ISSN：1005-1538 CN：31-1652
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金沙遗址博物馆大气污染特征研究

  • 蒋璐蔓1

    机 构：

    1. 成都文物考古研究院,四川成都 610074

    ×
  • ， 张军科2

    机 构：

    2. 西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 611756

    ×
  • ， 董贵明2

    机 构：

    2. 西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 611756

    ×
  • ， 刘珂3

    机 构：

    3. 成都金沙遗址博物馆,四川成都 610074

    ×
  • ， 明文秀3

    机 构：

    3. 成都金沙遗址博物馆,四川成都 610074

    ×
  • ， 陈丽琴3

    机 构：

    3. 成都金沙遗址博物馆,四川成都 610074

    ×
  • ， 苗闻文3

    机 构：

    3. 成都金沙遗址博物馆,四川成都 610074

    ×
  • ， 陈俊橙1

    机 构：

    1. 成都文物考古研究院,四川成都 610074

    ×
  • ， 杨弢1

    机 构：

    1. 成都文物考古研究院,四川成都 610074

    ×
  • ， 肖嶙1

    机 构：

    1. 成都文物考古研究院,四川成都 610074

    ×

1. 成都文物考古研究院,四川成都 610074；
2. 西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 611756；
3. 成都金沙遗址博物馆,四川成都 610074；

Research on the characteristics of air pollution at Jinsha Site Museum

  • JIANG Luman1

    Affiliation：

    1. Chengdu Institute of Cultural Relics and Archaeology, Chengdu 610074 , China

    ×
  • ， ZHANG Junke2

    Affiliation：

    2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756 , China

    ×
  • ， DONG Guiming2

    Affiliation：

    2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756 , China

    ×
  • ， LIU Ke3

    Affiliation：

    3. Chengdu Jinsha Site Museum, Chengdu 610074 , China

    ×
  • ， MING Wenxiu3

    Affiliation：

    3. Chengdu Jinsha Site Museum, Chengdu 610074 , China

    ×
  • ， CHEN liqin3

    Affiliation：

    3. Chengdu Jinsha Site Museum, Chengdu 610074 , China

    ×
  • ， MIAO Wenwen3

    Affiliation：

    3. Chengdu Jinsha Site Museum, Chengdu 610074 , China

    ×
  • ， CHEN Juncheng2

    Affiliation：

    2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756 , China

    ×
  • ， YANG Tao2

    Affiliation：

    2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756 , China

    ×
  • ， XIAO Lin1

    Affiliation：

    1. Chengdu Institute of Cultural Relics and Archaeology, Chengdu 610074 , China

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1. Chengdu Institute of Cultural Relics and Archaeology, Chengdu 610074 , China；
2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756 , China；
3. Chengdu Jinsha Site Museum, Chengdu 610074 , China；

作者简介:

蒋璐蔓(1991—),女,2016年硕士毕业于四川大学,研究方向为文物科技保护等,E-mail:383265210@qq.com

通讯作者:

张军科(1987—),男,副研究员,E-mail:zhangjunke@home.swjtu.edu.cn

中图分类号:K878;X513

文献标识码:A

文章编号:1005-1538(2021)01-0118-07

DOI:10.16334/j.cnki.cn31-1652/k.20200401712

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目录contents

    摘要

    为全面了解金沙遗址博物馆遗址区空气污染特征及污染物来源,在2019年秋季对遗址保护厅内外大气中细颗粒物(PM2.5)和挥发性有机物(VOCs)进行了观测,并对各自化学组分进行了全面分析。结果发现:金沙遗址博物馆遗址保护厅内外PM2.5污染严重,平均质量浓度分别为77.0 μg/m3和94.6 μg/m3;受人为影响程度的不同,室内昼夜差异明显强于室外。室外的OM、NO-3和SO2-4浓度高于室内,而室内的NH+4和典型的地壳元素(K+、Mg2+和Ca2+)浓度高于室外;受化学组成的影响,室内外PM2.5分别呈碱性和酸性。地壳元素在整体元素中占据绝对主导,室内外占比分别可达82.8%和84.4%。通过富集因子分析得知Cu(室外)、Ag、Cd、Sb元素均达到了重度富集。室内外VOCs浓度几乎相同,分别为81.2×10-9和81.3×10-9,其中烷烃的贡献比例最高,分别为44%和46%;源自机动车、工业溶剂涂料使用、燃油挥发及生物质燃烧等人为源的VOCs物质在室外的浓度要明显高于室内。这些研究结果对于金沙遗址博物馆遗址区空气质量的全面了解、土遗址及其中文物的高质量保存和提供优质的参观环境具有重要意义。

