大气环境监测是个系统工程,而大气监测的布点则是大气监测的第一个基本环节。对大气监测的布点,特别是大气环境监测优化布点的研究,既是大气环境监测重要的基础技术研究,又是实现大气环境监测网络化、规范化的重要环节。合适的采样点加上恰当的采样时间及频率是取得有代表性监测数据的根本保证。因此,对大气监测布点问题的研究,仍是当前值得考虑的一项很重要的课题。
大气监测前所需了解的基本资料
1、污染源(包括流动污染源,诸如城市交通车流量的大小及其日变化规律)及其排放情况。要按功能区划(最好按网格统计),汇编出污染物排放的清单,还要关注较大的高架污染源的排放状况(包括排放源的高度、烟囱口直径、烟气排放速度及其温度;排放的污染物及其数量;污染物排放的时间规律等);小的污染源,又称面源,即低矮烟囱(通常指20米以下的烟囱),其排放污染物所占的比率。目前对污染物排放量的计算,基本上根据我国能源结构以燃煤为主的特点,而由燃煤所产生的污染物,特别是尘和二氧化硫,是煤烟型大气污染的根源,故通过了解燃料的类型、数量、组成,按污染源调查技术规范来计算其排放量;同样,根据生产工艺物料衡算关系了解该工程所排放的废气状况。应用等标污染负荷及等标污染负荷比进一步分析评价监侧区域内,大气中主要污染物是什么?主要污染源又在哪里?
同时,也要注意区别直接从污染源排放出的一次污染物和由于光化学反应产生的二次污染物。由于二次污染物是经过化学转化而形成的,其最高浓度可出现于距污染源一定距离处。例如:通过对西固地区的光化学烟雾的研究,进一步证明了西固地区的光化学烟雾污染确能顺风传输几十公里之远,甚至有时在下风向地区造成的污染程度比污染源地区还要严重。
2、气象资料,包括风向、风速、温度、湿度、降水量、日照时间以及温度梯度及逆温层底部高度的资料,特别是了解该地区主导风向、风频、风速的日变化以及贴地逆温、底层逆温的生消规律尤为重要。因为可以根据这些重要的气象因素来确定该监测地区的相对清洁点的位置,观测大气中主要污染物日变化,定出间断采样的频率及其分布,同时,也为防止出砚高浓度污染而采取相应的预防措越提供了科学依据。
3、地形资料。众所周知,地形对当地的风场结构和温度场特征有着重要的作用;对该区域中污染物浓度特征也有着较大的影晌。例如,兰州市城区,因其特有的河谷盆地地形,使其、季的静风率高和逆温层厚,是导致大气中有害物质不易扩散稀释的最主要气象因素;而以石油化工为主的兰州市西部盆地,复季日照强度大,太阳总辐射能月平均最大值约为1.6万卡/厘米2˙月,加上大气逆温层的存在,又是促使产生光化学烟雾反应的先决条件。这些情况在布点时,必须加以考虑。
4、健康情况与人口及动、植物资料。监测布点前,了解并收集监测地区人群、牲畜,乃至植物和材料等受大气中污染物所造成损害的资料,可感性的认识污染程度,有助于选择监测地点。人口分布资料,尤其是对评价居民受污染影响程度时,需进行大气污染流行病学调查,在若干个大气污染程度明显不同的居住区,如不同功能区划进行,是有着重要意义的。
5、以往大气监测资料。对要监测地区,收集其以往的大气监铡资料,汇编成表格或绘制成反映污染状况的图,也有助于对该地区大气污染程度作出初步估计。
值得指出的是,在进行大气污染程度比较时,必须注意采样和分析方法等方面是否有差异?监测期间的气象因素与源强变化情况如何?
通过上述对选择具有代表性的监测点加上适当的采样周期,就可获得足以代表某一区域的大气质量资料。
大气监侧的布点
大气环境监测点的选择是随研究目的、对象和具体条件(包括经济实力)不同而有差异。最理想的是优化布点,即用最少的投资,控制最少的监测点,就可获得最有代表性的大气环境质量信息,准确掌握其现状及其变化趋势。这也是目前国内外正在研究的课题之一。
延伸阅读：
1、采样点的数目。采样点的数目取决于监测范围的大小和污染物变化的程度。
1976年世界卫生组织推荐的监测点数见表1。
在美国,除按美国EPA经验公式计算城市平均测点数外,还通过估计现有监测数据的时空相关范围和了解污染源强度、气象资料,选择适当的大气扩散模式进行大气环填监测网的设计,然后再用实测数据验证完善模式。
在苏联,Zaitsev和Yankovskii于1977年提出一个具有50~100万人口的城市,设5~10个监测点,一个点的分布面积相当于10~20km2。在人口较多、地形复杂的或污染源数量很多的一些城市,建议每5~10km2设一个监测点。
在日本,大多采用统计学置信水平来确定需设置监测点的点数,其计算公式如下:
n=(CV)2˙t2/Pt
式中:n一需设置的监测点数;
t一根据确定的置信水平,监测点为n一1查t表所得的t值,
CV一浓度地域差,
P一总体均值与n个测点均值之间的误差%。
我国北京市空气质量系统布点利用已有的监测点密度为2~8km2的硫酸盐化速率数据所求得的浓度地域差为基础,应用上述日本提出的方法,控制均值误差在20~25%,计算出监测面积约20km2范围内,求出监侧点数n在7~9之间。
