我国土壤和大气中多环芳烃分布特征和大尺度数值模拟

摘要

多环芳烃（PAHs），是一类环境中广泛存在的持久性有毒物质，其污染和归趋已成为环境科学领域的研究热点。近年来，我国也陆续开展了环境介质中PAHs的调查和研究，但从目前的研究情况来看，仍存在不足。我国在PAHs的监测和模型研究方面往往都集中在某些小区域，缺少PAHs在全国范围内环境介质中的数据，不利于深入了解大尺度下PAHs的迁移转化规律以及环境归趋。
　　结合我国PAHs研究的现状及不足，本文的研究将通过在全国范围内采集土壤和大气样品，并结合相应的我国大尺度多介质环境模型，研究我国国家尺度土壤和大气中PAHs的时空分布特征和迁移转化规律，这将为我国制定相关政策提供科学依据，同时也为我国履行斯德哥尔摩公约贡献一份力量。
　　对于我国土壤中PAHs的残留和分布特征的研究，本文是通过在全国布设土壤采样点，采集表层土壤，进而分析了我国土壤中PAHs的浓度、组成特征和空间分布特征，并探讨了土壤中PAHs残留的影响因素、毒性评价和污染源。共采集表层土壤样品157个，其中包括28个城市土壤，120个农村土壤和9个背景土壤三种不同类型的土壤样品，采集的土壤样品经过索氏萃取、硅胶柱净化等预处理后，再用气质联用仪测定 PAHs的含量。结果表明，16种PAHs在我国土壤中均有不同程度的检出，其中以菲、萘、荧蒽和苯并[b]荧蒽的含量较高；农村土壤样品中总PAHs的含量平均值为340±676 ng/g，小于城市的平均值（617±936 ng/g），而高于背景点（126±74 ng/g），与国外一些典型地区的PAHs含量比较，我国土壤中PAHs的污染处于中等程度。PAHs的空间分布主要受污染源的影响，以经度分布和城市分馏为主。采用比值法和主成分分析-多元线性回归法对我国土壤中的PAHs进行了源解析，我国城市地区土壤中PAHs主要来自于煤燃烧和汽车尾气等高温燃烧源和石油源的混合型污染；农村地区土壤中的PAHs主要来自于煤和生物质燃烧为主的高温燃烧源和石油源的混合型污染；而背景地区土壤中PAHs则主要来自于自然源（野火）和混合源（外来源和未知源）的污染。
　　对于我国大气PAHs的残留和时空分布特征的研究，本文是通过在全国布设大气采样点，采集大气样品，进一步分析了我国大气中PAHs的浓度、组成特征和季节变化，并对大气中温度的影响和气粒分配行为进行了初探，最后，对大气中PAHs的来源进行了解析。本文选择了10个城市（哈尔滨、北京、石河子、兰州、西安、成都、拉萨、南昌、昆明及广州）作为大气采样点，于2008年8月至2009年7月，利用主动大气采样器进行每周一次、为期一年的大气样品采集，采集的大气样品经过索氏萃取、硅胶柱净化等预处理后，再用气质联用仪测定PAHs的含量。结果表明，16种PAHs在我国城市大气中均有不同程度的检出，其中以菲、荧蒽和芴的含量较高，地区间差异明显，浓度差异在一个数量级内。我国北方5城市大气中PAHs的年平均浓度为251±126 ng/m3，高于南方5城市的均值165±102 ng/m3，与国外一些典型城市大气中的PAHs含量比较，我国城市大气中PAHs的污染处于中等程度。与南方5城市相比，北方5城市大气中PAHs的组成、指纹谱、气粒分配、季节变化和温度的影响等，皆存在明显差异。采用比值法和主成分分析-多元线性回归法对我国大气中PAHs的来源进行了解析，我国城市大气中PAHs的主要污染源为化石燃料的高温燃烧源（煤、石油类产品的燃烧）和石油源。
　　本文通过引入大尺度多介质环境模型，模拟我国土壤和大气中PAHs的残留和时空分布特征，并对源汇关系进行了解析。本文首先建立了1/4经度和1/6纬度网格化的我国1990年至2008年 PAHs的排放清单，结合 PAHs的物理化学性质和其他环境参数作为模型输入数据，改进并优化多介质环境模型，模拟输出了我国土壤和大气中PAHs的残留。结果表明，1990年至2000年间，我国 PAHs的排放量相对稳定，保持在2万吨左右；从2001年开始，排放量逐年递增。多介质环境模型对于我国土壤和大气中PAHs残留的模拟结果与本文的实测结果吻合的很好，且整个模拟过程中模型的输入与输出相对误差为2％，因而，该模型能够用于模拟我国土壤和大气中PAHs的残留。我国土壤和大气中PAHs的残留空间分布特征相似，均表现为东部地区残留浓度高，中西部地区浓度低，青藏高原残留浓度最低的特征。与土壤残留分布特征略有不同，大气中PAHs的空间分布形成了两个明显的高浓度带，分别为贯穿甘肃东部、四川东部、贵州中部的中部高浓度带和贯穿辽宁、河北、山东、江苏的东部高浓度带，这两个高浓度带的形成主要是由于大气在传输过程中受到阻力作用所导致。采用排放清单分离的方法，解析了我国不同地区间的相互影响作用和供暖对于我国不同地区土壤中PAHs的影响。我国不同地区芘的土壤残留均以本地排放源的影响为主，其本地源贡献率几乎大于95%，但地区间的相互影响依然存在，这种地区间的相互影响主要受大气传输的影响。而供暖对于我国不同地区土壤中芘的影响差异较大，其贡献率呈现明显的南北差异，从北到南，贡献率依次降低。

