空氣質量監測點位布設現狀及優化布點研究

杜增榮

(山西省忻州生態環境監測中心，山西 忻州 034000)

引 言

環境監測指對影響環境質量因素的代表值的測定[1]。進行環境監測，了解環境水平，是開展一切環境工作的前提。大氣污染監測是測定大氣中污染物的種類及其濃度。大氣質量監測是對大氣中主要污染物進行布點采樣、分析，觀察其在某地區時空分布和變化規律。目前，環境空氣監測點位布設中采用的方法很多，且絕大多數主要從全國大多數平原城市的特點出發而制定的，關于山地區域空氣質量監測點位布設的具體要求甚少。然而，山地城市有著與平原城市不一樣的地形地貌和氣象條件，固然不能簡單地照搬照套絕大多數的環境空氣質量監測點位布設方法和標準。為此，隨著環境保護意識的加強，為了解決山地區域和平原地區數據可比性的問題，迫切需要針對山地區域的特點進行點位布設技術研究，以期為環境管理提供技術支撐的目標明確性，提高環保治理資金的使用效率。

1 國內外監測網絡現狀分析

環境監測工作最基本的是代表性，即監測數據可以代表、反應某地區某一類環境質量狀況。監測點位的選擇是體現代表性的重要步驟和關鍵環節，是完成監測目的和保證數據具有代表性的重要工序之一。目前，國內外在空氣質量監測網絡優化方面做了大量的研究。

1.1 國外監測網絡設計概況

目前，美國、歐洲和日本等發達國家網絡站點的布局都采取了一系列的優化技術來確定。美國已經建立了一個從地方、州以及國家層面，包括PAMS監測網、有毒氣體監測網、NCore監測網、PM2.5監測網等，支持光化學煙霧、氣溶膠形成等的全方位空氣質量監測網絡[2]。歐洲已經建立了涵蓋大部分地區的跨國區域監測網絡(EMEP)，其負責定期測量和報告空氣污染物排放量、濃度和沉積情況，還計劃涉足近地面O3的形成以及研究持久性有機污染物(POPs)；目前，EMEP已將關注度聚焦在鄉村和背景區域的監測上[3]。日本正逐步發展并建立了覆蓋全國范圍的國家監測網絡，實時監控日本大氣環境主要污染物的濃度、轉化和遷移過程。東南亞地區12個國家(包括中國)建立了覆蓋整個東亞地區的跨邊界空氣質量監測網絡等。

1.2 國內監測網絡現狀分析

進入21世紀以來，我國環境空氣自動監測技術不斷發展，全國各地環境監測站相繼開展了大氣環境監測優化布點研究，國家大氣背景站及空氣自動站等自動監測網逐步建成和完善，以應對日益嚴峻的大氣污染形勢。沈陽市環境監測中心站、太原市環境監測站等開展了數理統計方法，遼寧省環境監測中心站等利用綜合布點方法及反饋控制理論，齊齊哈爾市環境監測站等利用大氣擴散模型等優化監測點位布設。

近年來，北京、山西等利用基激光雷達掃描及天基衛星遙感反演等用于區域大氣環境監測點位優化布設，為區域空氣質量監測網絡方向發展提供了基礎。隨著我國經濟規模的迅速擴大和城市化的快速發展，污染物在城市間的輸送轉化以及機動車的持續迅猛增長，區域性復合型大氣污染特征逐漸凸顯，現有空氣質量監測網絡已不能滿足研究大氣復合污染的需要，且山地城市污染物擴散條件和城市功能區分布等也不盡相同，保證空氣監測點位的代表性，監測數據代表性的增強，從而為區域性大氣污染聯防聯控提供技術支撐是十分必要的。

2 空氣質量監測網絡設計方法

空氣監測點位的選擇實際上是一種抽樣。從上世紀六七十年代開始，各國研究人員就對常規監測、交通監測、工業區監測等一系列不同目的的監測網絡做了研究，以考慮選取的樣本如何能夠更好更全面地反映總體。目前，隨著對大氣污染研究認識的深入及科技的快速發展，為了設計出高效、代表性好、目的性強的空氣質量監測網絡，研究者開發了一系列的方法模型用于監測點位布設優化工作。這些方法可以歸類反映相同污染物變化特征的監測點，較好的實現了監測數據的代表性、準確性、精密性和完整性。具體如圖1所示[4]。

圖1 常用的空氣質量監測網絡設計方法

其中，聚類分析在大氣環境監測點位優化領域有廣泛的應用，一般主要采用最長距離法和最短距離法，同時由于大氣環境監測污染物的數據量往往很大，為有效解決評價標準邊界模糊和監測誤差對評價結果的影響，往往采用模糊聚類法。模糊聚類法以網格點的實測資料為基礎，利用模糊優選模型，結合布點原則確定最優點位。由于影響優化布點的因素較多，利用模糊聚類法原理簡單、計算量小，較為實用，易于推廣。

