太原市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)研究

鞏國(guó)麗，要 玲，任麗霞，羅錦洪

（1.山西能源學(xué)院，山西 榆次 030600；2.山西省生態(tài)環(huán)境保護(hù)服務(wù)中心，山西 太原 030000）

20 世紀(jì)中期，倫敦?zé)熿F等嚴(yán)重環(huán)境事件使得人們不得不關(guān)注環(huán)境空氣質(zhì)量，各國(guó)逐漸開(kāi)始對(duì)大氣環(huán)境實(shí)施監(jiān)測(cè)。我國(guó)也對(duì)城市等區(qū)域開(kāi)始了監(jiān)測(cè)，并于30 年前開(kāi)始了點(diǎn)位的調(diào)整[1-3]。

隨著城市的發(fā)展，城市的人口和規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市的功能布局和產(chǎn)業(yè)布局也處于不斷優(yōu)化調(diào)整的過(guò)程中，即城市的污染源分布也有所變化，為此原先的點(diǎn)位在數(shù)量和布局上也應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[4-7]。當(dāng)然這種優(yōu)化調(diào)整不是點(diǎn)位越密越好，而是應(yīng)基于人力、經(jīng)濟(jì)和點(diǎn)位最大代表區(qū)域來(lái)考慮，這也是點(diǎn)位優(yōu)化的意義所在。

點(diǎn)位調(diào)整經(jīng)常會(huì)用到一些分析方法，如模擬法[8-13]等。近幾年，研究者們多利用多目標(biāo)優(yōu)化方法來(lái)進(jìn)行點(diǎn)位優(yōu)化，這是因?yàn)?，該方法利用GIS 容易實(shí)現(xiàn)，且靈活度高，如王陸平等[14]就利用多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行過(guò)點(diǎn)位的調(diào)整。

1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量確定及優(yōu)化布點(diǎn)方法

1.1 確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量

近年來(lái)，太原市城市建設(shè)速度較快，根據(jù)《2017太原統(tǒng)計(jì)年鑒》（見(jiàn)第205 頁(yè)表1），截至2016 年底，六城區(qū)常住人口355 萬(wàn)人。依據(jù)點(diǎn)位數(shù)量設(shè)置要求，太原市監(jiān)測(cè)點(diǎn)位應(yīng)不少于10 個(gè)，且每50 km2～60 km2應(yīng)設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，因此太原市9 個(gè)國(guó)控點(diǎn)位（1 個(gè)清潔對(duì)照點(diǎn)）已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)有太原市城市發(fā)展和城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)要求，應(yīng)新增1個(gè)～2 個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位以便能更好地代表太原市環(huán)境空氣質(zhì)量。

表1 人口分布統(tǒng)計(jì)表

1.2 多目標(biāo)優(yōu)化分析方法

通過(guò)建立多個(gè)目標(biāo)函數(shù)及約束條件而進(jìn)行比較優(yōu)化的一種方法。

1.2.1 最大貼近目標(biāo)函數(shù)

本文的最大貼近目標(biāo)函數(shù)是指柵格點(diǎn)位的濃度均值與調(diào)整后點(diǎn)位濃度的差值最小。

1.2.2 約束條件

1）主要污染源約束。剔除環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)點(diǎn)位不能代表區(qū)域整體情況的重點(diǎn)污染點(diǎn)源及其周邊。

2）風(fēng)速約束。風(fēng)速的大小與污染物擴(kuò)散程度有直接關(guān)系。為更好突出能造成污染物濃度局部增大的情況，選擇風(fēng)速較低的可行點(diǎn)作為約束條件為F（x，y）≤2.18。結(jié)合太原氣候特點(diǎn)，選取2.18 m/s 為最低年平均風(fēng)速，m/s。

3）行政區(qū)約束。行政區(qū)約束是為了環(huán)境管理的方便，即太原市的每一個(gè)區(qū)縣都應(yīng)該至少有一個(gè)布點(diǎn)。

4）人口分布約束?？紤]到人為因素是污染物排放的主要因素之一，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相同的情況下，人口密度大的區(qū)域，污染物排放相對(duì)較大，為此將能夠大于第205 頁(yè)表2 中的人口密度限值的網(wǎng)格點(diǎn)作為備選布局網(wǎng)格點(diǎn)。結(jié)合每個(gè)區(qū)縣至少有一個(gè)點(diǎn)位的要求，在每個(gè)區(qū)縣內(nèi)確定每個(gè)柵格的最低人口密度（各區(qū)的每個(gè)柵格人口數(shù)除以各區(qū)人口總數(shù)），如表2 所示。