目录

我国土壤和大气中多环芳烃分布特征和大尺度数值模拟

THE DISTRIBUTION CHARACTERISTICS OFPOLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS INSOIL AND AIR IN CHINA AND NUMERICALSIMULATION ON LARGE SCALE

摘要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 多环芳烃的介绍

1.2.1 多环芳烃的性质

1.2.2 多环芳烃的危害

1.2.3 多环芳烃的来源

1.3 多环芳烃的监测研究

1.3.1 大气中PAHs 的污染现状

1.3.2 土壤中PAHs 的污染现状

1.3.3 其他环境介质中PAHs 的污染现状

1.3.4 我国环境介质中PAHs 的污染现状

1.4 多环芳烃的清单研究

1.4.1 国外PAHs 排放清单的研究

1.4.2 我国PAHs 排放清单的研究

1.5 多环芳烃的模型研究

1.5.1 多介质逸度模型

1.5.2 大气传输模型

1.5.3 我国PAHs 的模型研究

1.6 本文研究的目的和意义

1.7 本文的主要研究内容

第2章 材料与方法

2.1 实验仪器与材料

2.1.1 实验仪器

2.1.2 实验材料

2.2 样品分析流程

2.2.1 样品的采集

2.2.2 样品的提取与净化

2.2.3 样品的测定

2.2.4 质量保证与控制（QA/QC）

2.3 多介质环境模型

2.3.1 模拟区域

2.3.2 模型框架

2.3.3 环境参数

2.3.4 模型涉及的PAHs 的物理化学参数

第3章 我国土壤中PAHs 的分布特征和来源解析

3.1 引言

3.2 我国土壤中PAHs 的含量与空间分布

3.2.1 土壤中PAHs 的含量

3.2.2 土壤中PAHs 的组成特征

3.2.3 土壤中PAHs 的空间分布特征

3.3 我国土壤中PAHs 的影响因素分析与毒性评价

3.3.1 土壤中PAHs 与有机质的关系

3.3.2 土壤中PAHs 的毒性评价

3.4 我国土壤中PAHs 的来源解析

3.4.1 比值法用于土壤中PAHs 的源解析

3.4.2 主成分分析和多元线性回归法用于土壤中PAHs 的源解析

3.5 本章小结

第4章 我国城市大气中PAHs 的分布特征和来源解析

4.1 引言

4.2 我国城市大气中PAHs 的含量特征

4.2.1 大气中PAHs 的含量

4.2.2 大气中PAHs 的组成特征

4.2.3 大气中PAHs 的气粒分配特征

4.2.4 大气中PAHs 的毒性评价

4.3 我国城市大气中PAHs 的季节特征

4.3.1 PAHs 含量的季节变化

4.3.2 PAHs 组成的季节变化

4.3.3 气粒分配的季节变化

4.4 我国城市大气中PAHs 的影响因素

4.4.1 供暖影响

4.4.2 温度影响

4.5 我国城市大气中PAHs 的来源解析

4.5.1 比值法用于大气中PAHs 的源解析

4.5.2 PCA-MLR 用于大气中PAHs 的源解析

4.6 本章小结

第5章 我国土壤和大气中PAHs 的大尺度数值模拟

5.1 引言

5.2 我国PAHs 的排放清单的建立

5.2.1 PAHs 排放清单的计算方法

5.2.2 我国PAHs 排放清单的计算

5.2.3 网格化的我国PAHs 排放清单的建立

5.3 模型的运行和验证

5.3.1 PAHs 的输入过程

5.3.2 模型的运行过程

5.3.3 模型验证

5.3.4 质量平衡

5.4 我国土壤和大气中PAHs 的残留特征

5.4.1 土壤中PAHs 的残留特征

5.4.2 大气中PAHs 的残留特征

5.4.3 分地区相互影响

5.4.4 供暖对于土壤中PAHs 残留的影响

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历