城市環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測優(yōu)化布點研究

楊會珠++徐曼++王建國

摘要： 簡要介紹了環(huán)境空氣監(jiān)測點位優(yōu)化布點的步驟、原則以及基本方法，包括功能區(qū)法、模擬法、數(shù)理統(tǒng)計法、綜合法和模糊聚類分析法。

Abstract： This paper briefly introduces the steps， principles and basic methods of optimization of distribution of ambient air monitoring points， including functional area method， simulation method， mathematical statistics method， comprehensive method and fuzzy clustering analysis method.

關(guān)鍵詞： 環(huán)境空氣質(zhì)量；自動監(jiān)測；優(yōu)化布點

Key words： ambient air quality；automatic monitoring；optimization of distribution points

中圖分類號：X831 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）23-0009-02

0 引言

城市與區(qū)域大氣污染形勢日益嚴峻，要掌握環(huán)境空氣質(zhì)量的現(xiàn)狀與變化趨勢，就必須開展環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測[1]。以盡可能少的監(jiān)測點位代表盡可能完整的空氣質(zhì)量，環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位布設(shè)及優(yōu)化是環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測非常重要的研究內(nèi)容。

1 環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測布點的基本步驟

環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測布點及優(yōu)化的基本步驟分為：確定監(jiān)測目標、劃定監(jiān)測范圍、歷史資料與數(shù)據(jù)的收集、確定監(jiān)測點位的類型、數(shù)量與代表范圍、監(jiān)測方案的設(shè)計與實施、監(jiān)測點位的管理與優(yōu)化。

2 環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測布點優(yōu)化的基本原則

代表性：城市環(huán)境空氣質(zhì)量評價點需能客觀、真實、全面地反映所在區(qū)域的環(huán)境空氣質(zhì)量狀況。

完整性：城市環(huán)境空氣質(zhì)量評價城市點應考慮城市自然地理、能源結(jié)構(gòu)、氣象等綜合環(huán)境因素，考慮工業(yè)布局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口分布等社會經(jīng)濟特點，在整體布局上反映城市主要功能區(qū)和主要大氣污染源的空氣現(xiàn)狀及變化趨勢，合理布局，各監(jiān)測點之間相互協(xié)調(diào)。

前瞻性：兼顧未來城鄉(xiāng)空間格局變化趨勢以及城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃考慮監(jiān)測點的布設(shè)。

針對性：堅持環(huán)境管理需求優(yōu)先原則，監(jiān)測數(shù)據(jù)是各項工作的基本依據(jù)，包括評價環(huán)境質(zhì)量、污染物排放狀況和各級政府環(huán)境保護工作成效等。因此，城市環(huán)境空氣質(zhì)量評價點位的設(shè)置應優(yōu)先滿足環(huán)境管理的需求。

連續(xù)性：為了保持監(jiān)測資料的連續(xù)性和可比性，原則上點位一經(jīng)確認，不應變更，除非有不滿足規(guī)范的理由。

經(jīng)濟成本最優(yōu)：資源和能源的不合理使用造成了環(huán)境污染，影響了社會經(jīng)濟的有序健康發(fā)展，環(huán)境問題的實質(zhì)是經(jīng)濟問題。同時，在決定監(jiān)測點位時，還需要考慮現(xiàn)場的實際情況，交通是否方便、電力是否具備、周邊環(huán)境是否有干擾等。

調(diào)整優(yōu)化后的城市評價點位能夠代表城市行政區(qū)劃改變后的污染水平，反映新的監(jiān)測覆蓋區(qū)域和功能區(qū)，確保能客觀反映城市區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量狀況、污染物特征及分布規(guī)律，能全面評估區(qū)域污染水平及污染發(fā)展趨勢。點位的調(diào)整要綜合考慮點位布設(shè)等具體實施工作的可行性，做到監(jiān)測點位理論上優(yōu)化、技術(shù)上可行、采樣相對方便、立足當前兼顧發(fā)展。

3 監(jiān)測點數(shù)量的確定

監(jiān)測點的數(shù)目設(shè)置是一個與精度要求和經(jīng)濟投資相關(guān)的效益函數(shù)，應根據(jù)監(jiān)測范圍大小、污染物的空間分布特征、人口分布密度、氣象、地形、經(jīng)濟條件等因素綜合考慮確定。在實際應用中，監(jiān)測點位的數(shù)目的多少即對應著人力財力的投入量，因此監(jiān)測點位數(shù)目的確定，應根據(jù)監(jiān)測范圍大小、污染物的空間分布特征、人口分布及密度、氣象、地形及經(jīng)濟條件等因素綜合考慮。

目前針對監(jiān)測點位數(shù)目的確定主要以定性方法為主，也有人提出一些定量方法，但是由于這些定量方法在建模過程中使用到一些理想化假設(shè)條件，往往限制了其應用范圍，一般只能作為一個參考，還需綜合考慮其他因素。

最優(yōu)監(jiān)測點位數(shù)量的確定，要求控制監(jiān)測點位的數(shù)量，但同時保證足夠的信息量，同時也要注意盡可能避免信息重復。監(jiān)測點數(shù)目的確定，需要綜合考慮當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展條件，大氣污染物現(xiàn)狀等多方面的因素。

目前有基于人口數(shù)量、污染程度和面積、功能區(qū)等方法進行監(jiān)測點位的確定。歐洲環(huán)保署（EEA）、世界衛(wèi)生組織、美國等對懸浮顆粒物、SO2、CO、NO2等多個項目根據(jù)人口數(shù)量而確定監(jiān)測點位數(shù)量，以最少的成本控制、最少的監(jiān)測點盡可能全面地反映整個地區(qū)的污染水平；國外還有以測區(qū)面積及污染程度為基礎(chǔ)的經(jīng)驗法，將污染超過年平均標準的地區(qū)、介于標準與本地水平之間的地區(qū)、本地水平地區(qū)三種，按照一定的公式計算所需要的監(jiān)測點位；功能區(qū)布點考慮城市點位較少，僅布三、四個點。

