氣中的擴散、生成、轉化、清除等過程。代表性模式有 Models-3/CMAQ、NAQPMS、CAMx、WRF-chem 等。

  (2)建立高分辨率的排放源清單

  簡易模型排放源清單的編制參照《環境影響評價技術導則 大氣環境》 (HJ 2.2-2008)空氣質量模型使用說明中有關排放清單的編制要求。

  復雜模型應建立多化學組份(包括 SO2、NOx、CO、NH3、BC、OC、PM10、PM2.5、VOCs 等,其中 VOCs 依據復雜模型所采用的化學反應機制進行物種分配) 、高空間分辨率(水平嵌套網格內層分辨率不低于3km×3km) 、高時間分辨率(反映各類排放源季、月、日、小時變化規律)的排放源清單。

  (3)空氣質量模型的模擬計算

  根據選定的空氣質量模型要求,輸入相應分辨率的地形高程、下墊面特征及環境參數。利用 MM5、WRF 等氣象模式為空氣質量模型系統提供三維氣象要素場(水平方向嵌套網格內層分辨率不低于 3km×3km,垂直方向邊界層內分層不少于 10 層) 。利用大氣污染物環境背景值或實際監測資料作為模型運算初始條件,模型外層網格污染物濃度模擬結果作為內層網格的邊界條件。收集模擬區域內各類監測數據進行模型結果校驗。采用復雜模型內置的敏感性評估模塊、源追蹤模塊、源開關法等,模擬建立顆粒物源排放與受體之間的對應關系,獲得各地區各類污染源排放對環境濃度的貢獻。

  3.3 受體模型技術方法

  受體模型主要包括化學質量平衡模型(CMB)和因子分析類模型(PMF、PCA/MLR、UNMIX、ME2 等) 。國內外廣泛應用的是 CMB 模型和PMF 模型。

  3.3.1 化學質量平衡模型(CMB)模型

  化學質量平衡模型(CMB)不依賴詳細的排放源強信息和氣象資料,能夠定量解析源強難以確定的源類比如揚塵源類的貢獻,解析結果具有明確物理意義。CMB 模型的技術流程見附圖 3。

  3.3.1.1 顆粒物源類調查、識別及主要排放源類的確定

  調查固定源、移動源、開放源、餐飲油煙源、生物質燃燒源以及二次粒子的前體物排放源等,建立顆粒物污染源類排放基礎數據庫,識別顆粒物污染的主要排放源類,確定需要采集和分析的源類樣品種類、點位和數量。

  3.3.1.2 顆粒物源類和受體樣品的采集及化學分析

  (1)顆粒物源樣品采集

  采集固定源、移動源、開放源、餐飲源與生物質燃燒源等源類樣品,其中具有明顯地域特點的顆粒物源類(揚塵源、土壤塵源、當地特殊行業源等)必須采集,其他源類可根據各地實際情況確定是否采集或應用已有顆粒物源譜。所采集樣品的種類和數量能代表研究區域污染源排放的時空分布特征。揚塵采樣布點結合受體采樣點的空間分布,每個受體采樣點周邊采集不少于3個樣品; 土壤塵采樣根據城市建成區及周邊10km范圍內裸土類型的分布布點, 一般不少于 10 個樣品; 道路塵根據《防

  治城市揚塵污染技術規范》的要求采集;燃煤塵的采集應涵蓋研究區域內不同燃燒方式、不同除塵方式、不同煤質等的燃煤源,每種不同方式不少于 3 個樣品;其他源類每類不少于 5 個樣品。采集的顆粒物樣品能夠反映由源向環境受體排放時的物理過程,能夠與環境受體顆粒物的特定粒徑段相匹配。源樣品采樣方法主要包括:

  開放源再懸浮采樣法 對于土壤塵、城市揚塵等開放源類,可利用再懸浮采樣器進行特定粒徑源樣品的采集。固定源稀釋通道采樣法 對于固定燃煤源燃燒產生的顆粒物推薦采用煙道氣稀釋通道進行采樣。