    Abstract

    In order to fully understand the air pollution characteristics and sources of pollutants in the site area of Jinsha Site Museum, PM2.5 and VOCs levels in the atmosphere inside and outside the Site Protection Hall were observed in the fall of 2019, and their respective chemical components were comprehensively analyzed. The results show that 1) the atmospheres inside and outside the Jinsha Site Museum’s Site Protection Hall were both severely polluted by PM2.5, with their average mass concentrations of 77.0 and 94.6 μg/m3, respectively; 2) the difference between day and night levels indoors was significantly larger than that outdoors due to the degree of human activity; 3) the concentrations of OM, NO-3 and SO2-4 were higher outdoors than indoors, while the concentrations of NH+4 and typical crustal elements (K+,Mg2+ and Ca2+) were higher indoors than outdoors; 4) indoor and outdoor PM2.5 levels were respectively alkaline and acidic due to the influence of their chemical compositions; 5) crustal elements dominated, with their indoor and outdoor proportions reaching 82.8% and 84.4%, respectively; 6) according to the analysis of the enrichment factor, it was found that the elements of Cu (outdoor), Ag, Cd and Sb had reached a severe enrichment; 7) the indoor and outdoor concentrations of VOCs were almost the same, 81.2×10-9 and 81.3×10-9, respectively, alkanes, contributing the most, accounting for 44% and 46%, respectively; 8) the outdoor concentrations of VOCs, derived from artificial sources such as motor vehicles, industrial solvent coatings, fuel volatilization and biomass combustion, were significantly higher than indoor concentrations. These research results were of a great significance for a comprehensive understanding of the air quality in the site area of Jinsha Site Museum, the high-quality preservation of earthen site and the cultural relics therein, and the provision of a quality visiting environment.

  • 0 引言

  • 遗址博物馆是在古文化遗址上建立的针对遗址进行发掘、保护、研究、陈列的专门性博物馆[1],是集保护与展示功能于一身的一种遗址保护形式,现有的遗址博物馆模式对遗址和文物起到了一定的保护及展示作用[2]。诸多研究指出,大气环境问题是造成文物和遗址损害的一项重要因素,大气中的气溶胶、污染性气体,以及室内的温湿度变化等均会对文物及土遗址产生影响[3]。

  • 当前,我国诸多地区的遗址博物馆已受到大气污染物不同程度的损坏,Hu等[3]研究了我国长江流域五个典型的遗址博物馆室内外大气污染状况,结果发现,遗址博物馆内部的SO2和PM2.5均数倍或数十倍高于指导标准[3];李华[4]研究发现,秦俑博物馆俑坑存在较高浓度的SO2、NOx、NH3等污染性气体及PM2.5、降尘,且室内PM2.5主要受室外传输控制。这些结果的获取对遗址的有效保护提供了重要参考。

  • 金沙遗址博物馆建成于2007年,将金沙遗址大型祭祀活动场所的发掘地建为遗址保护厅,遗址内保存有尚未发掘的文物,发掘并回填的象牙,以及展示于出土原址的象牙、野猪獠牙、鹿角、阴沉木、陶器、玉器等各种材质的文物。当前成都市空气污染严重,Zhang等[5]研究指出,成都市年平均PM2.5浓度为68 μg/m3,远高于我国国家环境空气质量二级标准(NAAQS-Ⅱ)(35 μg/m3),在冬季重污染频发,PM2.5平均浓度更是高达101 μg/m3[6]。成都市大气中高浓度的污染物可能会通过空气交换进入金沙遗址博物馆遗址保护厅内部,对土遗址及其中文物产生危害。为全面了解金沙遗址博物馆遗址区的空气污染现状和特征,本研究对遗址保护厅内外大气环境中的PM2.5和VOCs进行了针对性观测研究,对重要化学组分进行了全面分析,比较了室内外各自独有的污染特征。这对于金沙遗址博物馆遗址区土遗址及其中文物的保护、空气质量的改善和更健康参观环境的营造具有重要参考价值。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 样品采集