在環境領域應用比較多的是因子分析中的主成分分析法(PCA)，即用較少的綜合指標來代替原來較多的指標，降低了數據分析的復雜度和難度。

環境監測是通過采集部分樣品來表征全體環境污染信息，然而在實際工作中，往往可能有些站點的代表區域有所重疊。相關分析法就是對不同監測點位監測數據進行相關性分析，得到相關系數(一般選擇R2>0.75)，使不同的站點代表不同的監測區域，從而進行較為準確的定量判斷決策。相關性分析方法的原理及操作都十分簡便，但實際上閾值不易確定，且往往帶有很大的主觀性，且有時監測數據濃度較大值往往會掩蓋較小值的變化特征，因此在實踐操作中需要特別注意。

環境監測點位優化工作中多數情況是針對多項污染物的優化，使用物元分析法對多種污染物進行綜合評價，為解決環境監測多指標優化分析問題提供了可能，但是在多指標權值分配上更多是依靠對環境污染現狀的評價。

BP網絡具有自組織、自學習和自適應能力，且算法簡潔，運算速度快，能夠較好的處理多因素間非線性權值分配問題，因此，此方法具有普適性和實用性。然而，BP網絡雖然只需要各級標準值樣本訓練BP網絡，選出的測點有較好的客觀性和代表性，且對監測樣品較少的案例解析結果也較好，但是人工神經網絡也存在拓撲結構選擇的問題[5]。

Shannon信息指數法能夠較好的處理多因素間非線性權值分配問題，但是對監測數據較大的情況，處理過程復雜，計算量大，因此在實際應用中需要特別注意。

多目標規劃是運籌學的一個重要分支，可以實現兼顧環境、社會、經濟等多個領域目標下的大氣環境監測點位優化工作的目標。

綜合法考慮了各種影響大氣環境質量的因素，可以彌補其他環境條件資料的不足，但是該法要求原始大氣監測網的密度不能太低，否則很難解釋大氣污染的時空特征及其變化規律。

3 空氣質量監測網絡優化布點

3.1 方法的選擇

本研究綜合考慮各種方法的分析處理過程和適用性，選擇聚類分析法對網格監測數據進行點位布設的優化分析，以試著解決山地區域和平原地區數據可比性的問題。

3.2 遵循的基本原則

目前我國的環境質量監測網絡是由政府部門組織建設的，即政府是實施環境監測管理的重要措施和組織形式。環境監測網絡是將原相互獨立的監測點(或斷面)，組成能按統一的技術規則運行的系統。空氣質量監測網絡優化布點的基本原則如下：

1) 目的性。也就是說，根據不同的監測目的而選擇不同的點位，沒有明確目的的網絡不可能是有效運行的網絡[6]。即任何類型、空間尺度的網絡和點位的設計和優化必須以一定的監測目的和功能屬性為依據，堅持目的性原則。

2) 層次性。由于不同級別網絡的監測點位分布精度和幅度不同，而我國不同地區自然環境、經濟條件等差異較大，故需要根據轄區環境管理需要和能力確定空氣質量監測網絡。

3) 代表性。網絡是由一定數量的點位組成的，為了保證網絡監測能真正、客觀、科學地評價區域空氣質量，組成網絡的點位必須具有明確的代表性，才能保證網絡目的的實現。

4) 完整性。主要指地理空間和時間的完整性。也就是說，為了全面的反應監測區各污染物濃度變化及大氣環境質量，網絡布點必須能全面地代表監測區域空氣質量的區域特征，能完整地表征整個評價時段內(如年度)的空氣質量特征。

5) 可行性。受經濟和能力水平等主要制約因素的限制，網絡設計的科學性必須建立在可行性的基礎上。如有的省組建的空氣質量監測網只能包括地級城市，而有的地勢地形較好、經濟比較發達的的省市，其空氣質量自動監測網覆蓋面較全。也就是說，目的性、代表性、完整性只能是有限的，將需要和可行完美結合才是成功而科學的設計和優化。

6) 行政區劃。我國的環境質量監測網絡基本性質是帶有較強行政職能的業務協作體系。為了滿足我國行政管理的要求，除了結合自然環境條件、經濟條件等因素，需要考慮在區域的每個行政市布設一個及以上的監測點，以為在國家層面上管理大氣環境質量提供基礎支撐。

3.3 優化布點的程序

利用模糊優選模型，結合空氣質量監測網絡優化布點的基本原則，空氣質量監測網絡優化的基本程序分為以下六個步驟，如圖2所示。

圖2 空氣質量監測網絡優化的基本程序

其中，現狀調查的基本內容應包括區域近5年至10年的氣象特征，人口分布情況，區域的地理地形特征、土地利用狀況，城市功能區分布，污染源評估，歷史空氣質量狀況，區域經濟、社會和城市建設發展規劃等。監測網格一般在城市區為2 km×2 km，郊區可以為4 km×4 km，且監測結果應繪制成濃度網格分布圖。而且，由于影響條件的不斷變化，應每年進行一次網絡目標的審核，審查代表性和完整性等。

4 結論

綜上所述，進行環境監測，是開展一切環境工作的前提。目前，環境空氣監測點位布設中采用的方法很多，且絕大多數主要從全國大多數平原城市的特點出發而制定的。然而，隨著環境保護意識的加強，為了解決山地區域和平原地區數據可比性的問題，迫切需要針對山地區域的特點進行點位布設技術研究，以期為環境管理提供技術支撐的目標明確性，提高環保治理資金的使用效率。