  移動源采樣法 對于機動車源樣品可通過隧道采樣。在足夠長的交通隧道(不少于 1000m)內,在隧道中段位置設置大氣顆粒物采樣器,使用與受體采樣相同的方式進行濾膜采樣;或選取具有代表性的車型(包括汽油車、柴油車、各類非道路移動源等) ,使用隨車采樣器、稀釋采樣器或通過臺架實驗對機動車排放的樣品進行采集。生物質燃燒源采樣法 在實驗室的模擬環境中進行燃燒,使用大氣顆粒物采樣器獲取生物質燃燒源樣品;或在露天環境中進行燃燒,在下風向采集顆粒物樣品,同時在上風向采集環境對照樣品。

  餐飲源采樣法 根據餐飲源排煙口情況,因地制宜地參照固定源的采樣方法采集。

  (2)環境受體中顆粒物樣品的采集

  依據《環境空氣質量監測規范》 (試行)的相關要求布設受體采樣點,優先選擇若干國家環境空氣質量監測點;同時綜合考慮功能分布、人口密度、環境敏感程度等因素,適當增加受體采樣點位。受體采樣時間與頻次依據顆粒物濃度、排放源的季節性變化特征及氣象因素確定,典型污染過程加密采樣頻次。樣品采集的數量要符

  合受體模型的要求。單日累積采樣時間要滿足樣品分析檢出限要求,且避免濾膜負荷過載,一般為 24 小時,污染較重時可將每日采樣時間分為兩段,每段 12 小時。

  按照《環境空氣 PM10和 PM2.5的測定 重量法》的要求使用進行顆粒物樣品的采集,也可根據源解析工作的具體需要選擇適當的采樣儀器。根據濾膜本身特性和后續化學分析的需要確定采樣濾膜。分析無機元素采用有機濾膜,如聚四氟乙烯、聚丙烯、醋酸纖維酯等;分析碳組分(有機碳 OC、元素碳 EC)和有機物(如多環芳烴、烷烴等)采用石英濾膜;分析水溶性離子采用聚四氟乙烯或石英濾膜等。

  (3)樣品化學成分分析

  應分析的化學成分包括:無機元素(Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、As、Hg、Cd 等) 、碳組分(OC、EC) ,水溶性離(NH4+、Ca2+、K+、Na+、Mg2+、Cl-、NO3-、SO42-等) 。各地也可根據顆粒物排放源的實際情況,增加多環芳烴、烷烴等化學成分。無機元素使用電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES) 、電感耦合等離子體質譜分析法(ICP-MS)或 X 射線熒光光譜(XRF)法進行分析。ICP 法的樣品前處理采用微波消解或加熱板消解法,具體方法參考 GB/T 14506.30-2010;XRF 法參考 GB/T 14506.28-2010。

  OC 和 EC 的分析使用熱光分析法。

  水溶性離子的分析使用離子色譜方法。

  多環芳烴、烷烴等有機物的分析使用 GC-MS 方法。

  3.3.1.3 顆粒物源類和受體化學成分譜的構建

  各地應逐步建立顆粒物源類成分譜。使用顆粒物排放量加權平均或算數平均的方法構建顆粒物源類成分譜,包括各成分的含量(g/g)及標準偏差等信息。對于硫酸鹽和硝酸鹽等通過化學轉化而來的二次源類,使用純硫酸銨((NH4)2SO4)和純硝酸銨(NH4NO3)的化學組成來代替其源成分譜,偏差取 10%左右;使用最小比值扣除法或其它方法確定二次有機物的濃度。顆粒物受體化學組成通過算數平均法構建,給出各化學組成的質量濃度(μg/m3)及標準偏差等信息。

  3.3.1.4 CMB 模型軟件及使用

  可選用的 CMB 模型軟件有 NKCMB2.0 軟件和 CMB8.2 模型軟件。

  根據源識別的結果,選擇參與擬合的源類;

  根據顆粒物源類化學組成特征選擇參與擬合的化學成分,必選

  組分包括 Si、Ca、OC、EC、SO42-、NO3-,所選擬合計算的化學成分數量不少于源類數量;

  擬合結果必須滿足模型要求的各項診斷指標;

  對于揚塵污染問題突出的城市,共線性源類的存在導致解析結果出現負值,應采用二重源解析技術;

  對于復合污染特征明顯的城市,應考慮二次顆粒物的影響,采用 CMB-嵌套迭代模型或結合源模型技術方法進行解析。

  3.3.2 正定矩陣因子分解(PMF)模型

  PMF 模型法根據長時間序列的受體化學組分數據集進行源解析,不需要源類樣品采集,提取的因子是數學意義的指標,需要通過源類特征的化學組成信息進一步識別實際的顆粒物源類。PMF 模型法的

