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基于Unmix6.0受体模型的区域环境大气汞源解析评价

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第45卷第3期 2O13年9月 东北师大学报(自然科学版) Journal of Northeast Normal University(Natural Science Edition) Vol_45 No.3 September 201 3 [文章编号]1000—1832(2013)03—0146—06 doi:10.11672/dbsdzk2O13—03—029 基于Unmix 6.0受体模型的 区域环境大气汞源解析评价 冷 菁 ,张 刚。,徐晓峰 ,王 艺 ,杨春雨 ,王 宁 (1.吉林东北煤炭工业环保研究有限公司,吉林长春130062; 2.东北师范大学城市与环境科学学院,吉林长春130024) [摘 要] 为研究金矿区高汞环境条件下大气汞迁移特性,应用野外实验与模型分析相结合 的方法,对区域大气汞污染源进行了解析.在研究区按网格法设置28个监测点,使用测汞仪 (Zeeman LUMEX RA915 )对各监测点大气汞含量进行连续监测,并应用Unmix 6.0受体模 型对区域内大气汞污染源进行解析.结果表明:Unmix 6.0解析得到区域内大气汞污染源为4 源方案,据监测点原状分析,将4类污染源依次解析为交通源、土壤源、金矿选冶点源和聚居区 源.在水平尺度,4类污染源对各监测点汞贡献值依次为:9.43,86.73,105.85,136.62 ng/m。; 在垂向尺度,即对各监测点50,100和150 cm三层次、4类污染源汞贡献总值依次为:108.59, 112.99和l17.05 ng/m。.4类污染源汞贡献率大小依次为居民点>历史金矿点>土壤源>交 通源;人为释汞过程仍为区域大气汞的主要来源. [关键词] 大气汞;源解析;受体模型;Unmix 6.0;环境影响评价 [中图分类号]X 142 [学科代码] 610・1030 [文献标志码]A 1 研究背景 汞是唯一主要以气相形式存在于大气中的重金属元素Ⅲ1。].大气中汞通常以3种形态存在:原子气 态汞(Hg。)、活性气态汞(RGM)和颗粒态汞(Hg(P))__4],其中Hg。含量占气态总汞含量的9O 以上. Hg。具有较强惰性,在大气中的滞留时间可达0.5~2 al5],能随大气进行长距离迁移.大气汞源分为自 然源和人为源两类,自然汞源主要为Hg。.关于大气汞的研究,目前国内主要集中在汞形态含量特征及 汞污染源研究方面 ],应用受体模型进行汞污染源解析的研究依然匮乏 ].本文使用气体微元作为模 型受体,应用Unmix 6.0模型解析区域大气汞污染源,是受体模型应用于大气汞源解析的新探索,可为 区域大气汞源解析和受体模型应用提供参考.考虑到颗粒态汞和活性态汞在大气总汞中占比较少,且迁 移能力较弱,本文只讨论易于迁移的原子气态汞(Hg。). 2 区域概况与研究方法 2.1区域概况 研究区域位于松花江上游夹皮沟金矿区(127。15 ~127。30 E,42。41 443。0 N),该区属温带大陆性 季风气候区,年均温1.9℃--4.4 ̄C,年降雨量650~850 mm.矿区系长白山西北部,由东南逐渐向西北 倾斜,地势起伏,沟谷纵横.区域内目前有夹皮沟金矿等大小3O余个金矿企业.夹皮沟金矿区曾是我国 第一大产金矿区,1940--2008年问一直使用混汞法工艺提金,导致区域环境汞污染严重.调查表明,矿 [收稿日期]2012-11—12 [基金项目] 国家自然科学青年基金资助项目(31100332);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(09QNJJ024). [作者简介]冷菁(198o一)女,博士研究生,主要从事环境影响评价和环境地球化学研究;通讯作者:张刚(1978一)男,博士,副教 授,主要从事大气污染控制和环境地球化学研究. 第3期 冷菁,等:基于Unmix 6.0受体模型的区域环境大气汞源解析评价 147 区混汞提金耗汞约20 kg/a,其中5O ~6O 进入水、土壤和大气环境口 .混汞法提金被禁止后,区域 内的高汞土壤、金尾矿库、金矿选冶厂、矿区聚居区(化石和生物质燃烧释放)以及交通运输扰动等逐步 成为区域主要的大气汞污染源. 2.2研究方法 2.2.1野外实验 2012年4月22—24日,在区域内按网格法设置28个采样点(见图1),各点在垂向上按0,50,100 和150 cm分为4层次.使用车载测汞仪(Zeeman LUMEX RA915 ),按样点序号监测,每点监测 24 min,即每点内每层连续监测1 min,循环6次.各样点3次平行. 