基于大氣特征污染物的監(jiān)測布點(diǎn)選址優(yōu)化研究

秦怡雯，錢 瑜，榮婷婷 （南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023）

基于大氣特征污染物的監(jiān)測布點(diǎn)選址優(yōu)化研究

秦怡雯，錢 瑜*，榮婷婷 （南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023）

針對(duì)常規(guī)大氣環(huán)境監(jiān)測未能對(duì)局部特殊污染情況進(jìn)行表征的缺陷，提出基于特征污染物的監(jiān)測布點(diǎn)選址優(yōu)化方法:首先運(yùn)用綜合評(píng)分方法篩選區(qū)域大氣特征污染物，然后建立綜合了環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素的多目標(biāo)規(guī)劃模型，并通過模糊層次分析法計(jì)算各子目標(biāo)權(quán)重系數(shù)，最后應(yīng)用lingo軟件對(duì)模型優(yōu)化求解，得到最優(yōu)的監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)方案.以南京市仙林地區(qū)為案例研究的結(jié)果表明，基于大氣特征污染物的監(jiān)測布點(diǎn)多目標(biāo)模型能夠得到較合理的優(yōu)化點(diǎn)位布局，在3種情景中，選擇的最優(yōu)點(diǎn)位分別為25#、43#， 25#、43#、54#和25#、43#、54#、77#，為實(shí)際大氣環(huán)境監(jiān)測優(yōu)化布點(diǎn)提供科學(xué)指導(dǎo).

大氣特征污染物；環(huán)境監(jiān)測；優(yōu)化布點(diǎn)；多目標(biāo)規(guī)劃模型

在工業(yè)化和城市化進(jìn)程不斷加重城市大氣環(huán)境負(fù)擔(dān)的背景下，大氣污染問題正受到前所未有的關(guān)注和重視.大氣環(huán)境監(jiān)測是大氣環(huán)境保護(hù)和大氣污染治理的先導(dǎo)，能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地反應(yīng)大氣環(huán)境質(zhì)量及發(fā)展趨勢，而點(diǎn)位布設(shè)則是大氣監(jiān)測的第一個(gè)基本環(huán)節(jié).目前，進(jìn)行大氣監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)和優(yōu)化的方法可以歸結(jié)為經(jīng)驗(yàn)法、統(tǒng)計(jì)法［1］、模型法［2-3］和綜合法［4］.

鑒于大氣中污染物存在的時(shí)空變化規(guī)律，而城市大氣監(jiān)測點(diǎn)功能相對(duì)單一，隨著未來環(huán)境保護(hù)投入的不斷增加，在公眾關(guān)心的敏感地區(qū)和特殊時(shí)期設(shè)置一些短期或長期的監(jiān)測點(diǎn)位成為大氣質(zhì)量監(jiān)測的發(fā)展趨勢［5］.在開展這一類監(jiān)測工作時(shí)，必須根據(jù)區(qū)域污染特征和當(dāng)?shù)貙?shí)際的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，從多種污染物中選取主要特征污染物進(jìn)行監(jiān)測，以確保監(jiān)測因子對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境空氣質(zhì)量的充分代表性，克服針對(duì)常規(guī)污染物的大氣監(jiān)測難以滿足公眾了解詳盡環(huán)境空氣質(zhì)量狀況的需求.

本研究以南京市仙林地區(qū)為研究案例，針對(duì)區(qū)域內(nèi)亟待解決的突出大氣污染問題，通過篩選區(qū)域大氣特征污染物，綜合考慮區(qū)域內(nèi)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素，構(gòu)建多目標(biāo)規(guī)劃模型，計(jì)算獲得監(jiān)測布點(diǎn)優(yōu)化方案，為決策者提供更準(zhǔn)確、及時(shí)的大氣環(huán)境污染信息，從而更有效地進(jìn)行該區(qū)域的大氣環(huán)境保護(hù)與大氣污染治理工作.

1 基于大氣特征污染物的監(jiān)測布點(diǎn)選址優(yōu)化方法

1.1 監(jiān)測布點(diǎn)選址優(yōu)化方法流程

方法流程分為3個(gè)部分:第1部分為基礎(chǔ)資料的收集與處理，包括污染源分布、地形資料、氣象資料、用地類型等；第2部分以篩選出的特征污染物為基礎(chǔ)，構(gòu)建監(jiān)測布點(diǎn)多目標(biāo)規(guī)劃模型及其子目標(biāo)體系，并確定各子目標(biāo)權(quán)重系數(shù)；第3部分為模型的優(yōu)化求解，確定監(jiān)測點(diǎn)位的布局.方法流程如圖1所示.

