PM10 Source Apportionment Study in Taichung Harbor Area

摘 要 本研究主要探討台中港地區懸浮微粒之特性及分析其污染來源，研究方法包括大氣懸浮微粒採樣及受體模式分析，實驗於民國87年9月至民國88年1月進行，測站設於台中火力發電廠東北方之清水鎮公所及電廠南方的和美鎮台電服務所，總共進行三次各4~5天的密集採樣，量測項目為PM2.5(氣動直徑小於2.5 mm)及PM2.5-10(氣動直徑在2.5和10 mm之間)的質量濃度、水溶性陰陽離子濃度、碳含量及元素組成。模式部份利用加強因子分析法、主成份因子分析法及化學質量平衡受體模式推估懸浮微粒的污染來源及貢獻量。 實驗結果顯示，採樣期間風向大多為北風或北北東風，清水及和美測站PM10質量平均濃度分別為54.8 mg/m3及69.5 mg/m3，懸浮微粒中主要之物種濃度由高至低依序為元素碳(EC)、有機碳(OC)、SO4=、NH4+、Si、NO3-、Na+及Cl-，此結果說明懸浮微粒主要之污染來源為燃燒過程排放、二次光化氣膠、地殼物質及海水飛沫。此外，清水測站之硫氧化比值(Sulphur oxidation ratio,簡稱S.O.R.)與氮氧化比值(Nitrogen oxidation ratio,簡稱N.O.R.)平均分別為0.35及0.16，和美測站分別為0.19及0.10。兩測站氣膠之中性比值(Neutralisation ratio,簡稱N.R.)分別為1.33與1.40，氣膠屬於鹼性。 利用加強因子分析法判斷影響台中港地區懸浮微粒可能之人為污染源為營建工程逸散、燃料燃燒及農廢燃燒。以正交轉軸最大變異之主成份因子分析法，推估影響PM10變異之主要因子依序為地殼物質、二次光化氣膠、交通排放、含硫燃料燃燒以及海水飛沫。 利用化學質量平衡受體模式分析PM10污染源貢獻量之結果顯示，清水及和美測站PM10之污染源貢獻量分別為地殼物質佔15.5 %、27.9 %，交通污染源佔26.2 %、29.2 %，農廢燃燒佔17.1 %、13.7 %，硫酸銨佔11.2 %、12.3 %，海水飛沫佔7.7 %、6.2 %，硝酸銨佔2.9 %、2.5 %，燃煤電廠佔1.7 %、1.0 %，重油燃燒佔0.8 %、1.2 %，鋼鐵業佔0.2 %、0.3 %。此二測站之PM10污染來源貢獻量除地殼物質外大致相同。Abstract The purpose of this study was to understand the characteristics and the sources of PM10 (particulate matter with aerodynamic diameter equal to or less than 10 mm) in Taichung harbor area. PM10 samples were collected at Chinzui and Homei sites from September 1998 to January 1999. Three intensive samplings were conducted in this work. The collected samples were analyzed for water soluble ions, elemental carbon (EC), organic carbon (OC), and metallic constituents. The results showed that the wind direction during sampling period were mostly from the north or the northeast by north. The average PM10 mass concentration at Chinzui and Homei were 54.8 and 69.5 mg/m3, respectively. The most abundant species in PM10 were EC, OC, SO42-, NH4+, Si, NO3-, Na+, Cl-. The sources which contributed to PM10 were from combustion emission, secondary aerosols, geological material, and from marine spray. The values of Sulphur oxidation ratio (S.O.R.) at Chinzui and Homei were 0.35 and 0.19, respectively while the Nitrogen oxidation ratio (N.O.R.) were 0.16 and 0.10. The corresponding values of Neutralisation ratio (N.R.) at these two stations