图1 野外实验的采样点设置 2.2.2 Unmix 6.0受体模型 受体模型的基本思想是基于受体与污染源产生的污染物之间的质量平衡关系,污染物从发生源排 出后,经水平垂直扩散或大气环流影响,在大气中实现均匀分布.Unmix 6.0模型是美国环保局推荐的 模型,旨在解决一般混合问题,问题中数据被假定为来源不明、成分未知物质的线性组合,每种物质在每 个样品中含量未知,使用已给出浓度数据的形式,可判断源数量、源组成和源对各样品的贡献量.本研究 将源释放携汞气流微分为气体微元,携汞气体微元在大气中完成湍流扩散及传质,故分析过程将实测大 气汞浓度代人Unmix 6.0模型完成源解析工作. 3结果与讨论 3.1 野外监测大气汞含量统计结果 野外监测所得统计(”一1 080)数据见表1. 表1 采样数据统计结果 ng/m 采样层 1# 2# 3#4# 5# 6# 7#8# 9#lO# 11# 12# 13# 14# 0 cm 4~5 5~6 3~6 4~5 50 cm 4~5 5 4~6 4~6 1OO cm 4~6 4~5 5~7 4~5 150 cm 5~10 8~9 5~6 5~9 采样层 15# 16# 17# 18# 0 cm 5~10 1~7 1~2 2~4 1~2 2~3 50 cm 5~10 0~3 0~3 2~5 0~1 0~4 1O0 cm 2~8 0~4 2~5 0~2 0~1 1~4 15O cm 4~8 0~3 1~4 0 0~1 2~4 148 东北师大学报(自然科学版) 第45卷 3.2大气汞的Unmix 6.0源解析 3.2.1 数据输入与过程分析 Unmix 6.0数据输入采用质量浓度形式(ng/m。).当测量值为0时,按模型要求使用仪器检出限二 分之一替代.各采样点数据编号依次为TGMl—TGM28,简记为Tl—T28.首先,使用Unmix 6.0物种 选择工具分析,排除噪音物种T20;然后,初始物种选择最大负荷物种,找出高信噪比的可获4源或5源 模型物种;选择T2,T9,T13,T15,T16,T25,T26共7个物种(均值>6 ng/m。),设定T26作为总物种 (均值最大),接着使用初始物种选择功能;系统选择加人T1,T10,T12,T22,T23共6个物种,并给出3 源方案.方案显示有12个物种,18个观察值,rain—rsq值为0.92(即92 的物种方差可由该模型解释), 最小信噪比2.53. 继续选择建议添加物种命令,建议添加物种为T4,T7,T8,T11,T17,T18,T19,T21,T24,T27.添 加运行得到4源方案.方案显示有22个物种,18个观察值,min—rsq值为O.92(92 的物种方差可由该 模型来解释),最小信噪比为2.36.接下来剩余物种被逐个添加以寻找新模型,新模型比初始模型(基础 模型)多~个或更多的源,每个新模型被找到后即被作为基础模型.对于N源模型来说,计算出的模型 灵敏度(FOM)在0~1之间,FOM值为1代表最合理模型.最终,计算出新的FOM值,模型以FOM值 递减的次序被储存.选用Unmix 6.0自动化解析功能,能够评估被选中的物种,结果不含任何未被选中 物种.方案总结显示有22个物种,18个观察值,min-rsq值为0.92(92 的物种方差可由该模型来解 释),最小信噪比为2.44.信噪比有所提高,方案得到优化.表2所示为方案优化后的22个物种的源组成 值(每个物种的各个源加和值约为其l8个观察值的均值). 表2 自动化源组成 ng/m。 3.2.2 源解析方案评估 Unmix 6.O可提供方案评估功能,通过图形和数据分析方案可行性.Unmix 6.0可以形成带有负浓 度的物种和总物种(TS),这源于误差影响.对数值为0或很小的物种源浓度,上述现象对于减少偏离率 来说很重要.负值可看作相对于总物种T26源对该采样点为负贡献,即气体微元向外迁移.表3为各源 对每个观察值的浓度贡献值,其中1~6组为50 cm高度源贡献值,7~12组为100 cm高度源贡献值, 13~l8组为150 cm高度源贡献值. 第3期 冷菁,等:基于Unmix 6.0受体模型的区域环境大气汞源解析评价 149 3.2.3 源解析结果分析 Unmix 6.0给出了4源模型,分析各样点原地特征,推测4类源分别为土壤源(Ocm层次大气汞含 量)、聚居区源、金矿选冶点源和交通干线源.据源组成及源贡献数据,结合4类源分布,可初步解析区域 内大气汞源.表5所示为各采样点0 cm处采样值的均值. 表5地表0 cm层次大气汞均值 ng/m。 由表1—5可知:(1)土壤源对各采样点均有贡献.据表3,源2对各个采样点贡献值均较大;而表4 中,源2在50 cm处贡献值最大,汞的高密度决定其近地分布特征,故50 cm处受影响更大,推断源2为 土壤源.(2)调查发现各采样点中聚居点所占比例居多,依次为2#、9#、10#、l1#、12#、13#、14#、 16#、19#、20#、25#、28#共12个采样点.已有大量研究表明_9 ,生活用化石和薪材燃料燃烧是大 气汞的主要来源之一,在本研究区域野外监测中也发现了相同的规律.