節能環保限制條件下大氣環境污染快速檢測技術研究

摘要：快速檢測技術能夠迅速響應環境污染事件，為應急處理提供關鍵信息，減少污染對環境和人體健康的危害。為此，研究一種節能環保限制條件下大氣環境污染快速檢測技術。選取洛陽作為本次研究區域，其次分析了PM₁₀、二氧化氮與二氧化硫的時濃度、日濃度、月濃度和季濃度變化特點，引入皮爾遜相關系數分析了氣象因素與污染物濃度之間的相關性，通過上述分析完成大氣環境污染快速檢測。通過實驗結果表明，該方法可有效檢測污染物在大氣環境中的變化特征，且獲取了污染物與氣象因素之間的相關關系，可有效完成大氣環境污染的快速檢測。

關鍵詞：節能環保；大氣環境污染；皮爾遜相關系數；污染檢測

中圖分類號：X511 文獻標志碼：A

前言

大氣環境污染問題對生態的可持續性與人類健康造成了嚴重的威脅，因此在節能環保限制條件下實現大氣環境污染的快速檢測，屬于目前亟需解決的問題。代佼等人分析了近年來研究區域的環境空氣質量監測數據，在小時、月度、季度和年度時間尺度的基礎上計算大氣環境質量綜合指數貢獻率，以此實現污染檢測，該方法沒有對監測數據展開預處理，數據中存在的異常值影響污染檢測結果。倪劍波等人在研究區域內設置了自動監測點，根據監測數據分析污染物在空氣中的時空特征，通過相關性分析實現污染檢測，該方法設置的監測點具有局域性，導致獲得的時空特征偏差較大，降低了檢測精度。張瑩等人對污染物與氣象因素之間存在的相關關系展開分析，根據分析結果建立HYS-PLIT模型軌跡聚類分析污染過程，完成污染檢測，該方法的相關性分析結果存在偏差，會對檢測結果產生影響。

為了解決上述方法中存在的問題，提出節能環保限制條件下大氣環境污染快速檢測技術。本次研究以洛陽作為主要研究區域，分析不同污染物的時變化特征、日變化特征、月變化特征和季變化特征，并通過皮爾遜相關系數法分析氣象因子與污染物濃度的相關關系，實現大氣環境污染物的快速檢測。

1大氣環境污染快速檢測方法設計

1.1監測內容

選取洛陽作為本次研究區域，根據洛陽空氣污染特征，布置大氣環境監測點展開連續監測，采集濕度、氣溫和大氣壓力等相關數據。

1.2儀器與材料

大氣環境污染檢測過程中所用的主要儀器包括高速離心機（湖南湘儀TG16-WS）、超聲水浴儀（美國Branson B2510E）、原子熒光儀（北京吉天AFS-9700）、超純水機（美國Millipore Simplicity UV）、智能中流量PM_2.5采樣機（青島嶗山電子儀器廠TH-16A）、恒溫恒濕箱（上海-恒科學儀器有限公司DHP-9052）等。

1.3樣品處理與檢測

稱重樣品質量，采用陶瓷刀取八分之一的濾膜將其剪碎放到離心管中，將10 mL硝酸溶液加入離心管內，并扣好螺旋蓋，置于70℃的水域超聲中，三小時之后取出離心管，在室溫環境下振蕩，完成上述操作后將離心機的轉速設置為4500r/min，將離心時間設置為5min，完成離心處理后，取試管中的上層清液。

1.4數據處理

將上述樣品處理結果輸入Excel軟件中，建立數據庫，類金屬、金屬元素以及細顆粒物濃度的分布呈非正態分布，通過SPSS 21.0軟件統計分析上述數據。

2大氣環境污染分析

2.1污染物時變化特征

污染物時變化特征見圖1。

由圖1（a）可知，上午六點至八點出現了PM₁₀的濃度極值，濃度在八點之后逐漸降低，中午又表現為上升趨勢，下午開始下降，其中最低值出現在下午兩點至五點之間，晚上七點至九點PM₁₀的濃度有所增加，十點之后的變化相對平穩，次日五點又開始增加。

二氧化硫的時變化特征與PM₁₀類似，但濃度峰值出現的時間相對較早，約為早上六點左右，之后濃度呈下降趨勢，八點左右濃度逐漸上升，在中午十一點左右出現第二次峰值，之后直線下降。