were 1.33 and 1.40, respectively. Enrichment factor analyses indicated that the anthropogenic aerosols in this area are from construction activity, from fuel burning, and from agricultural burning. The VARIMAX-rotated principal component analyses identified five major components accounting for approximately 90 % of the total variance. The identified sources were geological material, secondary aerosols, motor vehicle exhaust, fuel burning, and marine spray. The result of Chemical Mass Balance (CMB) receptor model showed that the sources contribution to PM10 at Chinzui and Homei were 15.5 and 27.9 % from geological material, 26.2 and 29.2 % from vehicle exhaust, 17.1 and 13.7 % from agricultural burning, 11.2 and 12.3 % from ammonium sulfate, 7.7 and 6.2 % from marine spray, 2.9 and 2.5 % from ammonium nitrate, 1.7 and 1.0 % from coal-fired power plant, 0.8 and 1.2 % from heavy oil burning, and 0.2 % and 0.3 % from steel plant, respectively. The source apportionment of Chinzui and Homei aerosols were approximately same except geological martial.目 錄 摘要 第一章 前言1 1.1研究緣起與目的1 1.2研究方法2 第二章 文獻回顧3 2.1台中港地區懸浮微粒及空氣品質之相關研究3 2.2受體模式10 2.2.1 基本理論10 2.2.2 加強因子分析法14 2.2.3 主成份因子分析法15 2.2.4 化學質量平衡法17 2.3國內外受體模式應用相關之研究19 第三章 實驗部分21 3.1懸浮微粒採樣21 3.2元素組成分析23 3.2.1 水溶性陰陽離子分析23 3.2.2 含碳量分析23 3.2.3 無機元素分析25 第四章 結果與討論27 4.1 大氣懸浮微粒之質量濃度27 4.1.1 各測站懸浮微粒質量濃度變化趨勢27 4.1.2 採樣數據與監測站資料之比較31 4.1.3 大氣懸浮微粒濃度與台中火力發電廠發電量之關係31 4.1.4 大氣懸浮微粒濃度與氣象因子之關係36 4.2 大氣懸浮微粒之化學組成36 4.2.1 各測站之分析結果38 4.2.2 各元素之粒徑分佈特性49 4.2.3 不同風向時懸浮微粒質量濃度及元素質量百分比之探討49 4.2.4元素間之相關性分析51 4.2.5大氣懸浮微粒硫氧化比值與氮氧化比值之探討51 4.2.6大氣懸浮微粒之酸鹼性探討54 4.2.7大氣懸浮微粒之質量重組57 4.3 受體模式分析結果60 4.3.1加強因子分析法61 4.3.1主成份因子分析法61 4.3.2化學質量平衡法68 4.4受體模式測試79 4.5相關研究之比較80 第五章 結論86 參考文獻89 附錄一 污染源組成資料圖 附錄二 受體模式結果表 表 目 錄 表2-1 各測站歷年空氣品質二氧化硫(年平均值)監測結果比較表6 表2-2 各測站歷年空氣品質二氧化氮(年平均值)監測結果比較表7 表2-3 各測站歷年空氣品質總懸浮微粒(年平均值)監測結果比較表8 表2-4 各測站歷年空氣品質懸浮微粒(年平均值)監測結果比較表9 表2-5 台中港區重大污染源排放資料12 表2-6 台中港地區未來新增較重大之排放源13 表3-1 大氣懸浮微粒採樣摘要表22 表3-2 離子層析儀及元素分析儀之儀器偵測極限及方法偵測極限26 表3-3 XRF之方法偵測極限26 表4-1清水及和美測站量測之懸浮微粒質量濃度及相關氣象數據28 表4-2 清水與和美測站平均與最大PM10化學組成濃度(民國87年9月至88年1月)39 表4-3 清水及和美測站不同風向時懸浮微粒質量濃度及元素質量百分比50 表4-4 清水及和美測站相同風向時懸浮微粒質量濃度及元素質量百分比50 表4-5 清水測站PM10成份相關矩陣52 