大氣環(huán)境監(jiān)測布點方法及優(yōu)化研究

蒲慧曉

（連州市環(huán)境監(jiān)測站，廣東 清遠(yuǎn) 513400）

為了保障城市居民的知情權(quán)，近年來我國主要城市采取了實時公布環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）的做法，旨在讓城市居民、市場經(jīng)濟(jì)主體、相關(guān)社會部門等提前做好應(yīng)對機制[1]?；诖?，大氣環(huán)境監(jiān)測布點的選址顯得至關(guān)重要，科學(xué)合理的大氣環(huán)境監(jiān)測布點能夠更好地發(fā)揮應(yīng)急預(yù)警功能、實時監(jiān)測功能、數(shù)據(jù)采集功能等。

1 大氣環(huán)境監(jiān)測布點概述

1.1 大氣環(huán)境監(jiān)測布點的主要類型

我國大氣環(huán)境監(jiān)測布點有明確的國家標(biāo)準(zhǔn)，《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位布設(shè)技術(shù)規(guī)范》（HJ 664-2013）[2]（下文簡稱：《規(guī)范》）中將監(jiān)測點位劃分成五種類型。

1.1.1 環(huán)境空氣質(zhì)量評測城市點

環(huán)境空氣質(zhì)量評測城市點是以獨立城市空間為大氣環(huán)境監(jiān)測的基本單位，簡稱“城市點”。城市點是沒有統(tǒng)一規(guī)格的，可以按照一個城市的人口數(shù)量、建成區(qū)的面積等進(jìn)行靈活設(shè)定，同時，在大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的范圍上也比較靈活，一般來說，設(shè)置在最小為半徑500 m的范圍，最大為半徑4 000m的范圍。如果城市點的位置較為特殊，如西藏、新疆等地區(qū)，考慮到空氣中污染物成分單一、濃度較低，可以將監(jiān)測范圍擴大到4 000 m以外。

1.1.2 環(huán)境空氣質(zhì)量評價區(qū)域點

環(huán)境空氣質(zhì)量評價區(qū)域點是以特定區(qū)域作為大氣環(huán)境監(jiān)測的基本單位，簡稱“區(qū)域點”。區(qū)域點設(shè)定往往具有一定的針對性，如基于一個化工園區(qū)設(shè)置監(jiān)測點，或者根據(jù)一家企業(yè)污染的影響范圍設(shè)置監(jiān)測點[3]，區(qū)域點的半徑可以從幾千米到幾十千米不等，這主要取決于一定區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量和污染物的影響范圍。

1.1.3 環(huán)境空氣質(zhì)量背景點

《規(guī)范》指出，“以監(jiān)測全國范圍或較大范圍空間的大氣質(zhì)量的本底水平為目的而設(shè)置的監(jiān)測點”，簡稱為“背景點”。背景點的主要價值在于其可以提供對照，以獲得一定空間內(nèi)大氣環(huán)境質(zhì)量的相對值，因此，背景點的范圍是比較大的，基本保持在100 km以上。

1.1.4 污染監(jiān)控點

污染監(jiān)控點是以特定位置為基礎(chǔ)的大氣環(huán)境監(jiān)測基本單位[4]，通常而言，污染監(jiān)控點對于影響大氣環(huán)境的要素比較明確，如二氧化硫、氫氟酸等有害物質(zhì)的排放，可以專門針對這樣的污染物展開監(jiān)測?；诖?，其“特定位置”主要包括各類工業(yè)企業(yè)、污染處理節(jié)點、工業(yè)園區(qū)等，并且以污染監(jiān)測點為中心的半徑較小，一般保持在100～500 m左右，但也可以適當(dāng)放寬到500～4 000 m的范圍，這主要取決于污染源的排放高度，高度越低，監(jiān)測范圍的半徑越小，反之，如果高度越高則監(jiān)測范圍越大。

1.1.5 路邊閃通點

路邊閃通點大氣環(huán)境監(jiān)測布點主要是沿著閃通路線展開，監(jiān)測內(nèi)容是機動車作為污染源對于空氣質(zhì)量的影響，當(dāng)然從實際操作上看，并不能只考慮哪一段閃通空間的空氣污染嚴(yán)重，就在哪里設(shè)置監(jiān)控布點，而是要結(jié)合周邊人口的聚集情況、生產(chǎn)生活情況等進(jìn)行布設(shè)。因此，此類大氣環(huán)境監(jiān)控布點不做范圍要求。