  • 本研究观测站点设置在金沙遗址博物馆,其中室内观测站点设置在一号坑象牙遗迹处(图1),室外站点设置于遗迹馆东门外广场,周围开阔,无明显遮挡。遗迹馆紧邻成都市中环路,距离约100 m。采样日期为2019年11月2日至3日,细颗粒物(PM2.5)采样使用石英纤维滤膜(Pall:d=90 mm),采样仪器为TH-150C(武汉天虹),采样流量100 L/min,每天采集2个样品,采样时间为每日08∶30至20∶00和20∶30至第二日08∶00,每个样品采集时间为115 h。挥发性有机物(VOCs)采样使用标准气袋,采样时间为每天下午2∶00,采样后在一周内完成分析。同时,记录采样时段的温度、湿度、风及降水等气象信息。

  • 图1 室内观测站点

  • Fig.1 Indoor observation site

  • 1.2 分析方法

  • 1.2.1 称重

  • 采样前,将采样膜置于铝箔纸中,在500℃的马弗炉中预先加热4 h,随后在恒温(20±1)℃、恒湿(45%±5%)箱内平衡48 h后用天平称重,采样完成后在同样恒温恒湿环境中平衡后进行称重,大气PM2.5的质量浓度由采样膜采样前后质量差计算得出。

  • 2.2.2 化学分析

  • 采用DRI 2001A型热光有机碳/元素碳分析仪对截取0.495 cm2的样品膜进行有机碳(OC)和元素碳(EC)的分析。使用1.6作为OC和有机物(OM)的转换系数[7],即OM=1.6×OC。

  • 取采集样品滤膜的1/4,加入25 mL去离子水,恒温超声震荡30 mim,经0.22 μm滤膜过滤后,用阴阳离子色谱(Dionex ICS-90)同步测定其中阳离子NH+4、Na+、K+、Ca2+、Mg2+和阴离子NO-3、NO-3、SO2-4、Cl-浓度。

  • 采用微波酸消化法将滤膜样品消化成溶液进行元素分析。取采集样品滤膜的1/4放入有6 mL HNO3、2 mL H2O2和0.6 mL HF的混合液消解容器中,用微波加速反应系统(MARS;CEM公司)处理,用去离子水稀释至50 mL。使用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS 7500a安捷伦)测定消解液中17种微量元素浓度。

  • VOCs分析时,样品首先通过预浓缩仪(Entech 7100A)及气相色谱(GC),随后进入由火焰离子化检测器(FID)和质谱(MS)组成的双通道检测系统,其中,FID主要用于对乙烷、乙烯、乙炔、丙烯和丙烷等低分子量VOCs物质的测定,而MS主要用于C4-C12范围VOCs物质的测定,两种检测方法的联用实现了对大气中主要VOCs物质的全面测定[8]。

  • 2 结果与讨论

  • 2.1 PM2.5质量浓度

  • 观测时段室外PM2.5质量浓度明显高于室内,分别为94.6 μg/m3和77.0 μg/m3,室内外PM2.5质量浓度差异大小取决于室内环境的密闭程度,与遗址博物馆建筑特点密切相关,金沙遗址博物馆遗址保护厅为大跨度保护大厅式的建筑,室内外空气流动频繁,室内外PM2.5浓度水平差异较小。在秦始皇帝陵博物院一号坑遗址区的研究中,由于其与金沙遗址博物馆遗址保护厅相似的建筑结构,室内外PM2.5浓度水平差异亦较小[9]。而汉阳陵帝陵外藏坑保护展示厅的研究中,外藏坑为地下丛葬坑,且展示厅采用全封闭玻璃围护结构,密封性强,导致室内外PM2.5浓度水平差距较大。

  • 昼夜差异方面,室内外PM2.5质量浓度均在白天高于夜间。在室外,昼夜平均浓度分别为97.7 μg/m3和91.4 μg/m3;而在室内,昼夜差异更加显著,平均浓度分别为84.2 μg/m3和69.8 μg/m3,这种室内外昼夜差异的大小主要与两种环境不同时段受人为影响程度和排放源变化有关。在室外,尽管白天人为活动影响明显强于夜间,但在夜间依然有稳定的排放源输入,如紧邻博物馆的交通源;而在室内,白天参观人数众多,人为活动影响巨大,但在夜间闭馆时段,几乎不存在人为活动影响。同时,夜间闭馆以后,室内外空气交换减弱,受室外污染影响减小,进一步导致污染水平降低。

