美國加州南岸地區空氣質量監測系統運行管理與借鑒

姚玉剛，顧 鈞，康曉風，張仁泉，鄒 強

1．蘇州市環境監測中心，江蘇省環境保護空氣復合污染監測重點實驗室，江蘇 蘇州 215004

2．中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

美國加州南岸空氣質量管理局(SCAQMD)所轄地區的大氣污染問題由來已久。隨著石油工業的快速發展，20世紀40年代初洛杉磯已有汽車250 萬輛，每天消耗汽油 1.6 ×107L［1］，汽油燃燒后產生的碳氫化合物等在太陽紫外線照射下引起光化學反應，引發了舉世矚目的1955年和1970年洛杉磯煙霧事件。在長達60多年的霧霾治理過程中，SCAQMD所在的加利福尼亞州制定了嚴于美國其他地區的區域標準(如2002年制定了嚴于國家標準的PM2.5標準，年均標準為12 μg/m3，嚴于當時國家標準的15 μg/m3)［1］。由于城市空氣的流動特點和污染物的跨區域傳輸，空氣污染防治突破了行政邊界的束縛。依據“空氣域”的劃分(地形條件與氣象特征類似的地區)建立相應的空氣質量管理區(AQMD)，通過對管理區內污染排放源的嚴格控制，1999—2007年洛杉磯PM2.5濃度下降了10%，1988—2007年 PM10濃度也穩步下降［2］。

在加州南岸空氣質量逐漸轉好的過程中，空氣質量監測運行管理體系也逐年完善，從而為空氣質量科學決策和防治管理提供了至關重要的信息和制度保障。該文介紹了SCAQMD的空氣質量監測現狀、監測網絡布局、顆粒物采樣方法和相關質量管理體系。通過借鑒加州南岸空氣質量監測經驗(特別是運行管理模式)，對于指導現階段我國城市環境空氣質量監測運行管理具有極高的參考價值。

1 加州南岸地區空氣質量監測現狀

1.1 環境空氣質量監測

SCAQMD空氣質量管理流程可分為空氣質量監測、管理計劃、法規和規范編制、許可證制度和執行績效評估等。其中空氣質量監測是評估法律法規實施效果的關鍵環節，也是制定控制措施的重要依據［3］。監測數據的應用范圍包括獲取背景值、高濃度(熱點)區域識別、污染物傳輸評價、人群健康暴露水平、監測點代表性、判斷污染源影響、判別污染物趨勢、評價數據可比性和發布實時數據等。

SCAQMD環境空氣監測主要目標:①符合美國環保局(USEPA)規范需求(涉及污染物標準、PM2.5組分、O3前體物、痕量氣體、空氣毒理等方面)。②監測數據具有代表性(時空代表性和可比性)。以環境空氣中的Pb為例，監測對象主要分為污染源(年排放量超1 t)、機場(年排放量超1 t)和非污染源(常規污染物監測站點中篩選出人口超過50萬的地區)。監測頻率為每6 d監測1 次，每次采集樣品 24 h［4］。

1.2 監測網絡布局

SCAQMD承擔加州南岸地區各類監測任務，包括常規污染物、光化學污染、毒性空氣污染物趨勢和顆粒物化學組分監測等。截至2014年7月，SCAQMD管轄區域內設有42個空氣監測站，根據標準污染物監測目的可劃分為高濃度(HC)、人口暴露(PE)、源解析(IM)、背景站(BK)4類，從空間尺度也可分為微型(MI)、中型(MS)、街區(NS)、城市(US)4類。監測項目主要包括 SO2、CO、NO2、O3、PM10、PM2.5、Pb 和SO4［5］。監測要素并非均勻地分布在各個監測點(如Ontario Near Road監測點僅監測NO2，而Rubidoux監測點監測8種污染物)，與該監測點的網絡類型相關。

SCAQMD向USEPA提交年度監測網計劃(Planning)，在正式提交前需對外公示。公示內容包括監測點優化布局、設備更新等監測內容。經過30 d的評議期和公眾參與，公眾可在公示期間對監測計劃提出疑問和建議［3］。

1.3 空氣監測項目

從樣品采集到實驗室分析是一個綜合過程，質量控制和質量保證是貫穿環境監測全過程的技術手段和管理程序［6］。USEPA要求各州進行化學組分采樣，以確定源清單和污染物變化趨勢［7］。SCAQMD監測點同時采用聯邦參比方法(FRM)和聯邦等效方法(FEM)進行監測。以顆粒物為例，重量法作為FRM評價方法應用于考核顆粒物是否達標。而FEM方法用來評估FRM方法的精確度。SCAQMD環境空氣手工采樣可分為階段性和全周期采樣。采樣項目包括TSP、PM10、PM2.5、金屬組分、碳質元素、揮發性有機物(VOCs)、毒性物質和顆粒物化學組分。采樣器通過不同種類的濾紙(如Teflon濾膜、石英濾膜等)進行采集。此外，部分監測點還設置了USEPA和加州空氣資源局(CEPA)的平行手工采樣設備，用于比對監測。自動監測設備包括 CO、SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10和氣象參數，與目前我國在用設備大體相同。

