我國PM2.5監測網絡布局與監測方法體系構建策略分析

潘本鋒 汪 巍 王瑞斌 李健軍

(中國環境監測總站，北京 100012)

1 引言

環境空氣中的PM2.5是指環境空氣中空氣動力學直徑小于等于2.5μm的顆粒物，其主要來源為火力發電、工業生產、汽車尾氣、生物質燃燒、二次生成、道路揚塵等過程。PM2.5作為各種光化學反應的載體，促進城市大氣光化學反應的發生，其對環境的污染及對人體健康的危害在顆粒物中尤為突出，它還是造成環境能見度降低的主要原因。2010年11月環保部就《環境空氣質量標準(征求意見稿)》公開向社會征求意見，在該征求意見稿資料性附錄中規定了PM2.5的參考限值，雖未將PM2.5列入標準規定的必測項目，卻是在我國第一次嘗試將PM2.5納入國家環境質量標準，也使得PM2.5這一詞匯逐步走入公眾視野。2011年秋冬季節，我國京津冀地區霧霾現象頻發，霧霾天氣發生時，空氣質量嚴重惡化，引發了社會各界的極大關注，由于PM2.5是導致霧霾天氣的主要污染物，因此PM2.5的監測與防治問題迅速成為人們關注的焦點，2012年2月《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)正式頒布實施，將PM2.5列入了環境空氣質量必測項目之中。由于PM2.5的來源、組成，以及性質與PM10存在明顯差異，歐美發達國家的監測經驗表明兩者的監測技術要求也有較大不同。因此，如何開展PM2.5監測成為我國各級環境監測部門面臨的重要問題。本文結合國內外PM2.5監測工作的進展情況，對我國PM2.5監測網絡布局與監測方法選擇的經濟、技術可行性進行了深入研究和分析。

2 部分發達國家PM2.5監測進展情況分析

2.1 英國PM2.5監測網絡與監測方法

2.1.1 英國PM2.5監測網絡

英國環境食品與農業事務部(UK DEFRA)組建了英國城市和農村空氣自動監測網(automatic urban and rural network，AURN)，該網絡是英國目前最大的空氣自動監測網，也是最主要的用來空氣質量達標評價的監測網絡。2008年英國的PM2.5例行監測點位只有一個，位于London Bloomsbury，截止2011年英國的 PM2.5監測點位有131個，包括城市背景點、郊區背景點、農村背景點、城市交通點、城市工業點等點位類型。這些點位中有將近一半的點位由環境食品與農業事務部直接負責管理，另一半由地方政府的相關部門負責管理。此外，英國還設立了一個顆粒物數量與濃度研究監測網(The Particle Numbers and Concentrations Network)，由環境食品與農業事務部委托有關研究機構負責管理，截止2011年該網絡共有5個點位組成，主要監測顆粒物的數量濃度、粒徑分布、質量濃度、離子組分、元素碳、有機碳等。

2.1.2 英國PM2.5監測方法

在英國城市和農村空氣自動監測網(AURN)中采用三種方法進行PM2.5的監測，即振蕩天平聯用膜動態測量系統(FDMS)法、β射線法、重量法，其中重量法是歐盟相關規范要求的參考方法。相關研究指出，標準振蕩天平法不符合歐盟的等效方法要求，但是因為振蕩天平法可以獲取連續的、瞬時的監測數據，所以在英國被廣泛使用。為了彌補揮發性物質的損失，英國曾經使用修正系數1.3來對監測數據進行修正，但是隨后的研究表明，修正后仍然不能滿足歐盟等效方法要求，為此英國DEFRA建議地方當局可以在采用VCM模型修正的基礎上，使用振蕩天平法來開展空氣質量監測。此外研究還表明，光散射法同樣不是歐盟的等效方法。

2.2 日本PM2.5監測網絡與監測方法

2.2.1 日本PM2.5監測網絡

據資料顯示，截止2009年日本國內共有空氣監測點位1987個，其中包含1549個環境空氣質量監測點位，438個路邊空氣質量監測點位。按照相關法律規定，這些點位主要由日本地方政府的相關機構負責管理，其中納入國家監測網管理的環境空氣質量監測點位有9個，路邊空氣質量監測點位10個。在日本并非所有的空氣監測點位都開展了PM2.5的常規監測，目前開展PM2.5監測的點位有588個，其中包括環境空氣質量監測點位424個，路邊空氣質量監測點位164個。