由表3,源4对以上采样点贡献 相比其他3个源明显;表4中,源4对100 cm和150 cm层次贡献较少,对150 cm贡献则明显增大.推 断源4为聚居点源.(3)因混汞提金通过大气释放的汞多沉积于矿点周围,故金矿选冶点周围为高汞 区 ],本研究中野外监测数据亦表明有类似规律.样点中14#、16#、18#、19#、25#和28#为历史或 现今金矿选冶点.由表3,上述样点源3贡献明显高于源1,推断源3为金矿选冶点源.(4)1#、2#、 25#、26#、27#和28#采样点毗邻交通干线,过往车辆扰动扬尘等贡献较大,据表3,可推断源1为交 通源.综上所述,源1为交通源,源2为土壤源,源3为金矿选冶点源,源4为聚居区源. 3.2.4 污染源对采样点浓度贡献值 表3为每个源对各个采样点贡献值的平均值.设源为i,TGM为J;相应的浓度数据为Af 每个源 150 东北师大学报(自然科学版) 第45卷 对每个采样点贡献值为T .每个采样点共18组浓度数据,分别设为CⅢ,C ,…,cm。,则有: Ai 一(CJ, + ,z+…+CJ,1s)/18; (1) T 一[( , +CJ,z+…+CJ,e)/6+(CJ ,+ ,s+…+CJ.12)/6+(Cj + 由式(1),(2)得: T 一3A . +…+CJ )/6]. (2) (3) 由式(3)及表3可得出各源对各个采样点大气汞浓度的贡献值,结果见表6. 表6 源对采样点浓度贡献值 ng/m。 3.2.5 源对各层次浓度贡献值 表4为每个源对各个层次的贡献情况,设源为i,则各层次源贡献情况可分别设为 V{100, .。, 1.150. 由表4知: V 0+V“oo+V¨5o一3. (4) 设各层次源贡献占贡献总值百分比为P 。,P¨。。,P州。。,则由式(4)得: P o—Vmo/3; P l0o—V 1oo/3; P l5o—V l 50/3. (5) (6) (7) 由表6知每个源对采样点的贡献总值,设其为u ,则每个源对各个层次浓度贡献值Q 可计算为: Q 。一U *P 0; Q¨o0==:U *P¨o0; Q 5o=U *P州5o. (8) (9) (10) 各源对各层次浓度贡献值见表7. 表7源对各层次浓度贡献值 源层次 5o c 1oo cm ng/m。 源4 35.54 22.O8 79.00 源l O.63 2.97 源2 48.88 9.41 源3 总贡献值 1O8.59 112.99 117.O5 150 ClTI 5.83 28.43 第3期 冷菁,等:基于Unmix 6.0受体模型的区域环境大气汞源解析评价 4 结论 综上所述,本研究得到如下结论: (1)Unmix 6.0模型分析得到区域大气汞4源解析方案,4源依次为交通源、土壤源、金矿选冶点源 和聚居区源. (2)模型解析表明,水平尺度4源对各采样点贡献值依次为:9.43,86.73,105.85,136.62 ng/m。; 垂向尺度4类源对三个层次(50,100和150 cm)贡献总值依次为108.59,l12.99,和117.05 ng/m。. (3)4类源的贡献率强弱关系依次为居民点>历史金矿点>土壤源>交通源,人为源释汞为区域大 气汞的主要来源. [参 考 文 献] [1] IANDQVIST O.Special issue of first international on mercury as a global pollutant[J].Water,Air and Soil Pollution,1991, 56:1-8. [2] 张刚,王宁,盛连喜,等.吉林省白东向西城乡连续空间大气汞分布特征研究[J].东北师大学报:自然科学版,2012,44(3): l3O一135. E33 王起超,方凤满,李志博.长春市汞界面交换通量的研究[J].中国环境科学,2005,25(4):475—479. [4] 刘娜,仇广乐,冯新斌.大气汞源解析受体模型研究进展[J].生态学杂志,2010,29(4):798—804. E53 冯新斌,李仲根,汤顺林,等.生活垃圾填埋场是大气汞的重要来源[J].科学通报,2004,49(23):2475—2479.  [6] 汤顺林,冯新斌,商立海,等.贵阳市小型燃煤锅炉烟气中汞的形态及释放[J].环境科学研究,2004,17(2):74—76.[7] 王章玮,张晓山,张逸,等.汞在不同粒径大气颗粒物中的分布口].环境化学,2005,24(1):72—75. [8] 万奇.吉林省长白山地区大气中不同形态汞的含量分布及沉降通量[D].贵阳:中国科学院地球化学研究所,2008.  a1.Temporal and spatialdis—tributions of total gaseous mercury concentrations in ambient air [9] FU X F,FENG X B,WANG S,etin a mountainous area in southwestern China:implications for industrial and domestic mercury emissions in re—mote areas in China[J].Science of the Total Environment,2009,407:2306 2314.  