表2 各區(qū)人口密度限值

5）DEM 約束。海拔過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)影響布點(diǎn)對(duì)整體區(qū)域的代表性，太原市最高海拔為1 804 m，最低海拔為680 m，為此本研究最高和最低海拔的約束條件分別定為1300 m 和750 m。

2 結(jié)果與討論

2.1 太原市環(huán)境空氣質(zhì)量概況

2018 年，太原市市區(qū)環(huán)境空氣中各環(huán)境因子的年均質(zhì)量濃度值如下：ρ（PM10）=135 μg/m3，ρ（PM2.5）=59 μg/m3，ρ（SO2）=29 μg/m3，ρ（NO2）=52 μg/m3，O3日最大8 小時(shí)平均第90 百分位數(shù)質(zhì)量濃度為191 μg/m3，CO 日均第95 百分位數(shù)質(zhì)量濃度值為1.9 mg/m3。

利用9 個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，4 個(gè)市控監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，以及322 個(gè)微站（196 個(gè)城市點(diǎn)，96 個(gè)道路點(diǎn)，20 個(gè)企業(yè)點(diǎn)，10 個(gè)傳輸通道點(diǎn)）的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用Arcgis 的空間插值工具，得出太原市六區(qū)的空氣質(zhì)量空間分布如第206 頁(yè)圖1 所示。

從圖1 可以看出，除O3外，大部分污染物的空間分布特征基本一致，呈現(xiàn)西北部和東北部區(qū)域污染物濃度較低，南部區(qū)域污染物濃度高的趨勢(shì)。這是由于，太原市整個(gè)地形是北高南低的，全年盛行西北風(fēng)，重點(diǎn)污染源太鋼集團(tuán)位于上風(fēng)風(fēng)向，對(duì)南部區(qū)域的影響較大。此外，采暖等企業(yè)排放的污染物均隨風(fēng)擴(kuò)散至南部區(qū)域，致使太原南部污染物濃度值高。

圖1 太原市環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀空間分布圖

2.2 可行網(wǎng)格點(diǎn)范圍的確定

通過(guò)污染源排放清單得出，太原市重點(diǎn)大氣污染源有山西太鋼不銹鋼股份有限公司、晉能嘉節(jié)燃?xì)?、西山熱電、東山石灰石礦、太原二電、雙良鼎新水泥、獅頭中聯(lián)水泥、國(guó)電集團(tuán)太原一電、鑫瑋昌礦產(chǎn)品加工廠、西銘礦、西峪煤礦、官地礦選煤廠、祁家山石灰石礦等。選取上述太原市28 家企業(yè)作為重點(diǎn)污染源，利用Arcgis 的緩沖分析工具，得出26 家企業(yè)周?chē)?km 以?xún)?nèi)的圓形區(qū)域作為剔除網(wǎng)格（第206 頁(yè)圖2）。另利用Arcgis 軟件的空間分析工具分別得出風(fēng)速約束條件下（第206 頁(yè)圖3）、行政區(qū)和人口約束條件下（第206 頁(yè)圖4）和DEM 約束條件下（第207 頁(yè)圖5）的剔除網(wǎng)格范圍。最后進(jìn)行網(wǎng)格的反向選擇，得出可行的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)網(wǎng)格（第207 頁(yè)圖6）。

圖2 重點(diǎn)污染源約束下的剔除網(wǎng)格范圍圖

圖3 風(fēng)速約束條件下的剔除網(wǎng)格范圍圖

圖4 行政區(qū)和人口約束下的剔除網(wǎng)格范圍圖

圖5 海拔高度約束下的剔除網(wǎng)格范圍圖

圖6 太原市監(jiān)測(cè)布點(diǎn)可行網(wǎng)格范圍圖

2.3 最優(yōu)網(wǎng)格點(diǎn)的確定

在可行網(wǎng)格范圍內(nèi)利用目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行點(diǎn)位優(yōu)化。先根據(jù)公式，得出綜合評(píng)價(jià)濃度指數(shù)計(jì)算結(jié)果，再根據(jù)綜合濃度評(píng)價(jià)指數(shù)，利用建立的最大貼近目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算出最優(yōu)增加布點(diǎn)方案如第207 頁(yè)圖7 所示。