2.2.2 日本PM2.5監測方法

日本環境質量標準中規定的PM2.5標準監測方法，包括了濾膜采樣重量法、β射線吸收法、振蕩天平法、光散射法等。目前在日本國家監測網中的9個點位，其PM2.5監測方法主要為β射線吸收法。

2.3 美國PM2.5監測網絡與方法

2.3.1 美國PM2.5監測網絡

美國從20世紀70年代開始組建了環境空氣質量監測網，有州和地方環境空氣監測站(State and Local Ambient Monitoring Stations，SLAMS)組成，監測項目包括 SO2、NO2、CO、O3、Pb、TSP、PM10、PM2.5，監測點位最多時達到3000多個，監測設備5000多套。這些監測站點大多由州和地方政府的相關部門負責運行，其監測結果用來和國家標準比較，以判斷一個區域的空氣質量是否達到國家標準的要求。美國于1997年頒布了PM2.5的環境質量標準，其 PM2.5監測工作于 1999 年開始，截止2007年底，大約有1000個監測點位開展了PM2.5的監測工作，其中濾膜采樣手工監測設備947套，自動監測設備591套。美國1970年至2007年環境空氣監測點位變化情況見圖1。

此外，美國從2000年起組建了顆粒物化學成分監測網(Chemical Speciation Network，CSN)，共包含大約300個監測點位，在這些點位每三天或每六天采樣一次，主要進行PM2.5的質量分析、元素分析(包含鉛)、主要離子組分分析、元素碳分析、有機碳分析等顆粒物的主要組分分析。

圖1 美國環境空氣監測點位數量

1985年美國還組建了能見度保護網(Interagency Monitoring of Protected Visual Environments，IMPROVE)用來保護一些特殊地區的環境能見度，如國家公園等。該網是一個跨部門合作的監測網，主要開展PM2.5形態分析、重金屬監測等。目前該網絡包括了110個區域監測站、7個 Clean AirStatusand TrendsNetwork(CASTNET)中的監測站點、34個CSN站點。

2011年美國組建了國家核心監測網，包括80個站點，其中63個城市站點和17個農村站點，監測項目主要有 PM2.5質量濃度(濾膜采樣法)、PM2.5質量濃度(自動監測法)、PM2.5-10 質量濃度、PM2.5化學組分(包括離子組分、金屬、元素碳、有機碳等)、氣態污染物濃度、氣象參數等。

2012年美國對PM2.5環境質量標準進行了修訂，并對PM2.5的監測網絡提出了新的要求，計劃從2015年開始逐步增加PM2.5的道路交通監控點，并要求在每個100萬人口以上的城市設置一個監控點，為了減少投資，PM2.5道路監控點將從現有的NO2或CO道路監控點中選取。

2.3.2 美國PM2.5監測方法

美國EPA要求在環境空氣質量監測網中必須使用聯邦參考方法或等效方法進行PM2.5的監測工作，2008年以前主要采用濾膜采樣方法進行監測，每三天或六天采樣一次。截止2007年底，共有947個濾膜采樣手工監測儀器和591臺自動監測儀器。2008年美國EPA第一次批準了PM2.5的自動監測方法為等效方法，自動監測方法開始逐步應用于國家監測網中。截止2012年，通過美國EPA認證的自動監測方法有11種，監測方法包括光散射法、振蕩天平法(聯用FDMS)、β射線法，通過美國EPA認證的PM2.5自動監測設備清單見表1。

3 我國PM2.5監測網絡布局與方法體系分析

3.1 我國PM2.5監測網絡布局分析

我國現有的環境空氣監測網絡始建于20世紀80年代，最初以手工監測為主，從2000年起自動監測開始逐步取代自動監測，至2010年我國的環境空氣監測網絡共涵蓋了我國113個環境保護重點城市的661個監測點位，全部實現了空氣質量自動監測，監測項目為SO2、NO2、PM10等，依照當時的環境空氣質量標準，各點位未開展 PM2.5的監測。2012年2月我國頒布了《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)，將PM2.5納入了空氣質量必測項目，同年4月環保部調整了國家環境空氣質量監測網組成名單，將監測網絡覆蓋到我國所有地級以上城市，調整后的監測網絡有338個地級以上城市的1436個監測點位組成。按照空氣質量新標準的要求，至2016年國家環境空氣監測網內的所有監測點位將按照新標準開展監測，屆時我國PM2.5監測點位將達到1436個，監測點位總數將達到全球第一。與國外主要發達國家相比較，我國單位國土面積PM2.5監測點位數目略高于美國，低于英國和日本;但由于我國人口數量龐大，單位人口PM2.5監測點位數量仍低于英、美、日等發達國家。我國PM2.5監測點位數量與國外發達國家比較情況見表2。