a1.Total gaseous mercury concen亡I‘a“0ns in ambient air in the eastern slope of Mt. Gongga, [10] FU X.FENG X,ZHU W,etSouth Eastern fringe of the Tibetan plateau,China[Jj.Atmospheric Environment,2008,42:970—979. [11] 徐纪芸,潘奕陶,池振新,等.汞对中国林蛙蝌蚪的毒性效应[J].东北师大学报:自然科学版,2o1o,42(4):138~143. Atmospheric mercury source apportionment assessment in local environment based on Unmix 6.0 Receptor Model LENG Jing ”,ZHANG Gang。,XU Xiao—feng ,WANG Yi ,YANG Chun—yu ,WANG Ning (1.Jilin Northeast Coal Industry Environmental Protection Research Co.,Ltd,Changchun 130062,China; 2.College of Urban and Environmental Sciences,Northeast Normal University,Changchun 130024,China) Abstract:In order to study the migration of gaseous mercury in gold mine area,the air mercury has been interpreted through the integration of field survey and model test.During the period from April 22“ to 24 in 2012.the 28 monitoring sites were settled based on the grid method in Jiapigou gold mine and the air mercury content was continuously determined with mercury analyzer(Zeeman LUMEX RA9 1 5 ).Furthermore,the receptor model Unmix6.0 was applied to analyze the source of the air mercury.The results represent that 4-source proj ect has been obtained through Unmix6.0,consisting of the sources from traffic,soil,gold processing and residence based on the survey of the monitoring sites.Horizontally,four sources contributing to the mercury in each monitoring site are 9.43,86.73, 105.85,136.62 ng/m。respectively while the figures from each monitoring site from the three layers (50 cm,100 cm and 150 cm)are shown to be 108.59,112.99,117.05 ng/m。vertically.The interrelationship of the four sources in terms of the contributing proportion is residence>gold processing>soil>traffic.The mercury release of residence makes up the major source in this area. Keywords:gaseous Hg;source apportionment;receptor model;Unmix60;environment impact .assessment(EIA) (责任编辑:方林) 

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