1.2 大氣環(huán)境監(jiān)測布點的基本要求

鑒于大氣環(huán)境監(jiān)測布點類型的差異，在具體布設(shè)過程中，對單個監(jiān)測點提出的要求也存在區(qū)別。

1.2.1 城市點的基本要求

《規(guī)范》指出，城市點必須位于已建成的城區(qū)內(nèi)，在實現(xiàn)全面覆蓋的同時，確?？臻g上分布均勻；采取對城市加密網(wǎng)格點進(jìn)行實測的方式，要保障全部城市點所測得的污染物濃度平均值，與加密網(wǎng)格點實測污染物濃度總體平均值的誤差小于10%[5]。城市點是最主要的大氣環(huán)境監(jiān)測布點。

1.2.2 區(qū)域點與背景點的基本要求

這兩種監(jiān)測點主要用來反映宏觀大氣環(huán)境質(zhì)量，因此在布點過程中要遠(yuǎn)離污染源與主城區(qū)，按照《規(guī)范》要求，區(qū)域點應(yīng)該與污染源保持在20 km以上的距離，背景點可以放大到50 km以上。同時，這兩類監(jiān)測布點所設(shè)定的具體位置周邊不能受到外界或人為因素的過度干擾。

1.2.3 污染監(jiān)控點的基本要求

污染監(jiān)控點需按照污染物的成分、濃度、對環(huán)境及人體的危害、排放強度等設(shè)置，特別要關(guān)注的是主導(dǎo)風(fēng)向，旨在最大程度地捕捉污染源特征。同時，根據(jù)污染形成的季節(jié)性或周期性特點，可靈活地增加或減少污染監(jiān)控點。

1.2.4 路邊閃通點的基本要求

路邊閃通點按照一段閃通空間內(nèi)車流量大小、周邊人口密集程度、建筑物分布情況等綜合信息進(jìn)行設(shè)置，具體位置一般在閃通空間的下風(fēng)側(cè)。

1.3 大氣環(huán)境監(jiān)測布點的選址原則

1.3.1 堅持整體性原則

為了保障監(jiān)測的實時性與精準(zhǔn)度，在進(jìn)行大氣環(huán)境監(jiān)測布點的過程中必須要堅持整體性原則，尤其是在“城市點”的選址上，工作人員需要從全局角度考慮環(huán)境特征、空間布局、影響要素等。

1.3.2 堅持代表性原則

污染物排放的時間、影響的空間大小、濃度、毒害性等，監(jiān)測布點的代表性表現(xiàn)得越突出，對于大氣環(huán)境監(jiān)測及治理的效用就越高。

1.3.3 堅持前瞻性原則

為了保障監(jiān)測結(jié)果的連續(xù)性，一般情況下是不會更改位置的。這就需要堅持前瞻性原則，所設(shè)置的大氣環(huán)境監(jiān)測布點應(yīng)滿足未來需求。

2 大氣環(huán)境監(jiān)測布點方法研究

大氣環(huán)境監(jiān)測布點的功能中，既要滿足實時監(jiān)測的需要，同時又要能夠準(zhǔn)確、系統(tǒng)、全面地反映大氣污染的規(guī)律，所提供的數(shù)據(jù)具有預(yù)測價值，可用于指導(dǎo)大氣環(huán)境治理的趨勢[6]。以下結(jié)合“城市點”展開研究，分析大氣環(huán)境監(jiān)測布點的可行方法。

2.1 網(wǎng)格布點法

從環(huán)境工程學(xué)角度出發(fā)，網(wǎng)格布點法是大氣環(huán)境監(jiān)測中的一種常用方法，且非常適合“城市點”的篩選。以城市空間為基礎(chǔ)，在大致選定的大氣環(huán)境檢測區(qū)上劃分出網(wǎng)格，網(wǎng)格要求均勻分布、距離相等，且將網(wǎng)格中心的位置作為監(jiān)測布點。如果在網(wǎng)格上選定的“中心位置”在現(xiàn)實中無法實現(xiàn)，如位于閃通主干道上、建筑位置上等，可以選擇網(wǎng)格的直角線位置，旨在保障布點的代表性。

2.2 聚類分析法

聚類分析法的實用性高、適用范圍廣，在大氣環(huán)境監(jiān)測布點方面發(fā)揮了重要作用。所謂“聚類”，簡單地可以理解為按照相似度將一組對象劃分成若干類，在聚類完成后，改組對象呈現(xiàn)出的變化有兩個，其一是同一類對象中，數(shù)據(jù)的相似度比較高。其二，不同類的數(shù)據(jù)對象則表現(xiàn)出大相徑庭[7]。不難看出，聚類分析法的關(guān)鍵在于找到一組最合理的觀測值，或者稱之為不同指標(biāo)之間相似程度的“統(tǒng)計量”。將聚類分析法導(dǎo)入到大氣環(huán)境監(jiān)測中，得到的數(shù)據(jù)主要有“網(wǎng)格點實測數(shù)據(jù)”“監(jiān)測數(shù)據(jù)”及“模擬數(shù)據(jù)”，以模擬數(shù)據(jù)作為觀測值，尋求網(wǎng)格點實測數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)的最小距離點。