圖1 基于大氣特征污染物的監(jiān)測布點(diǎn)優(yōu)化方法流程Fig.1 Method procedure for characteristic pollutants based optimization for atmospheric monitoring sites

1.2 特征污染物的篩選方法

特征污染物是指能夠反映環(huán)境中所存在的污染物中具有代表性的部分，能夠反映環(huán)境的污染程度，一般可以理解為含量較大的污染物或者是對(duì)環(huán)境質(zhì)量有較大影響的污染物，若某種污染物對(duì)人體的健康有很大的影響或危害，亦可將其視為特征污染物［6］.常規(guī)污染物大氣監(jiān)測主要從宏觀上反映大氣環(huán)境的污染程度，而特征污染物則能夠從微觀上反映局部特殊污染情況，篩選出最能表征區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的污染物，是區(qū)域大氣環(huán)境監(jiān)測的重要環(huán)節(jié).

特征污染物的篩選方法主要有:評(píng)分排序法［7］，Hasse圖解法［8］，潛在危害指數(shù)法［9］和綜合評(píng)價(jià)法［10］等.前3種方法通常用于衡量化學(xué)物質(zhì)本身的毒性和環(huán)境行為，在篩選區(qū)域特征污染物時(shí)，需綜合考慮化學(xué)物質(zhì)本身的性質(zhì)及其在環(huán)境中的殘留現(xiàn)狀.針對(duì)研究區(qū)域?qū)嶋H污染特征，構(gòu)建特征污染物篩選綜合評(píng)分體系，通過對(duì)各化學(xué)物質(zhì)分級(jí)賦分，按得分高低對(duì)各化學(xué)物質(zhì)排序.

1.3 大氣環(huán)境監(jiān)測布點(diǎn)方法

環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)位的布設(shè)通常要求盡可能準(zhǔn)確、完整地反應(yīng)環(huán)境的污染水平以及變化規(guī)律和趨勢，這一直是國內(nèi)外監(jiān)測布點(diǎn)研究的熱點(diǎn)問題之一，主要采用的方法可以歸結(jié)為經(jīng)驗(yàn)法、統(tǒng)計(jì)法、模型法和綜合法，目前較為常見的有物元分析法、密切值法和系統(tǒng)聚類法等.

上述方法雖各有特色，但均存在一定局限性，監(jiān)測布點(diǎn)的優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題，環(huán)境因子是布點(diǎn)方案優(yōu)選的決定性因素，而上述方法忽略了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素對(duì)布點(diǎn)方案的影響.為此，許多學(xué)者研究了在多個(gè)影響因素下監(jiān)測布點(diǎn)的優(yōu)化問題:Shei［11］構(gòu)建的工業(yè)園區(qū)大氣監(jiān)測點(diǎn)位選址原則有:化學(xué)物質(zhì)的檢出頻次，化學(xué)物質(zhì)的累積效應(yīng)，受工業(yè)園區(qū)的影響大小，監(jiān)測覆蓋面積，受保護(hù)人群.Tseng［12］提出大氣監(jiān)測點(diǎn)位應(yīng)布設(shè)在符合以下條件的位置:人口密集的區(qū)域，出現(xiàn)污染物濃度峰值的區(qū)域，污染物超標(biāo)率高的區(qū)域，經(jīng)濟(jì)顯著增長的區(qū)域，距離主要工業(yè)污染源近.而覆蓋北美洲3個(gè)國家（加拿大、美國、墨西哥）的4300個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位，其選取條件主要有:人口、機(jī)動(dòng)車數(shù)量、污染物排放密度、污染物濃度以及人口暴露指標(biāo)［13］.