表4-6 和美測站PM10成份相關矩陣53 表4-7 大氣懸浮微粒質量重組結果平均表60 表4-8 自然污染源貢獻量計算式彙整表60 表4-9 自然污染源推估結果表61 表4-10 清水測站粗細粒樣品以土壤為參考污染源之加強因子分析結果62 表4-11 清水測站粗細粒樣品以土壤為參考污染源之加強因子分析結果63 表4-12 清水測站粗細粒樣品以土壤為參考污染源之加強因子分析結果64 表4-13 清水測站粗細粒樣品以土壤為參考污染源之加強因子分析結果64 表4-14 清水測站PM10化學組成及氣狀空氣污染物之正交轉軸最大變異法分析結果66 表4-15 和美測站PM10化學組成及氣狀空氣污染物之正交轉軸最大變異法分析結果67 表4-16 污染源組成資料摘要表69 表4-17 受體模式測試結果表(以和美測站民國87年9月17日為例)81 表4-18 台中港地區大氣懸浮微粒成份比較表82 表4-19 81年台電受體模式結果表84 表4-20 82年台電受體模式結果表84 表4-21 86年台中縣沙鹿豐原大里地區受體模式結果表85 表4-22 本研究受體模式結果表85 圖 目 錄 圖2-1 台電空氣品質監測站位置圖5 圖2-2 歷年空氣品質二氧化硫(年平均值)監測結果圖6 圖2-3 歷年空氣品質二氧化氮(年平均值)監測結果圖7 圖2-4 歷年空氣品質總懸浮微粒(年平均值)監測結果圖8 圖2-5 歷年空氣品質懸浮微粒(年平均值)監測結果圖9 圖2-6 台中港地區重大污染源位置圖11 圖4-1 清水測站懸浮微粒時間序列圖29 圖4-2 和美測站懸浮微粒時間序列圖29 圖4-3 清水及和美測站PM10質量濃度比較圖30 圖4-4 清水及和美測站PM10質量濃度時間序列圖30 圖4-5 清水測站 PM10質量濃度實驗值與沙鹿測站監測值比較圖32 圖4-6 清水測站 PM10質量濃度實驗值與沙鹿測站監測值時間序列圖32 圖4-7 和美測站 PM10質量濃度實驗值與沙鹿測站監測值時間序列圖33 圖4-8 和美測站 PM10質量濃度實驗值與沙鹿測站監測值時間序列圖33 圖4-9 採樣期間台中火力發電廠總發電量變化時間序列圖34 圖4-10 清水測站PM10質量濃度與台中火力發電廠總發電量關係圖34 圖4-11 和美測站PM10質量濃度與台中火力發電廠總發電量關係圖35 圖4-12 春節期間台中火力發電廠總發電量與環保署沙鹿空氣品質監測站PM10質量濃度變化圖35 圖4-13 春節期間台中火力發電廠總發電量與環保署沙鹿空氣品質監測站PM10質量濃度關係圖36 圖4-14 清水測站PM10質量濃度與風速之關係圖37 圖4-15 和美測站PM10質量濃度與風速之關係圖37 圖4-16 清水測站細粒樣品中各物種質量濃度盒形圖40 圖4-17 清水測站粗粒樣品中各物種質量濃度盒形圖40 圖4-18 和美測站細粒樣品中各物種質量濃度盒形圖41 圖4-19 和美測站粗粒樣品中各物種質量濃度盒形圖41 圖4-20 清水測站大氣懸浮微粒細粒各物種質量濃度逐日變化圖42 圖4-21 清水測站大氣懸浮微粒粗粒各物種質量濃度逐日變化圖42 圖4-22 和美測站大氣懸浮微粒細粒各物種質量濃度逐日變化圖43 圖4-23 和美測站大氣懸浮微粒粗粒各物種質量濃度逐日變化圖43 圖4-24 清水測站大氣懸浮微粒細粒元素組成平均圖44 圖4-25 清水測站大氣懸浮微粒粗粒元素組成平均圖44 圖4-26 和美測站大氣懸浮微粒細粒元素組成平均圖46 圖4-27 和美測站大氣懸浮微粒粗粒元素組成平均圖46 圖4-28 民國87年9月至民國88年1月清水測站不同空氣品質之大 氣PM10微粒化學物種比例(a)良好空氣品質日(b)一般空氣品質日47 圖4-29 民國87年9月至民國88年1月和美測站不同空氣品質之大 氣PM10微粒化學物種比例(a)良好空氣品質日(b)一般空氣品質日48 圖4-30 清水測站PM10微粒之S.O.R.值時間序列圖55 圖4-31 和美測站PM10微粒之S.O.R.值時間序列圖55 圖4-32 清水測站PM10微粒之N.O.R.值時間序列圖56 圖4-33 和美測站PM10微粒之N.O.R.值時間序列圖56 圖4-34 清水測站PM10微粒之N.R.值時間序列圖58 圖4-35 和美測站PM10微粒之N.R.值時間序列圖58 圖4-36 清水測站粗粒受體模式推估之污染源貢獻量逐日變化結果圖74 圖4-37 清水測站細粒受體模式推估之污染源貢獻量逐日變化結果圖74 圖4-38 和美測站粗粒受體模式推估之污染源貢獻量逐日變化結果圖75 圖4-39 和美測站細粒受體模式推估之污染源貢獻量逐日變化結果圖75 圖4-40 清水測站粗粒受體模式推估之污染源貢獻量平均圖76 圖4-41 清水測站細粒受體模式推估之污染源貢獻量平均圖76 圖4-42 和美測站粗粒受體模式推估之污染源貢獻量平均圖77 圖4-43 和美測站細粒受體模式推估之污染源貢獻量平均圖77 圖4-44 清水測站PM10受體模式推估之污染源貢獻量平均圖78 圖4-45 和美測站PM10受體模式推估之污染源貢獻量平均圖7