表1 美國EPA PM2.5自動監測設備認證清單

表2 我國與英、美、日等國PM2.5監測點位數量比較

從監測點位所處區域代表性方面分析，目前我國的PM2.5監測點位主要位于城市區域，城市郊區和農村地區的點位偏少。為了全面反映我國PM2.5污染狀況，我國于2008開始了環境空氣背景站和農村站建設，目前已建成14個背景監測站和31個農村區域站，預計到“十二五”末，將建成15個背景站和96個農村區域站。

從監測點位類型分析，目前我國監測網中的絕大多數點位屬于環境空氣質量評價點，而污染監控點位和城市路邊點位偏少，因此在今后的能力建設中還應考慮適當增加污染監控點位的建設。

從監測項目上分析，目前我國例行監測項目主要是PM2.5質量濃度，為了全面反映 PM2.5的污染特征和來源，今后在質量濃度監測基礎上還應該逐步考慮開展PM2.5主要組分監測。

3.2 我國PM2.5監測方法體系分析

2011年我國頒布了《環境空氣PM10和PM2.5的測定重量法》(HJ618-2011)，為我國開展PM2.5監測工作奠定了基礎，該方法是我國PM2.5監測的標準方法，其他任何自動監測方法都必須與該方法進行比對，取的滿意結果后才能用于監測工作。

PM2.5的重量法測定雖然是我國的標準方法，但是該方法監測成本高、操作過程繁雜、對實驗室環境和操作人員都要較高的技術要求，更為重要的是該方法不能及時獲的實時監測結果，因此無法完全滿足當前環境管理的要求和社會公眾對環境信息公開的迫切需求。因此，PM2.5的監測宜采取自動監測方法，以適應各方面的需求，目前國際上成熟的PM2.5自動監測方法有光散射法、β射線法、振蕩天平法等等。

2012年中國環境監測總站對部分型號的光散射法PM2.5自動監測儀、β射線法自動監測儀、振蕩天平法自動監測儀進行了手工標準監測方法的比對測試，研究結果顯示，β射線法聯用動態加熱系統(DHS)的PM2.5自動監測儀、振蕩天平法聯用膜動態測量系統(FDMS)的PM2.5自動監測儀與我國手工標準監測方法具有較好的可比性，光散射法PM2.5自動監測儀和未加裝FDMS的振蕩天平法PM2.5自動監測儀與我國手工標準監測方法之間的可比性較差。四種不同類型監測儀器的比對測試結果見圖2-圖5。

圖2 振蕩天平法聯用FDMS儀器與手工標準方法比對測試結果

圖3 β射線法聯用DHS儀器與手工標準方法比對測試結果

圖4 振蕩天平法與手工標準方法比對測試結果

研究結果表明，振蕩天平法法監測儀器與β射線法監測儀器均能夠滿足監測工作需要，但因為設計原理和儀器構造不同，兩種儀器操作使用要求與運行成本存在一定差異。β射線法監測儀器在使用過程中，操作較為簡單，運行維護成本低廉;相對于β射線法監測儀器，振蕩天平法監測儀器在使用過程中其操作相對復雜，運行維護成本也高于β射線法監測儀器。2012年我國在直轄市、省會城市、計劃單列市、京津冀、長三角、珠三角等重點區域城市已經先期開展了PM2.5監測能力建設，共涉及74個城市的496個環境空氣監測點位。據初步統計，496個點位中共使用振蕩天平法監測儀器75臺，占儀器總數的15%，使用β射線法監測儀器421臺，占儀器總數的85%。因此，綜合考慮兩種方法儀器的性能指標和運行維護成本，β射線法PM2.5監測儀器更適合于在我國環境空氣監測網絡內推廣和普及。

圖5 光散射法與手工標準方法比對測試結果

4 研究小結

2013年新年伊始全國多地霧霾籠罩，污染由最嚴重的京津冀地區擴散至沿海地區，給公眾交通出行和健康都帶來了嚴重影響。中央氣象臺專家分析，此次霧霾天氣出現是由于冷空氣勢力弱，形成大霧天氣后使空氣中的污染物很難擴散，加重了空氣污染。這一場十面“霾”伏，確實讓國務院、各地方政府、專家學者以及全體公眾更加關注大氣環境質量。尤其目前我國大氣區域性復合污染形勢嚴峻并成為我國“十二五”以及未來大氣污染防治的巨大挑戰。分析導致區域性大氣復合污染的原因，與我國一些地方長期以來經濟發展方式粗放、產業結構不合理密切相關。同時，因大氣環流造成城市間污染物相互影響，僅僅依靠各個城市“各自為戰”，沒有形成區域性治污合力，也是目前酸雨、灰霾和光化學煙霧污染嚴重的重要原因。