本研究采用多目標(biāo)規(guī)劃方法來解決監(jiān)測布點(diǎn)優(yōu)化的復(fù)雜問題.多目標(biāo)規(guī)劃是運(yùn)籌學(xué)的一個(gè)分支，用于研究多個(gè)目標(biāo)函數(shù)在給定約束條件下的最優(yōu)化.在進(jìn)行決策時(shí)，決策者需要考慮多個(gè)相互補(bǔ)充或者是相互對(duì)立的目標(biāo)，通過構(gòu)建并求解多目標(biāo)規(guī)劃模型來解決這一類復(fù)雜的問題，能夠得到基本上滿足所有目標(biāo)的結(jié)果.多目標(biāo)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型如下:

hj（x） = 0， j=1，2， ……， q （4）

式中: ?1（x）， ……， ?m（x） （m≥2） 是m個(gè)目標(biāo)函數(shù)，ɡi（x）和hj（x）分別為i和j個(gè)約束函數(shù).

2 基于多目標(biāo)規(guī)劃優(yōu)化布點(diǎn)模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

大氣環(huán)境監(jiān)測的優(yōu)化布點(diǎn)需要統(tǒng)籌兼顧環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)各方面因素，這樣優(yōu)選出的方案才能更具有現(xiàn)實(shí)意義，本研究將目標(biāo)函數(shù)劃分為環(huán)境子目標(biāo)、經(jīng)濟(jì)子目標(biāo)和社會(huì)子目標(biāo)，如圖2所示.

構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)需兼顧環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)3個(gè)子目標(biāo)，滿足約束條件的同時(shí)，使得總目標(biāo)函數(shù)值最大，目標(biāo)函數(shù)可表示為:

式中:pi∈｛0，1｝，當(dāng)p網(wǎng)格被選中時(shí)取1，否則為0；zij第i個(gè)網(wǎng)格第j個(gè)子目標(biāo)值無量綱化后的標(biāo)準(zhǔn)值； Wj子目標(biāo)j的權(quán)重系數(shù)； n1最少監(jiān)測點(diǎn)數(shù)； n2最多監(jiān)測點(diǎn)數(shù)； Rab任意兩監(jiān)測點(diǎn)間距離； Rc監(jiān)測點(diǎn)間限制最小距離.

圖2 大氣環(huán)境監(jiān)測布點(diǎn)指標(biāo)體系Fig.2 Index system for optimization of atmospheric monitoring sites

2.1.1 環(huán)境子目標(biāo) 環(huán)境子目標(biāo)包括大氣環(huán)境綜合損失率、受工業(yè)污染源影響程度以及公眾大氣污染投訴量三項(xiàng)指標(biāo).

（1）大氣環(huán)境綜合損失率

污染損失率法是環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法的一種，利用污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的損害程度來進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，根據(jù)詹姆斯污染-損害曲線，即污染程度與污染物對(duì)環(huán)境的危害、損失關(guān)系呈S型曲線關(guān)系，當(dāng)污染損失在一定范圍內(nèi)隨著污染物濃度的上升迅速增加，當(dāng)污染達(dá)到一定程度，損失趨于平緩，第i種污染物對(duì)環(huán)境的污染損失率可表示為:

式中: Ci為第i種污染物的濃度； ai、bi為待定參數(shù)，由第i種污染物的特性確定.

從式（6）可以看出，Ri隨著Ci的增大而增大，且0＜Ri＜1.通常假定污染濃度為臨界濃度時(shí)，污染損失率為1%，污染濃度達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，污染損失率為99%，而極限濃度根據(jù)實(shí)際情況可取臨界濃度的5～20倍.設(shè)大氣中共有n中污染物，其對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量造成損失R，成為綜合損失率.在忽略各種污染物間的協(xié)同和拮抗條件下，綜合污染損失率可表達(dá)為:

（2）受工業(yè)污染源影響程度

一個(gè)地區(qū)的工業(yè)污染源對(duì)區(qū)域的環(huán)境空氣質(zhì)量影響較大，風(fēng)向及其風(fēng)頻往往是決定污染物濃度和影響范圍的關(guān)鍵因素之一.處于污染源下風(fēng)向，且距離污染源距離越近，則其受污染源影響越大.以污染源下風(fēng)向90°角扇形區(qū)域?yàn)槭苡绊憛^(qū)域，并以距離污染源距離劃分受影響程度.

（3）公眾投訴量

公眾投訴量反應(yīng)了公眾對(duì)該區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的滿意程度，能夠間接反應(yīng)該區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量狀況.

2.1.2 經(jīng)濟(jì)子目標(biāo) 經(jīng)濟(jì)子目標(biāo)包括人均年收入指標(biāo)，研究表明，收入越高的群體的環(huán)境意識(shí)和支付意愿更高，則對(duì)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量的需求也更高［14］.