圖7 綜合濃度評(píng)價(jià)指數(shù)及最優(yōu)布點(diǎn)網(wǎng)格分布圖

由于1 號(hào)點(diǎn)與已有國(guó)控塢城站點(diǎn)距離很近，為此選擇2 號(hào)點(diǎn)和3 號(hào)點(diǎn)作為新增站點(diǎn)（經(jīng)緯度為112.597°E，37.887°N 和112.486°E，37.901°N）。此外，已有國(guó)控點(diǎn)有部分不在篩選后的可行網(wǎng)格范圍內(nèi)（圖8）。經(jīng)分析，澗河站點(diǎn)在重點(diǎn)污染源附近，建議將來(lái)進(jìn)行搬遷；晉源站點(diǎn)海拔較低，處于海拔高度剔除區(qū)域。此外，小店和南寨位于重點(diǎn)污染源剔除區(qū)域的邊緣，重點(diǎn)污染源對(duì)其影響尚小，建議保留。

圖8 環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)國(guó)控點(diǎn)與可行網(wǎng)格分布圖

3 結(jié)論與展望

以太原市2018 年的大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的各監(jiān)測(cè)站的污染物監(jiān)測(cè)濃度數(shù)據(jù)和污染源清單排放數(shù)據(jù)為研究的基礎(chǔ)資料，用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和模型模擬的方法研究了太原市的大氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。分析了太原市大氣污染物的時(shí)空分布特征，實(shí)現(xiàn)了太原市各監(jiān)測(cè)項(xiàng)和環(huán)境空氣質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)空間插值。并在此基礎(chǔ)上采用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)太原市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行優(yōu)化研究。此方法是在建立了最大貼近目標(biāo)函數(shù)，主要利用Arcgis 空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊計(jì)算而得，主要結(jié)論如下：

1）太原市西顆粒污染物超標(biāo)嚴(yán)重，二氧化氮和臭氧也有所超標(biāo)，二氧化硫和一氧化碳特定百分位數(shù)濃度達(dá)日均二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15-16]。從空間分布來(lái)看，太原市整體大氣環(huán)境西北部好于南部區(qū)域。

2）通過(guò)污染源排放清單得出：太原市重點(diǎn)大氣污染源有西山熱電、東山石灰石礦、太原二電、雙良鼎新水泥、獅頭中聯(lián)水泥、國(guó)電集團(tuán)太原一電、鑫瑋昌礦產(chǎn)品加工廠、西銘礦、西峪煤礦、官地礦選煤廠、祁家山石灰石礦等。

3）監(jiān)測(cè)布點(diǎn)約束法的求解結(jié)果總體上分布于太原市的海拔較高區(qū)域和重點(diǎn)污染源的周邊區(qū)域。

4）利用最大貼近目標(biāo)函數(shù)、多項(xiàng)約束條件函數(shù)和Arcgis 空間統(tǒng)計(jì)分析，得出了3 個(gè)新增點(diǎn)位，但是由于1 號(hào)點(diǎn)位于已有國(guó)控點(diǎn)位附近，為此建議選擇2 號(hào)點(diǎn)和3 號(hào)點(diǎn)作為新增站點(diǎn)。其中2 號(hào)點(diǎn)經(jīng)緯度為112.597°E，37.887°N，位于紡織廳宿舍附近；3 號(hào)點(diǎn)經(jīng)緯度為112.486°E，37.901°N，位于西興苑小區(qū)以西。

5）現(xiàn)有國(guó)控點(diǎn)位澗河點(diǎn)位位于重點(diǎn)污染源附近，不能較好代表太原市該區(qū)域的整體情況。因此，現(xiàn)有國(guó)控點(diǎn)位將來(lái)還需要優(yōu)化調(diào)整。

6）本文采用了太原市18 年的站點(diǎn)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)結(jié)果和空間插值方法的選擇可能會(huì)對(duì)結(jié)果的可靠性和真實(shí)性產(chǎn)生影響，需要進(jìn)一步研究多年監(jiān)測(cè)的平均狀況，使研究結(jié)果更可靠合理。

7）大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位優(yōu)化研究國(guó)內(nèi)尚少，只能參照相關(guān)的對(duì)其他城市的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)優(yōu)化研究的文獻(xiàn)，且模型函數(shù)的建立是基于太原市實(shí)際情況建立的，參數(shù)的選擇等會(huì)對(duì)本報(bào)告研究結(jié)果產(chǎn)生影響，接下來(lái)需要進(jìn)一步分析模型的效果。