  • 2.2 PM2.5化学组分

  • 2.2.1 碳质组分

  • 室外OM浓度高于室内,对应的值分别为16.52 μg/m3和12.92 μg/m3;室内外EC浓度水平则较为接近,分别为3.52 μg/m3和3.83 μg/m3。OM在室内外均无明显昼夜差异;室外EC夜间(4.08 μg/m3)高于白天(2.95 μg/m3),这与室外夜间有利于污染积累的气象条件(如较低的边界层)和额外的贡献源(如重型柴油车)密切相关,而室内EC白天(4.33 μg/m3)则高于夜间(3.34 μg/m3),反映了夜间闭馆后遗址保护厅内污染水平的明显降低现象,这可能与室内夜间无游客影响有关。OC/EC比值通常被认为是判断PM2.5来源的重要标志,本研究中室内外OC/EC的平均比值分别为2.1和2.9,属于典型的交通源排放特征[10],进一步凸显了紧邻的中环路对遗址区空气质量产生的影响。室内OC、EC浓度昼夜均低于室外OC、EC浓度,表明遗址保护厅内建筑对中环路交通排放源的有效隔离作用,对金沙土遗址及其中文物具有保护作用。

  • 2.2.2 水溶性离子

  • NO-3和SO2-4在室外(11.21 μg/m3和8.41 μg/m3)水平稍高于室内(9.64 μg/m3和7.54 μg/m3),这与室外更有利于二次化学反应的环境条件及高浓度的污染前体物密切相关;相反NH+4在室内(7.75 μg/m3)浓度要明显高于室外(4.55 μg/m3)。陈远翔[11]研究中,博物馆内NH+4与NO-3、SO2-4也呈现出了不同的变化特征,这是因为NO-3、SO2-4主要源于室外空气的传输,而对NH+4而言,除了室外空气的传输,馆内的地面扬尘或飞灰也是其重要来源之一。

  • 与土壤尘相关的三类离子组分K+、Mg2+、Ca2+在室内(0.29 μg/m3、0.03 μg/m3和0.39 μg/m3)的浓度均在不同程度高于室外(0.17 μg/m3、0.02 μg/m3和0.36 μg/m3)。这与遗址保护厅内部大面积裸露的土壤表面及金沙遗址表层可溶盐中Mg2+、Ca2+等离子含量很高密切相关[2]。

  • 颗粒物的酸碱性对文物的保存具有很大影响,酸性或碱性颗粒物都可能引起青铜器、雕塑、陶瓷等文物的腐蚀。离子当量浓度能够准确判断大气颗粒物的酸碱性,阳离子电荷当量CE(cation equivalent)和阴离子电荷当量AE(anion equivalent)浓度计算公式如下[8]:

  • CE=Na+/23+NH4+/18+K+/39+Mg+/12+Ca2+/20

  • AE=F-/19+Cl-/35.5+SO42-/48+NO3-/62+NO2-/46

  • 通过计算可知,金沙遗址博物馆遗址保护厅内外的CE/AE的比值分别为1.4和0.7,这意味着室内外的PM2.5分别呈碱性和酸性。这与室内外不同离子或物质浓度水平密切相关,即室内PM2.5中具有更高的NH+4和土壤尘离子,而室外的酸性离子(如SO2-4和NO-3)浓度高于室内。

  • 表1 金沙遗址博物馆遗址保护厅内外PM2.5主要化学组分

  • Table1 Main chemical components of PM2.5 inside and outside the Site Protection Hall of Jinsha Site Museum(μg/m3)

  • 2.2.3 元素组成

  • 室内外元素浓度水平接近,分别为4.25 μg/m3和3.76 μg/m3,且元素浓度水平排序在两种环境中几乎相同。地壳元素Na、Al、Fe、Mg和Ca均为两种环境中浓度水平排前5的元素,其浓度之和在室内外元素总浓度中分别占比82.8%和84.4%。

  • 富集因子(EF)是表征颗粒物中金属元素来源的重要参数之一,计算方法为[12]:

  • EF=Ci/C参比 样品 /Ci/C参比 地壳

  • 式中,(Ci/C参比)样品为PM2.5中金属元素与参考元素含量的比值;(Ci/C参比)地壳为地壳中金属元素与参考元素含量的比值。本研究计算富集因子选取Al作为参比元素,计算结果如表2所示。可以看出,除Cu在室外处于重度富集,而室内处于中度富集外,其他元素在室内外的富集因子值虽然存在一定差异,但均处于同一富集水平。Na、Mg、Al、Ca、Ti、V、Mn、Fe、Co元素为轻度富集,主要来自天然源;Cu(室外)、Ag、Cd、Sb元素则为重度富集,几乎全部来源于人类活动;而其他元素属于中度富集,主要受人为活动影响[13]。