2.1.3 社會(huì)子目標(biāo) 監(jiān)測點(diǎn)位的選取需以保護(hù)最大限度地人口數(shù)量為目標(biāo)，特別關(guān)注區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)境敏感點(diǎn)的分布，如人口密集的學(xué)校、住宅區(qū)等.社會(huì)子目標(biāo)包括該網(wǎng)格人口總數(shù)和用地類型兩項(xiàng)指標(biāo).

2.1.4 標(biāo)準(zhǔn)化 由于屬性單位不同、數(shù)量級(jí)上的差異，難以對(duì)不同的子目標(biāo)指標(biāo)屬性進(jìn)行比較分析，這就需要把各指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，無量綱化并統(tǒng)一變換到［0，1］范圍內(nèi).對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行先行變換，其公式為:

式中: x’為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；x為原始數(shù)據(jù)；xmin為某指標(biāo)的最小值；xmax為某指標(biāo)的最大值.

2.2 約束條件

（1）確定最少和最多監(jiān)測點(diǎn)數(shù).理想的監(jiān)測點(diǎn)位必定是越多越好，然而在實(shí)際中，必須考慮一系列的現(xiàn)實(shí)條件.根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ 664-2013）［15］中的布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)的要求確定最少監(jiān)測點(diǎn)數(shù)，并根據(jù)經(jīng)濟(jì)成本約束確定最多監(jiān)測點(diǎn)數(shù).

（2）限制任意2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位的最小距離.相鄰監(jiān)測點(diǎn)距離太近可能會(huì)造成監(jiān)測信息存在冗余，這是對(duì)資源的一種浪費(fèi).合理確定一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測范圍，可以保證從最大程度上獲得有用的監(jiān)測數(shù)據(jù).

指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定是多目標(biāo)決策的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，權(quán)重系數(shù)的確定方法有專家調(diào)查法、Delphi法、層次分析法、TOPSIS法、信息熵法等.其中，層次分析法由于思路簡單，運(yùn)算方便，能夠與人們的價(jià)值判斷推理相結(jié)合，是實(shí)際應(yīng)用中使用最多的方法之一.

在運(yùn)用層次分析法構(gòu)造判斷矩陣時(shí)，由于主觀因素和客觀事物本身的模糊性和不確定性，運(yùn)用三角模糊數(shù)的形式給出判斷值更符合現(xiàn)實(shí)的情況.一般地，三角模糊數(shù)可記為M=（l，m，u），構(gòu)造的互補(bǔ)判斷矩陣中三角模糊數(shù)中值m的取值與Satty提出的1～9標(biāo)度相對(duì)應(yīng)［16］，模糊標(biāo)度（0.1～0.9）標(biāo)度法的含義見文獻(xiàn)［17-18］.對(duì)子目標(biāo)集合｛X1，X2，X3｝給出三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣，根據(jù)模型（9）求解［19］:

雖然在實(shí)際決策過程中所給的三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣往往并不是完全一致的，但在優(yōu)化模型中已引入偏差函數(shù)，且認(rèn)為目標(biāo)函數(shù)之間沒有偏好關(guān)系，故不需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)［18］.

模型（9）可利用LINGO軟件求解，文獻(xiàn)［20］給出的公式計(jì)算子目標(biāo)集合｛X1，X2，X3｝對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)｛ω1，ω2，ω3｝，α的值取決于決策者的風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度，當(dāng)α＞0.5時(shí)，稱決策者是追求風(fēng)險(xiǎn)的；當(dāng)α=0.5時(shí)，表示決策者是風(fēng)險(xiǎn)中立的；當(dāng)α＜0.5時(shí)，表示決策者是厭惡風(fēng)險(xiǎn)的.

2.4 模型求解

上述多目標(biāo)規(guī)劃模型屬0-1整數(shù)規(guī)劃模型，目前完全枚舉法是0-1規(guī)劃最普遍的解法，即檢查變量取值0或1的每一種組合，通過檢驗(yàn)每個(gè)解的可行性，但凡符合全部約束條件者均為可行解.但是完全枚舉法需要檢查2i個(gè)可能的解（i為決策變量的數(shù)目），當(dāng)變量較大時(shí)，計(jì)算量將相當(dāng)大.為了彌補(bǔ)完全枚舉法的缺陷，Balas在1965年提出了隱枚舉法，根據(jù)已有信息，自動(dòng)舍棄不可能成為最優(yōu)解的組合，從而大大減少了工作量.