  技術流程見附圖 4。

  3.3.2.1 顆粒物受體樣品的采集及化學分析

  PMF模型法顆粒物受體樣品的采集及分析過程的要求與CMB模型源解析技術基本相同。重要區別在于,PMF 模型法中受體樣品應在同一點位進行采集,有效受體樣品量不少于 80 個。

  3.3.2.2 PMF 模型法軟件

  可選用的模型有 PMF3.0 軟件等。

  所有有效分析的化學成分,要納入模型進行擬合;

  低于分析方法檢出限的化學成分,采用 1/2 檢出限作為輸入參數。

  根據模型要求的診斷指標,確定因子數目、旋轉程度等參數。

  對于揚塵污染問題突出的城市,可采用因子分析-CMB 復合受體模型技術解析揚塵、土壤塵和煤煙塵等共線性源類的貢獻。

  3.3.3 源模型與受體模型聯用法

  對復合污染特征較為明顯的城市或區域,可使用源模型與受體模型聯用法對顆粒物來源進行詳細解析。

  使用受體模型計算各源類對受體的貢獻值與分擔率,利用源模型模擬計算各污染源排放氣態前體物的環境濃度分擔率,解析二次粒子的來源。對于受體模型解析結果,使用源模型進一步解析具有可靠排放源清單的點源貢獻。針對重污染過程,應基于在線高時間分辨率的監測和模擬技術,

  發展快速源識別和解析方法。

  第四章 源解析結果評估與應用

  4.1 源解析結果評估和驗證

  (1)使用受體模型、源模型或受體模型與源模型聯用方法進行顆粒物來源解析,解析結果需滿足相應模型要求的各項診斷指標。

  (2)采用多種模型進行解析,不同模型解析結果中各源類貢獻的相對關系應一致,結果能相互印證。

  (3)顆粒物來源解析結果應能夠反映當地顆粒物污染的時空變化規律,利用例行監測結果,評估不同季節顆粒物來源解析結果的合理性。

  (4)應對解析結果進行不確定性分析,給出每種源貢獻的范圍和平均貢獻的相對偏差。

  4.2 源解析結果應用

  4.2.1 源清單法解析結果的應用

  得到顆粒物排放源清單和重點排放區域、重點排放源對當地顆粒物排放總量的分擔率。排放源清單是環境管理必須的基礎數據庫。

  4.2.2 源模型法解析結果的應用

  (1)闡明顆粒物濃度的時空分布,結合源強變化和主要污染源分布情況分析顆粒物污染的時空演變。

  (2)定量給出污染源貢獻值與分擔率,預測已知源強源類的顆粒物污染防治措施的環境效益。

  (3)估算典型污染過程中各主要顆粒物排放源對環境空氣顆粒物的貢獻值,診斷典型污染過程的成因。

  (4)估算本地和外來不同類別源對顆粒物環境濃度的貢獻。

  4.2.3 受體模型法結果的應用

  (1)闡明環境空氣中顆粒物化學組成的時空分布特征,用于判斷顆粒物污染類型。

  (2)明確顆粒物排放源譜特征。用于識別環境空氣顆粒物中有毒有害成分的主要來源;根據不同顆粒物排放源粒徑分布,確定細顆粒物排放因子。

  (3)定量獲得各顆粒物排放源類對不同季節、不同點位環境空氣顆粒物的貢獻值與分擔率。用于明確顆粒物污染防治的方向,評估污染防治效果。

  (4)定量獲得典型污染過程中各顆粒物排放源類對環境空氣顆粒物的貢獻值與分擔率。用于診斷典型污染過程的成因。

  (5)把顆粒物開放源、有組織排放源和二次粒子納入顆粒物目標容量總量控制,根據各顆粒物排放源類對不同季節環境空氣顆粒物的貢獻值與分擔率,確定各顆粒物排放源類的控制目標。

  4.3 源解析工作的評估機制

  建議開展顆粒物來源解析工作的城市或地區成立包括環保、氣象等技術領域的專家委員會,由專家委員會對源解析工作關鍵技術環節的科學性和規范性進行評估,并與管理部門會商源解析結果。

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