国内,一般沿用功能区布点、人为定点的方法进行。庄世坚1988年,从理论上(即通过随机布点法、按功能区随机布点法、按几何图形平均布点法以及分功能区策略布点法等的数字模式及其方差比较)证明了,在相同采样精确度下,分功能区策略布点法是最好的布点法,它所布设的采样点最少。因为这种布点法的建立思想是认为抽样研究的有效率取决于抽样总体的方差,即方差较大的总体应布设较多的采样点,方差较小的总体可以布设较少的采样点。在总监测采样点数目一定的条件下,适当选择各功能区的布点数,使样本的平均数的方差为最小。
中国环境监测总站于1985~1986年进行了“全国大气环境监测优化布点的研究”,提出了用超标率估计与控制浓度均值确定国控点(站)数目的方法,并通过系统工程中的整数规划方法,给出了国控站的最佳站位,又采用方差估计方法,参照世界卫生组织和美国EPA的方法,确定了国控站内测点数目以及我国各级环境监测站主要按人口密度设监测点数的技术要求。笔者认为,结合甘肃省实际情况,采用网格法测定大气中硫酸盐化速率数据求得浓度地域差为基础,应用统计学置信水平来确定监测点数目,同时,结合该地域的污染源排放与分布,又与功能区策略布点法进行综合权衡是一种比较理想的方法。
延伸阅读：
2、监测点的分布。监测点的分布要能够反映大气污染的浓度特征,因此,监测点位置应在根据总体计划所选择的地区范围内具有代表性,即有预期浓度最高、最低、中等以及背景浓度水平地区;监测点所取得数据应与其他同类监测点所取得的数据可比性,即各监测点之间设置条件尽可能一致或标准化;环境监测点布设一定要设法避开附近的干扰,即避免靠近污染源,监测点离居民小炉灶的烟囱应不小于25米,对较大的污染源其距离应适当加大,这取决于污染源排放高度与排放浓度;另外,监测点周围应开阔,远离表面有吸附能力的物体(如树叶或具有吸附能力的建筑物),测点的水平线与周围建筑物高度的夹角应不大于30°,监测点周围应有270°以上的自由空间,把监测点设在阳台上的办法是不可取的;在交通稠密区监测点应离开人行道边缘1.5米以远,对于研究污染物变化趋势的长期监测点,为保证监测数据的连续性与可比性,监测点的位置一经确定,不宜轻易变动;因此,此时确定监测点一定要避开将来会有较大程度重建或改变土地使用情况的地方,一定要了解本地域的规划发展。除此之外,还应考虑大气物理因素以及污染物活性。
3、大气采样的高度。Ott1977年提出设置采样器的高度为3±0.5米(收集不同高度空气质量数据除外)。Mianwaring和Harsha1975年对颗粒物分布高度的研究中,得出颗粒物浓度随高度而降低。当平均风速为8.5米/秒时,65米高处的数值为11米高处数值的33%,而当平均风速为0.9米/秒时,仅为12%。Pace等人1977年研究了美国7个城市31个点的悬浮颗粒物浓度,得出结论,在10米左右高度内平均浓度随高度而成递减变化,而在高度10米以上,悬浮颗粒物浓度变化不明显。
我国对不同高度大气中颗粒物浓度的研究结果表明,以前距地面1.5米(人的呼吸带)采样,会使结果偏高。主要是地面二次扬尘所致,特别对气候干燥的西北地区影响更大。在“大气环境污染监侧技木规范”中规定,对二氧化硫、氮氧化物、总悬浮微粒以及硫酸盐化江率的采样高度为3~15米;自然降尘的采样高度为5~15米。值得指出的是,各地区应根据自己的特点,通过深入进行不同高度大气中各种污染物分布特征的研究来确定较合适的采样高度,将能更好地掌握污染物的时空分布及其变化规律。
4、相对清洁点的选择。在进行大气环境监测时,不论采用哪一种布点方法,都必须设置一个或几个清洁对照点。选择相对清洁对照点,主要观测本地域不受污染监测地区影响的地点,最好能选在清洁的地方,如位于污染监测地区主导风向的上风向,且远离污染地区。对于河谷地区清洁对照点的选择,由于其特殊地形、地貌的影响,使在河谷盆地内的大气污染是区域的污染,即整个盆地区域大气均不同程度地受到了污染,甚至山峰顶部也不清洁了。因此,相对清洁对照点必须选在河谷盆地以外,在其主导风向之上风向的地区,且远离污染地区。同样,应采用预试验方法,从几个预测点的监测数据综合分析比较后,再确定本地区的大气监测相对清洁点的位置。
结语
作者列举了大气监测布点前所需收集污染源及其排放情况、气象资料、地形资料、健康情况与人口资料以及以往大气监测资料等方面的信息;介绍了国内外有关大气监测布点的概况,结合甘肃省实际情况,建议采用网格法测定大气中硫酸盐化速率数据,求得浓度地域差为基础,应用统计学置信水平来确定监测点数目,同时结合地域的污染源排放与分布,又与功能区策略布点法进行综合权衡,这是一种比较理想的方法。另外,对采样点的分布、大气采样的高度以及相对清洁点的选择等问题也提出了一些粗浅的看法,供同行们研讨时参考。
延伸阅读：
原标题：【环保技术】大气监测的布点问题