數據分析包括單站超標時段、峰值區域和受影響人群的健康風險評估(HRA)等多個方面。在全面評估現有污染水平的基礎上改進大氣污染防治規劃，分步驟執行達標規劃。

1.4 監測質量管理

SCAQMD的質量管理體系包括監測網絡計劃(組織、歸檔和培訓)、全流程執行(方法、質量控制)、績效評估(性能評估、系統審計和糾正措施)和質量報告(認證)。從質量保證和質量控制的驅動力來看，美國由法律制度保障，建立了諸多法律法規體系及管理制度［8］。

SCAQMD質量管理目標:①保證數據質量達到或超過期望標準(聯邦、州或特定目標，如健康研究、社區監測和政府補償);②評估數據應用范圍(數據質量目標DQO、有效性評估)。

數據質量目標(DQO)是使收集數據的類型、數量及環境監測數據的質量滿足數據庫的潛在用途，同時避免收集不必要的、重復的、過度精確的數據。該工作通過定義標準使數據收集設計得以實現，包括收集何時、何地、采樣數量以及如何控制采集樣品的質量。為保障質量保證中數據質量目標的實現，評估流程包括數據完整性、校準、內/外審、評價/糾錯、報送、回顧、驗證、校正以及數據質量目標的比對，并根據實際情況及時對質量控制/質量保證手冊進行修訂。質量控制的體現則通過檢查/測試耗材、設備和儀器工況，評估數據的不確定度。根據置信區間(校準、空白、數據驗證、重復和重現等)判斷監測數據是否超出范圍。

2 空氣質量監測系統運行管理體系比較

2.1 管理架構

從管理架構來看，SCAQMD環境管理的整體架構是通過聯邦-州-地方三級得到確立的，形成了國家法律-USEPA環保法規-州(地方)法規相對應的三級環境制度，各司其職(表1)。《中華人民共和國環境保護法》第六條明確規定:地方各級人民政府應當對本行政區域的環境質量負責［9］，國家層面的環境行政機構的建制相對薄弱，國家-省-地市-縣(市)環保部門之間尚未明確劃分工作范圍，各級行政部門之間的權責有待于進一步厘清。

表1 美國各級環保部門主要工作范圍

2.2 環境空氣質量指數

SCAQMD執行美國國家空氣質量標準(NAAQS)，一級標準主要對象為保護人體健康;二級標準主要對象為保護自然生態及公眾福利［6，10］。與我國空氣質量類別劃分和表征顏色均相同，區別在于我國傾向于描述污染程度，SCAQMD則關注健康風險(表2)。

表2 空氣質量類別和表征顏色對照

以PM2.5為例，SCAQMD的每日環境空氣質量指數小于200時，PM2.5濃度限值均嚴于 GB 3095—2012，而大于200時則與我國一致(表3)。且SCAQMD從監測點入手評價空氣質量超標情況，相比 HJ 663—2013更為嚴格［11］。

區別:我國現行環境空氣質量指數評價體系中SO2和CO的評價時段比SCAQMD長;我國SO2、PM2.5和Pb的污染物濃度限值相比SCAQMD寬松;我國O3、NO2和CO的污染物濃度限值相比SCAQMD嚴格，但在允許超標次數上卻沒有限制。

表3 PM2.5質量濃度與對應環境空氣質量指數一覽表

表4 環境質量標準對比

2.3 PM2.5考核指標對比

USEPA將各州和有關機構提交的空氣質量監測數據統一審核，據此劃分未達標區域［6］。SCAQMD作為未達標區域，每4年制定一次空氣質量達標規劃。空氣質量標準涵蓋了時均尺度、日均尺度和年均尺度，除標準外，還規定了污染物達標的統計要求。達標的統計要求是指規定在一定時間內以統計方式獲得的污染物平均濃度水平不能超標的次數限制。歐盟PM2.5也采用年均濃度考核，以2010年作為目標值頒布執行，在2015年必須正式執行。歐盟標準還制定了中長期細顆粒物達標的目標值，2015 年為 20 μg/m3，2020 年為 18 μg/m3［12］。

根據《大氣污染防治行動計劃實施情況考核辦法(試行)實施細則》要求，長三角地區以2013年為基準值，2014、2015、2016年度 PM2.5年均濃度下降比例達到《目標責任書》核定空氣質量改善目標(比2013年下降20%)的逐年下降比例為10%、35%、65%，PM10年均濃度(比2013年下降10%)的逐年下降比例為10%、30%、60%。即使完成考核要求，與歐、美目標值仍有較大差距。