黨中央、國務院對大氣污染防治工作高度重視，作出了一系列重要部署。國務院辦公廳于2010年5月11日轉發了環境保護部《關于推進大氣聯防聯控工作改善區域空氣質量的指導意見》。這是國務院第一次專門針對大氣污染防治的綜合性政策文件，明確提出了推進區域聯防聯控工作的指導思想和工作目標。2010年11月環保部就《環境空氣質量標準(征求意見稿)》公開向社會征求意見，在該征求意見稿資料性附錄中規定了PM2.5的參考限值，雖未將PM2.5列入標準規定的必測項目，卻是在我國第一次嘗試將PM2.5納入國家環境質量標準，也使得PM2.5這一詞匯逐步走入公眾視野。2011年秋冬季節，我國京津冀地區霧霾現象頻發，霧霾天氣發生時，空氣質量嚴重惡化，引發了社會各界的極大關注，由于 PM2.5是導致霧霾天氣的主要污染物，因此PM2.5的監測與防治問題迅速成為人們關注的焦點，2012年2月《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)正式頒布實施，將PM2.5列入了環境空氣質量必測項目之中。由于PM2.5的來源、組成，以及性質與PM10存在明顯差異，歐美發達國家的監測經驗表明兩者的監測技術要求也有較大不同。因此，開展PM2.5監測成為我國各級環境監測部門亟待解決的重要問題。

本文結合國內外PM2.5監測工作的進展情況，對我國PM2.5監測網絡布局與監測方法選擇的經濟、技術可行性進行了深入研究和分析。通過對國內外PM2.5監測網絡布局現狀的分析和比較，我國“十二五”規劃的PM2.5監測網絡從點位數目和網絡布局上基本能夠反映我國PM2.5的污染狀況，但為進一步反映PM2.5的污染特征和來源，今后還應逐步增加污染監控點位、道路交通點位的設置，同時在質量濃度監測的基礎上，還應逐步開展PM2.5主要組分監測。在監測方法上，β射線法聯用動態加熱系統(DHS)PM2.5自動監測儀和振蕩天平法聯用膜動態測量系統(FDMS)PM2.5自動監測儀均能夠滿足監測工作的需要，綜合考慮兩種類型儀器的性能指標和運行成本，β射線法聯用動態加熱系統(DHS)PM2.5自動監測儀操作相對簡單，運行維護成本相對較低，更適合于在我國環境空氣監測網絡內推廣和普及。

［1］GB3095-2012，環境空氣質量標準［S］.

［2］Tony Bush，Sarah Choudrie，Beth Conlan，etal，Air Pollution in the UK 2011［R］.LONDON:UK DEFRA，2012:16-19.

［3］Ambient Air Monitoring Strategy for State，Local，and Tribal Air Agencies［R］.Office of Air Quality Planning and Standards Research Triangle Park，NC 2008，1-2-1-6.

［4］EPA’ S Revised Air Quality Standards For Particle Pollution:Monitoring，Designations And Permitting Requirements［R］.US EPA，2012，1-2.

［5］Implementing Continuous PM2.5Federal Equivalent Methods(FEMs)and Approved Regional Methods(ARMs)in State or Local Air Monitoring Station(SLAMS)Networks［R］.US EPA，2008，1-2.

［6］List Of Designated Reference And Equivalent Methods［R］，US EPA，2012，48-49.

［7］胡敏，唐倩，彭劍飛.我國大氣顆粒物來源及特征分析［J］.環境與可持續發展，2011，36(5):15-19.

［8］王帥，丁俊男，王瑞斌等.關于我國環境空氣質量監測點位設置的思考［J］.環境與可持續發展，2012，37(4):21-25.

［9］解淑艷，王瑞斌，李建軍等.現代化環境空氣質量監測網絡構想［J］.環境與可持續發展，2012，37(4):26-31.

［10］潘本鋒，汪巍，李亮等.我國大中型城市秋冬季節霧霾天氣污染特征與成因分析［J］.環境與可持續發展，2013，38(1):33-36.