  • 表2 金沙遗址博物馆遗址保护厅内外金属元素含量及富集因子值

  • Table2 Metal element contents and enrichment factor values inside and outside the Site Protection Hall of Jinsha Site Museum

  • 2.3 挥发性有机物(VOCs)

  • VOCs是大气中普遍存在的一类化合物。一方面其包含了大量对人体健康具有严重威胁的物质,另一方面,VOCs是形成O3和PM2.5的关键前体物。就整体VOCs浓度而言,室内外几乎不存在差异,浓度分别为81.2×10-9和81.3×10-9。室内外平均浓度排前十的物质类似,如表3所示,这10种物质浓度对整体VOCs的贡献分别可达55.6%和54.5%。表3还列出了我国其他典型城市(北京、深圳和南京)和博物馆所观测的同季节大气中浓度排前10的VOCs物质浓度,可以看出,尽管不同地区优势物质浓度排序不一致,但均以低碳数的VOCs为主。就浓度排前10的物质浓度总和来看,本研究中VOCs浓度水平要明显高于其他城市,尤其是深圳。

  • 表3 金沙遗址博物馆及国内部分城市VOCs浓度最高的前10个物质对比表

  • Table3 Comparison of the top ten VOCs in Jinsha Site Museum and in other cities in China(×10-9)

  • 按照化学结构的不同,本研究中VOCs可以分为烷烃、烯烃、芳烃、卤代烃、乙炔和含氧有机物。由图2可知,烷烃在室内外VOCs中占据主导地位,贡献比例分别为44%和46%。这与诸多地区的大气中VOCs均以烷烃为主导的研究结果一致[18-19]。

  • 图2 金沙遗址博物馆遗址保护厅内外VOCs构成

  • Fig.2 Composition of VOCs inside and outside the Site Protection Hall of Jinsha Site Museum

  • 尽管室内外VOCs整体浓度水平接近,但部分重点物质在室内外的浓度水平出现了一定的差异。在室外,与各类人为源密切相关的物质浓度高于室内,如机动车源(正丁烷、苯、甲苯、乙炔等)、工业溶剂和涂料使用(甲苯)、燃油挥发(异戊烷、正戊烷)、生物质燃烧(1,2-二氯乙烷)等;而在室内,乙醛、乙烷、2,3-二甲基丁烷等浓度则高于室外。因此,需要考虑博物馆内部可能存在这些物质特殊的排放源。

  • 3 结论

  • 通过对金沙遗址博物馆遗址保护厅内外大气中PM2.5和VOCs的综合观测得知:

  • 1)当前,由于成都地区空气污染的影响,金沙遗址博物馆遗址区面临较为严重的PM2.5污染,室内外平均质量浓度分别可达77.0 μg/m3和94.6 μg/m3。由于排放源及人为活动差异,室内昼夜差异明显强于室外。

  • 2)金沙遗址博物馆遗址区的PM2.5碳质组分受中环路交通影响较大。就浓度水平而言,遗址保护厅内OC、EC浓度稍低于厅外。

  • 3)室外的两种典型二次无机离子NO-3和SO2-4浓度高于室内,而室内的NH+4和地壳元素浓度要高于室外。可能与遗址保护厅内装饰材料及土遗址的土壤尘离子、盐离子有关。酸碱性分析发现,室内外的PM2.5分别呈碱性和酸性。

  • 4)室内外VOCs浓度几乎一致,且均以烷烃为主导。浓度较高的前10种VOCs物质均以低碳数物质为主。在室外,源自机动车源、工业溶剂涂料使用、燃油挥发及生物质燃烧等人为源的VOCs物质浓度要高于室内;而在室内,乙醛、乙烷、2,3-二甲基丁烷等浓度则高于室外。

  • 整体而言,当前成都市大气污染水平较高,由于金沙遗址博物馆遗址保护厅密闭性较差,使得室外空气污染对室内影响严重,但遗址保护厅建筑对大气污染具有一定程度的隔离作用。

  • 参考文献

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  • 基本信息

    中图分类号: K878;X513
    文献标识码: A
    DOI: 10.16334/j.cnki.cn31-1652/k.20200401712
    文章编号: 1005-1538(2021)01-0118-07

    基金信息

    国家自然科学基金资助(41805095)；
    国家文物保护专项资金补助项目资助(19-1-02-5100-056)；
    国家文物局文化遗产保护科学和技术研究课题“馆藏文物保存环境监控技术成果集成示范”资助；
    四川省科技计划重点研发项目资助(2019YFS0476)；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2020-04-02

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