3 SCAQMD經驗對我國環境空氣質量監測工作的啟示

3.1 試行“空氣質量管理區”模式

我國國家層面一直在探索如何開展區域內的聯防聯控，但由于我國大氣污染控制的思路以“屬地管理”為主，各個城市發展水平參差不齊。美國不但在州與州之間建立了區域協調合作機制，而且在州內將地形條件與氣象特征類似的地區劃分為一個“空氣域”，依據“空氣域”的劃分建立相應的空氣質量管理區(如SCAQMD)，在管理區內開展聯防聯控工作，通過協調合作、統籌管理，高效率地提升區域空氣質量。從管理模式上避免了各自為政、相互推諉。

建議我國在大氣污染自然特性類似的地區，小到區縣，大到地市，可實施統一的環境準入制度，建立大氣污染環境準入政策，并且在同級管理部門之間建立良好的協同控制機制，自下而上地開展一些試點，進而擴展到更大的區域，建立類似區域空氣質量管理委員會和專家委員會的中立機構，積極探索有利于聯防聯控的新機制、新模式。

3.2 開展專項研究網絡建設

USEPA已經建立了多層次管理體系(地方、州、國家3級層面)，發展趨勢從常規監測、光化學煙霧、顆粒物化學組分、人體健康與空氣污染的空氣質量監測網絡，包括:常規污染物監測項目(SLAMS)、光化學評估監測站點網絡(PAMS)、PM2.5化學組分分析(CSN)網絡、國家空氣毒性趨勢監測站點網絡(NATTS)、特殊目的監測、糾紛和應急監測、大氣超級監測站。具體到SCAQMD，其下轄監測點作為 SLAMS、PAMS、NATTS和CSN等監測網絡的成員，監測要素設置因監測點類型不同而異。

根據中國區域性復合型大氣污染特征，應針對影響空氣質量的重點環境問題設立專項研究網絡，以便于今后開展空氣質量監測網絡的優化方法與技術研究［13］，進一步優化城市尺度監測點布局，科學調整點監測點監測項目。例如，在人口密度高、污染嚴重的城市監測點，建立光化學煙霧監測網絡;在農村區域建立酸沉降監測網、汞沉降監測網絡。整合監測資源和科研力量，充分利用監測數據開展重點環境問題的大氣環境科學研究，基于大氣污染形成機理為空氣質量管理提供科學支撐。

3.3 開展手工監測采樣和顆粒物化學組分分析

顆粒物監測為指導標準的實施提供信息(即辨識污染源，確認是否達標)，為健康效應、生態效應以及輻射效應的確定提供方法。在當前自動監測廣泛應用的背景下，歐美環境空氣監測中手工監測采樣和顆粒物化學組分分析依然是空氣質量監測中必不可少的內容［12］。在監測方法上，歐洲以重量法作為大氣顆粒物濃度的參比方法，同時廣泛應用自動監測方法，并形成完善的等效方法認證程序和校正系數使用規范［14］。美國對顆粒物化學組分的監測技術日趨成熟，監測結果有助于解釋大氣中各種污染物濃度水平成因，從而為污染物減排和空氣質量管理措施提供決策依據。FEM也得到了廣泛應用，美國現行PM2.5監測網絡中，微量震蕩天平法(TEOM)約占62%，β射線法為28%［15］。國內已有學者建議在部分城市試點開展PM2.5化學組分監測［3］。

考慮到顆粒物化學組分對于來源解析和源清單調查有重要指示意義，建議在環境空氣監測日常業務中逐步引入手工采樣和顆粒物化學組分監測，進一步增強環境空氣自動監測數據的可驗證性。

3.4 提升數據挖掘水平，服務管理決策

SCAQMD近期研究認為中國排放量的約1/5將會直接影響美國、歐洲和其他西半球國家［16］。但上述觀點更多是依靠先進技術手段、模型的模擬，有待于進一步數據支撐和檢驗。英國學者則認為，如果大氣遭受污染，北美的污染氣團可以越過海洋到達歐洲，歐洲的污染氣團向東繼續漂流，到達俄羅斯和亞洲。可這并不意味著歐洲一定會遭受美國的污染，或者亞洲會遭受遙遠西方的污染，因為大氣本身具有自凈能力［17］。

建議我國在環境空氣監測科研業務中深入挖掘監測數據，強化環境監測數據匯總分析［18］，與科研部門加強業務合作，綜合采用模型、模擬和實測值相結合的方法，得出有針對性的管理建議，進而提升為環境管理決策服務的水平。

4 結語

理想的空氣質量管理模式應當是以“空氣質量達標”為主要目標，由專業機構和人員對轄區的空氣質量進行統一管理，對存在以及潛在的問題做出及時反應的管理模式。SCAQMD在過去近40年間的環境空氣質量運行管理經驗非常值得我國借鑒和學習。我國現行的環境空氣質量監測面臨諸多挑戰和困難，涉及管理、技術、科研(污染特征、健康風險評估等方面)、業務、人才儲備等多方面的變革和創新。本文通過介紹SCAQMD的空氣質量監測現狀、監測網絡布局、顆粒物采樣方法和質量管理體系，綜合比較了現行環境空氣質量指數、管理架構和PM2.5考核方法，側重從運行管理角度提出了一些有利于空氣質量監測工作健康發展的建議，供管理者決策參考。

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