一天內二氧化氮出現了兩個濃度峰值，上午十一點左右出現第一個濃度峰值，下午六點至八點左右出現第二個峰值，在十二點至下午四點，二氧化氮的濃度相對較低。

綜合分析上述污染物的時變化特征發現，早上和上午三個污染物的濃度均較高，下午濃度最低，出現上述現象的主要原因如下：

（1）人群活動：人群在日間的活動強度通常大于夜間，上午七點至九點，下午六點左右屬于上下班高峰，因此污染物在空氣中的濃度增加。但監測點的設置通常遠離交通干線，因此污染物濃度的變化情況具有一定的滯后性。上午十一點、下午六點至晚上八點，二氧化氮和二氧化硫均出現兩個峰值。上午十點至十二點，晚上七點至九點，PM₁₀出現峰值，上述數據表明，大氣環境質量受人群活動的影響。

（2）大氣層演化：地表長波輻射會影響地表在夜間的溫度，使其呈下降趨勢，在此環境下，與地面距離較近的大氣層溫度開始降低，進而生成了近地面負荷逆溫層。但人們在夜間的活動強度相對較小，降低了大氣環境中的污染物濃度。太陽升起后，地表溫度在太陽輻射的作用下逐漸升高，逆溫層此時逐漸抬升，污染物在此條件下的擴散難度加大。人群在日間的活動強度相對較高，排放的污染物也有所增加，導致大氣環境中的污染物濃度升高。上述情況會一直持續到上午，逆溫層在中午左右會消失，此時空氣垂直方向中存在的污染物發生擴散，致使濃度降低。

（3）風速變化：水平方向中污染物的擴散情況受風速大小的影響。洛陽市多為靜風、小風的氣候條件，污染物在上述氣候條件下的水平擴散強度降低。經調查發現，風速與污染物之間存在正相關關系，洛陽市風速的日變化特點如圖1（b）所示，在下午兩點至五點左右，風速達到峰值，表明水平方向中存在的污染物在此階段擁有較大的擴散速率，進而降低了污染強度。

（4）相對濕度：懸浮在空中的微小顆粒在相對濕度較高的情況下更容易附著在水汽上。當大氣穩定時，會有概率出現霧天，PM₁₀在霧天的濃度相對較高，分析圖1（b）可知，相對濕度的變化幅度相對較大，由此可知，PM₁₀濃度直接受相對濕度的影響。

2.2污染物日變化特征

洛陽市2021年-2023年的污染物日變化情況見圖2。

由圖2可知，PM₁₀、二氧化氮和二氧化硫的日變化趨勢相差較小，其中污染物在每年的一月和十二月達到峰值，在年中的濃度相對較低，分析圖2中的數據，得出如下結論：

（1） PM₁₀日濃度變化情況表現為中間低、兩端高的特點，在一月、二月、三月、十一月和十二月中PM₁₀的濃度存在較大波動，在四月至十月期間的變化相對平緩，2021年中，PM₁₀日濃度的最高值和最低值分別出現在三月和九月，2022年中，PM₁₀日濃度的最高值和最低值分別出現在十二月和十一月，2023年中PM₁₀日濃度的最高值和最低值分別出現在一月和八月。通過上述分析可知，洛陽市PM₁₀的污染情況逐漸加劇，PM₁₀的污染天數逐漸增多。

（2）二氧化氮的日變化特點與PM₁₀相似，其質量濃度在一月至三月，十一月至十二月期間的波動較大，剩余月份中的濃度變換較為平緩。2021年中二氧化氮日濃度的最高值和最低值分別出現在一月和十二月，2022年中二氧化氮日濃度的最高值和最低值分別出現十二月和八月，2023年中二氧化氮日濃度的最高值和最低值分別出現十二月和一月。洛陽市二氧化氮的污染程度逐漸增加。

（3）二氧化硫的變化較為明顯，呈現出中間平穩，兩端浮動的趨勢，在上述三年中，二氧化硫的濃度峰值出現十二月、一月和二月，濃度谷值出現在九月、六月和七月，二氧化硫的污染濃度逐年遞減。