本研究選擇lingo軟件運(yùn)用隱枚舉方法進(jìn)行優(yōu)化求解.

3 案例研究

研究區(qū)域位于南京市棲霞區(qū)東部，主要范圍北至312國道，西至繞城高速，東、南則以棲霞行政區(qū)為界，區(qū)域面積近34km2，人口約為28萬.研究區(qū)內(nèi)駐有12所知名高校，作為南京市重要的科技創(chuàng)業(yè)源、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地，該區(qū)域已逐步成為創(chuàng)新發(fā)展的“發(fā)動(dòng)機(jī)”和“智慧核”，區(qū)域?qū)哟渭鞍l(fā)展要求的提高對(duì)該區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量提出了更高的要求.研究區(qū)地理位置如圖3所示.

科室按照高、中、低年資結(jié)合原則開展品管圈活動(dòng)[2],協(xié)調(diào)7名護(hù)士和1名醫(yī)生參加此次活動(dòng),其中包括主任護(hù)師1名,副主任護(hù)師2名,主管護(hù)師2名,護(hù)師2名,醫(yī)生1名,并由主任護(hù)師擔(dān)任品管圈圈長,由護(hù)理部專人擔(dān)任品管圈輔導(dǎo)員。

隨著區(qū)域的建設(shè)和發(fā)展，研究區(qū)域內(nèi)工業(yè)企業(yè)已逐漸搬遷或關(guān)閉，但其周邊地區(qū)存在多個(gè)大型產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)（工業(yè)園區(qū)），產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以石油化工為主.由于特定的產(chǎn)業(yè)布局和區(qū)位條件，區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測參數(shù)（SO2、NO2、PM10、CO、O3、PM2.5和降塵等）得到的空氣質(zhì)量指數(shù)存在與公眾的直接感官及實(shí)際空氣質(zhì)量狀況不相符的現(xiàn)象，以工業(yè)惡臭為代表的污染情況在該區(qū)域具有明顯的地區(qū)特征且公眾反響較大，是公眾環(huán)境投訴的熱點(diǎn)問題.

3.1 區(qū)域網(wǎng)格劃分

以研究區(qū)域最南端點(diǎn)所在橫軸為正x軸，以最西端點(diǎn)所在縱軸為正y軸，建立地理坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系內(nèi)按1km×1km劃分網(wǎng)格單元，并以阿拉伯?dāng)?shù)字順序進(jìn)行編號(hào)，研究區(qū)域內(nèi)共劃分網(wǎng)格103個(gè)，如圖3所示.

圖3 研究區(qū)地理位置Fig.3 Location of study area

3.2 環(huán)境子目標(biāo)計(jì)算

3.2.1 大氣環(huán)境綜合損失率 針對(duì)區(qū)域內(nèi)突出的惡臭污染問題以及公眾對(duì)工業(yè)惡臭污染的投訴情況，通過對(duì)研究區(qū)域及周邊污染源生產(chǎn)工藝中可能排放的惡臭污染物及其排放量進(jìn)行調(diào)查，以污染物對(duì)大氣環(huán)境的影響，特別是污染物可能產(chǎn)生的惡臭污染，以及對(duì)人體健康的影響為篩選原則，運(yùn)用綜合評(píng)分法，構(gòu)建篩選特征污染物的評(píng)分指標(biāo)體系，針對(duì)不同區(qū)域的不同污染情況，評(píng)分體系可有所區(qū)別，本研究構(gòu)建的特診污染物篩選體系如表1所示.篩選出的特征污染物為硫化氫、磷化氫、氨、甲醛、苯系物（苯、甲苯、乙苯、間-對(duì)二甲苯、鄰二甲苯）、環(huán)己酮、乙酸和非甲烷總烴.