4 監(jiān)測布點優(yōu)化的基本方法

監(jiān)測點位優(yōu)化方法很多，通常采用功能區(qū)網(wǎng)格法、數(shù)理統(tǒng)計法、模型法以及綜合法等方法進行優(yōu)化。由于預測模型和預測精度對優(yōu)化布點工作的結(jié)果的影響較大，比較難以廣泛應用。近年來，又發(fā)展出了系統(tǒng)聚類法、模糊優(yōu)化、物元關(guān)聯(lián)分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，這些方法大多基于傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計模型，無法克服擾動的隨機性，對于一些非線性、非正太分布數(shù)據(jù)處理不理想。

最優(yōu)監(jiān)測點位的選擇必須考慮區(qū)域的氣象和地形地勢條件，使布點在地理上分布合理，布局均勻。監(jiān)測點位的選擇可以分為兩個步驟，包括污染物變化規(guī)律相同區(qū)域劃分、在劃分的各區(qū)域中選擇合適的監(jiān)測點。

監(jiān)測點位的設(shè)置應具有好的代表性，所設(shè)置的監(jiān)測點能反映一定范圍內(nèi)的大氣環(huán)境的空氣質(zhì)量現(xiàn)狀和變化規(guī)律：①布設(shè)的監(jiān)測點位應覆蓋全部監(jiān)測區(qū)，采點位應設(shè)在整個監(jiān)測區(qū)域的高中低不同濃度的地方，能合理反映區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量狀況、污染水平、污染規(guī)律；②點位設(shè)置應考慮環(huán)境本底因素，以及人口分布，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、工業(yè)布局等社會經(jīng)濟特點，分布相對均勻，覆蓋全部建成區(qū)；③區(qū)分不同類別功能區(qū)域空氣污染的現(xiàn)狀，注意點、線、面等污染源對城市人口集中區(qū)域的影響，工業(yè)集中地區(qū)、人口密度大的地區(qū)應適當多設(shè)置采點位；④兼顧完成城市自身所要求的空氣監(jiān)測任務(wù)。

4.1 功能區(qū)法

我國在環(huán)境監(jiān)測初期，都是采用功能區(qū)域的點位布設(shè)方法，該方法多用于一個城市僅考慮三、四個大氣監(jiān)測點位的情況下。但是，特定范圍內(nèi)，人類活動與該空間的空氣污染現(xiàn)狀之間關(guān)系不固定，各城市不具備可比性，因此對整個區(qū)域代表性就比較差。所以目前需要重新認識和研究該方法能否實現(xiàn)布點的優(yōu)化。

4.2 數(shù)理統(tǒng)計法

數(shù)理統(tǒng)計法利用統(tǒng)計的原理分析監(jiān)測布點的合理性和準確性，即假定了一個時間序列和空間范圍實際的大氣監(jiān)測結(jié)果與大氣污染的分布狀況和擴散存在時間、空間上的相關(guān)性。但由于實際監(jiān)測中點位布點和監(jiān)測頻次的局限性，決定了監(jiān)測結(jié)果的相關(guān)性較差，且沒有考慮污染源強度及環(huán)境條件的影響，因而有一定的不合理性。

4.3 模擬法

模型模擬的結(jié)果受污染源分布、污染擴散規(guī)律、氣象條件等環(huán)境條件多方面影響，同時還與模型模式的適用程度和模式方法選取等因素有關(guān)。掌握一個區(qū)域內(nèi)環(huán)境空氣的污染物分布情況是比較困難的工作，需要大量的監(jiān)測網(wǎng)格數(shù)據(jù)，模擬法在客觀環(huán)境要素等條件的獲取和具體模式的選擇和使用等方面都存在無法避免的數(shù)據(jù)缺失，難以提高模擬的精度和預測的準確度，做到通用有一定難度。

4.4 綜合法

綜合法能基本上解釋環(huán)境空氣質(zhì)量的時空變化特征，揭示大氣污染物濃度的變化規(guī)律。它考慮了影響環(huán)境空氣質(zhì)量的各種因素，用大量的實測數(shù)據(jù)來提高模擬結(jié)果的準確度，彌補其他環(huán)境條件信息的缺失。但該方法要求原始大氣監(jiān)測網(wǎng)的密度高，否則等值線無法建立，無法進一步深入分析，在具體操作上還是具有較大難度。

4.5 模糊聚類分析法

目前來說，最為常用的還是模糊聚類分析法，利用模糊數(shù)學方法進行數(shù)學處理更科學，它能有效解決評價標準的邊界模糊和監(jiān)測誤差對評價結(jié)果的影響。同其它方法相比，此方法原理簡單、計算量小，模型直觀，人為影響小，符合環(huán)境空氣監(jiān)測網(wǎng)格化點位布設(shè)的基本要求，同時也具有整體代表性。

5 小結(jié)

環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位布設(shè)涉及自然環(huán)境和經(jīng)濟社會生活的諸多方面，僅使用一種或幾種方法無法真實反映實際情況，而使用的方法過多又可能會使問題復雜化，不利于布點工作順利開展。因此可以采用以下原則開展點位優(yōu)化：根據(jù)不同的管理需要，多組合利用上述方法，也就是將這些方法以類型和次序為對象進行組合應用，以期達到理想的研究效果。

參考文獻：

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