2.3污染物月變化特征

污染物月變化特征見圖3。

分析圖3可知，PM₁₀、二氧化氮和二氧化硫的月濃度變化曲線呈U型，春季開始，污染物的濃度逐漸降低，在夏天或秋天達到濃度最低值，之后污染物在大氣中的濃度逐漸上升，在冬季達到最高值。分析2021年至2023年的PM₁₀月濃度變化情況發現，PM₁₀在大氣環境中的峰值均出現在一月，2023年八月為PM₁₀的濃度谷值。二氧化氮的月濃度變化情況與PM₁₀類似，濃度谷值為三年的七月，三年的濃度峰值分別出現在十二月、一月、一月。二氧化硫的月濃度變化趨勢相對較為明顯，七月出現了月濃度低值。

2.4污染物季變化特征

污染物季變化特征見圖4。

由圖4可知，三年內PM₁₀在大氣環境中的濃度逐漸增大，PM₁₀濃度在2021年和2022年的春天和秋天相對較高，夏天的濃度相對較低。二氧化氮在2021年-2023年之間的質量濃度變化較為平穩，但均超過了空氣質量二級標準，峰值和谷值分別出現在冬季和夏季，在三年中，二氧化氮的質量濃度呈直線上升趨勢。三年內二氧化硫在大氣環境中的濃度逐漸降低，峰值和谷值分別出現在冬季和夏季。

綜上所述，洛陽市污染物的季節性變化特征較為顯著，夏季的污染程度較低，冬季的污染程度較高。洛陽市空氣中存在的二氧化硫主要來源于冬季供暖和工業生產，洛陽市的供暖時間為十一月至三月，因此冬季二氧化硫的質量濃度相對較高，洛陽市亟需解決的問題是減少采暖期二氧化硫的排放量。

在城市化進程逐漸加快的背景下，洛陽市的基礎設施數量逐漸增多，在道路、建筑施工過程中會產生揚塵，加劇了洛陽市PM₁₀的污染程度。同時構成大氣污染的污染物也包括汽車尾氣和工業廢氣等。夏季和春季的風速相對較大，污染物在此條件下更容易發生擴散，同時在大風環境中也會產生揚塵，影響了顆粒物在大氣環境中的濃度。

化石燃料的使用量在冬季增多，同時冬季具有低溫度和干旱少雨等氣候，減弱污染物的擴散，進而加重了大氣污染程度。夏季使用的化石燃料減少，且降雨頻率相對較高，大氣污染程度降低。

2.5相關性分析

在節能環保限制條件下大氣環境污染快速檢測技術采用皮爾遜相關系數對氣象因素與污染物濃度展開相關性分析，皮爾遜相關系數p的計算公式如式（1）：

分析表1中的數據可知，風速與PM₁₀和二氧化氮濃度之間呈負相關，相關性較強，與二氧化硫濃度之間的負相關顯著性相對較弱，污染物在風速增大的情況下會加快擴散。氣壓與上述污染物之間均屬于正相關關系，且相關性較強，風速在氣壓增大的情況下不斷增大，加快了大氣污染物濃度稀釋的程度。氣溫與上述污染物之間屬于負相關關系，相關性較強，大氣層結穩定度在地面溫度升高的情況下會逐漸降低，此時污染物在近地層中的濃度隨之下降。水汽與上述污染物之間呈顯著負相關關系，水汽壓在水汽增多的條件下逐漸升高，大氣在此氣候條件下發生凝聚的概率增大，進而降低了大氣環境中的污染物濃度。平均相對濕度與二氧化硫之間存在顯著的負相關。

3結束語

快速檢測技術可有效檢測到污染物在大氣環境中的濃度以及污染物種類。由此，文章研究一種在節能環保限制條件下大氣環境污染快速檢測技術。通過設計大氣環境污染快速檢測方法，分析污染物時變化特征、日變化特征、月變化特征和季變化特征。由實驗分析可知，PM₁₀、NO₂和SO₂的濃度在一天內均呈現出顯著的時變化特征，PM₁₀、NO₂和SO₂在冬季（一月和十二月）的濃度較高，夏季和秋季濃度相對較低。洛陽市污染物的季節性變化特征明顯，月濃度變化曲線均呈現U型，冬季濃度高，夏季濃度低。風速與污染物之間呈顯著負相關，與此相反，氣壓和氣溫與污染物濃度之間呈正相關。由此驗證了所提方法可以快速檢測大氣環境污染，具有一定的實用性。