表1 特征污染物篩選評(píng)分指標(biāo)體系Table 1 Grading system for screening characteristic pollutants

針對(duì)選取的特征污染物缺乏監(jiān)測數(shù)據(jù)的問題，分別于6月和12月開展了2次為期15d的大氣特征污染物實(shí)測分析，測點(diǎn)位置見圖4，每天采樣4～7次.匯總各污染物濃度數(shù)據(jù)，特征污染物的標(biāo)準(zhǔn)限值暫無國家標(biāo)準(zhǔn)，故查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中目標(biāo)特征污染物的濃度限值，且優(yōu)先選用現(xiàn)有環(huán)境管理中較為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)（表2），以標(biāo)準(zhǔn)限值為極限濃度，以標(biāo)準(zhǔn)限值的10%濃度為臨界濃度，利用ArcGIS中IDW（反距離加權(quán)）工具計(jì)算各網(wǎng)格大氣環(huán)境綜合損失率，如圖4所示.

表2 污染物標(biāo)準(zhǔn)濃度限值Table 2 Limited value of characteristic pollutants

圖4 6月和12月大氣環(huán)境綜合損失率分布Fig.4 Distribution of comprehensive loss of air quality in June and December

3.2.2 污染源影響程度 研究區(qū)域全年最多風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)（E），其次是東東北（ENE），春夏主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，秋冬主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，以區(qū)域及周邊主要工業(yè)污染源東北風(fēng)向下風(fēng)向90°角為污染源影響范圍，以距離污染源3km、6km、9km及9km以上劃分不同受影響程度［27］，分別為主要受影響范圍、次要受影響范圍、可能受影響范圍和基本未受影響范圍，如圖5所示，依次賦值3、2、1和0分.

3.3 經(jīng)濟(jì)子目標(biāo)及社會(huì)子目標(biāo)

3.3.1 經(jīng)濟(jì)子目標(biāo) 根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的住宅成本，以南京市2013年城市房價(jià)收入比值9.1為基準(zhǔn)［28］，估算該網(wǎng)格人均年收入值.

3.3.2 社會(huì)子目標(biāo) 研究區(qū)內(nèi)用地類型主要有空地、學(xué)校、住宅用地、商業(yè)用地和工業(yè)用地等，研究區(qū)中部主要為學(xué)校和住宅用地，工業(yè)用地主要分布于研究區(qū)的西部以及東部，且西部主要分布多數(shù)小型零散工業(yè)污染源，對(duì)區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量影響較大的工業(yè)污染源分布于區(qū)域東部及北部.人口的分布與用地類型有關(guān)，學(xué)校、居住區(qū)的人口密度遠(yuǎn)高于商業(yè)用地及工業(yè)用地，學(xué)校及住宅區(qū)域最高人口密度已超過1.1萬人/km2.利用ArcGIS軟件對(duì)可以研究區(qū)人口分布情況及用地概況進(jìn)行可視化表達(dá)，如圖6所示.統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格的人口數(shù)量，并根據(jù)網(wǎng)格的用地類型進(jìn)行賦值［29］，見表3.

3.4 子目標(biāo)權(quán)重系數(shù)計(jì)算

圖5 受污染源影響范圍Fig.5 Sphere of influence of pollution sources

表3 用地類型賦值分?jǐn)?shù)表Table 3 Grades for land use types

對(duì)子目標(biāo)集合｛X1環(huán)境子目標(biāo)，X2經(jīng)濟(jì)子目標(biāo)，X3社會(huì)子目標(biāo)｝給出三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣為:?

圖6 研究區(qū)人口分布及土地利用概況Fig.6 Distribution of population and land use types

利用LINGO軟件求解模型（9）可得:

顯然對(duì)于任意的0≤α≤1，都有ω1＞ω3＞ω2.本研究取α=0.25［30］，則有ω1=0.35，ω2=0.13，ω3=0.22，即環(huán)境子目標(biāo)、經(jīng)濟(jì)子目標(biāo)、社會(huì)子目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分別為0.35、0.13和0.22.

3.5 結(jié)果與討論

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ 664-2013）［15］中布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)的要求確定研究區(qū)內(nèi)的最少監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目為2，根據(jù)資金投入限制，確定最多監(jiān)測點(diǎn)數(shù)為4，并規(guī)定任意相鄰的網(wǎng)格不能同時(shí)被選中.

（1）當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)為2時(shí)，選擇的網(wǎng)格為25#和43#網(wǎng)格；（2）當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)為3時(shí)，選擇的網(wǎng)格為25#、43#和54#網(wǎng)格；（3）當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)為4時(shí)，選擇的網(wǎng)格為25#、43#、54#和77#網(wǎng)格.

當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)為2時(shí)，選擇的25#和43#網(wǎng)格均位于污染源下風(fēng)向且網(wǎng)格人口密度較高；當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)為3時(shí)，增加了中部的54#網(wǎng)格，54#網(wǎng)格為學(xué)校區(qū)域，人口密度高且屬大氣環(huán)境敏感點(diǎn)；當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)為4時(shí)，增加了西南角的77#網(wǎng)格，該網(wǎng)格為學(xué)校、住宅、商業(yè)綜合用地.

圖7 優(yōu)化布點(diǎn)示意Fig.7 Optimized locations for atmospheric monitoring sites in 3scenarios

選擇的25#、43#、54#和77#網(wǎng)格的用地類型主要包括學(xué)校、住宅用地和商業(yè)用地等，能夠覆蓋研究區(qū)內(nèi)人口較為密集的地區(qū)，關(guān)注研究區(qū)內(nèi)工業(yè)污染源對(duì)區(qū)域大氣環(huán)境的影響，為更多的公眾提供更為可信的大氣環(huán)境信息.由于條件限制，本研究對(duì)特征污染物環(huán)境損失的計(jì)算存在一定的不確定性，今后的研究中可通過污染源模式模擬計(jì)算來克服實(shí)測樣本的不足，以提高計(jì)算結(jié)果的有效性和合理性.同時(shí)，構(gòu)建多目標(biāo)規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)、約束條件也有待進(jìn)一步完善，以更好地為大氣環(huán)境監(jiān)測的布點(diǎn)優(yōu)化提供決策依據(jù).

4 結(jié)論

4.1 建立的基于大氣特征污染物的監(jiān)測布點(diǎn)方法，適用于區(qū)域大氣污染受周邊工業(yè)污染源較為突出、常規(guī)大氣監(jiān)測無法反應(yīng)區(qū)域特殊污染狀況的地區(qū)，對(duì)于在普遍城市范圍內(nèi)應(yīng)用，尚存在一定的局限性.

4.2 基于區(qū)域大氣特征污染物，建立了一套大氣監(jiān)測布點(diǎn)優(yōu)化方法，構(gòu)建了綜合環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三個(gè)子目標(biāo)的多目標(biāo)規(guī)劃模型，彌補(bǔ)了許多監(jiān)測布點(diǎn)方法只考慮單個(gè)環(huán)境因素的缺陷.三角模糊數(shù)用于子目標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定，一定程度上克服了人為主觀性的影響.

4.3 設(shè)置不同約束條件，多目標(biāo)規(guī)劃模型優(yōu)化可得到的布點(diǎn)方案是多樣的，這為決策者提供了多種選擇.案例研究結(jié)果表明，該方法能夠?yàn)閷?shí)際大氣環(huán)境監(jiān)測優(yōu)化布點(diǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)意義，優(yōu)選出的監(jiān)測布點(diǎn)方案能夠?yàn)闆Q策者提供更準(zhǔn)確、及時(shí)的大氣環(huán)境污染信息.

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Study on optimization of monitoring sites based on atmospheric characteristic pollutants.

QIN Yi-wen， QIAN Yu*，RONG Ting-ting （State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse， School of the Environment， Nanjing University， Nanjing 210023， China）. China Environmental Science， 2015，35（4）：1056～1064

Conventional air quality monitor has disadvantage in detecting specific atmospheric problems such as odor pollution. The paper established a multi-objective model combining environmental， economic and social factors to optimize air quality monitoring sites considering regional special pollution. Synthetic grading method was used to screen characteristic pollutants and fuzzy-AHP was used to calculate weight scores for environmental， economic and social effects. The multi-objective model for optimizing air quality monitoring sites established was applied to Nanjing Xianlin region as a case study. In 3 scenarios， 5#、43#， 25#、43#、54#and 25#、43#、54#、77#were selected.The results of optimized monitoring sites could provide scientific

for policy makers.

atmospheric characteristic pollutant；environmental monitoring；site optimization；multi-objective model

X831，X84

A

1000-6923（2015）04-1056-09

秦怡雯（1989-），女，江蘇蘇州人，南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院碩士研究生，主要從事大氣環(huán)境監(jiān)測與評(píng)價(jià)研究.

2014-07-31

國家“863”項(xiàng)目（2012AA063304）；江蘇省科技支撐計(jì)劃（BE2011694）

* 責(zé)任作者， 教授， yqian@nju.edu.cn