2.3 多目標(biāo)規(guī)劃法

多目標(biāo)規(guī)劃法是目前大氣環(huán)境監(jiān)測布點方法中較為優(yōu)秀的一種，該方法最契合大氣環(huán)境監(jiān)測布點選址的現(xiàn)實邏輯。其基本原理是，在特定的約束條件下（如城市空間范圍、人口分布等）保障多個目標(biāo)均處在最優(yōu)化狀態(tài)，例如保障實際監(jiān)測點數(shù)量最少的前提下，獲得最精準(zhǔn)、最全面的大氣污染監(jiān)測信息。相對應(yīng)的，這意味著利用多目標(biāo)規(guī)劃法需要考慮多重影響因素，例如在典型的工業(yè)城市空間中，需要考慮人口稠密區(qū)域的位置、污染物濃度峰值出現(xiàn)的時空規(guī)律、污染物超標(biāo)的集中區(qū)域、城市閃通等。但事實上，這并不會增加大氣環(huán)境監(jiān)測布點的工作量，利用運籌學(xué)、數(shù)學(xué)知識可以迅速解決目標(biāo)最優(yōu)化的問題，即在決策大氣環(huán)境監(jiān)測布點的具體地址時，決策者只需要考慮目標(biāo)的互補性及對立性即可，通過列出數(shù)學(xué)模型即可解決復(fù)雜的分析問題。假定在大氣環(huán)境監(jiān)測布點選址過程中，需要面臨m個目標(biāo)函數(shù)，則用gi（x）hj（x）作為i和j個約束函數(shù)。此外，“經(jīng)驗法”“統(tǒng)計法”“模型法”等也被廣泛運用在大氣環(huán)境監(jiān)測布點中。

3 大氣環(huán)境監(jiān)測布點的優(yōu)化策略

3.1 大氣環(huán)境監(jiān)測布點選址的優(yōu)化策略

立足具體的城市空間中，在哪里選擇監(jiān)測點是首先要解決的問題。根據(jù)多目標(biāo)規(guī)劃法分析，可以分成三個步驟：首先，要針對城市展開實地調(diào)查，掌握城市空間布局、地形材料、氣象數(shù)據(jù)、污染源分布等基礎(chǔ)信息。其次，確定具有代表性的污染源，再結(jié)合“基礎(chǔ)信息”劃分出子目標(biāo)體系（包括經(jīng)濟(jì)子目標(biāo)、環(huán)境子目標(biāo)、社會子目標(biāo)等），明確子目標(biāo)權(quán)重。

3.2 多目標(biāo)規(guī)劃下的監(jiān)測布點優(yōu)化

在優(yōu)化大氣環(huán)境監(jiān)測布點選址之后，要進(jìn)一步對監(jiān)測點本身展開優(yōu)化，即構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)與約束條件，以確保所監(jiān)測的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)具有代表性。在多目標(biāo)規(guī)劃下子目標(biāo)設(shè)置為“經(jīng)濟(jì)子目標(biāo)”“環(huán)境子目標(biāo)”和“社會子目標(biāo)”三類，那么監(jiān)測布點優(yōu)化的“總目標(biāo)函數(shù)”，就是三個子目標(biāo)同時滿足約束條件，所得到的的總目標(biāo)函數(shù)值最大，公式為Z代表的就是“總目標(biāo)函數(shù)值”，Zij中的i表示網(wǎng)格，j代表該位置（監(jiān)測點）的第j個子目標(biāo)無量綱化后的標(biāo)準(zhǔn)值。

3.3 子目標(biāo)優(yōu)化策略

利用多目標(biāo)規(guī)劃法進(jìn)行大氣環(huán)境檢測分布點優(yōu)化，最終的落腳點是“子目標(biāo)優(yōu)化”，在城市點中設(shè)定的子目標(biāo)分別為環(huán)境子目標(biāo)、經(jīng)濟(jì)子目標(biāo)和社會子目標(biāo)。

3.3.1 環(huán)境子目標(biāo)優(yōu)化

環(huán)境子目標(biāo)的主要指標(biāo)有三個，即為優(yōu)化對象。其中，大氣環(huán)境綜合損失率所反映的結(jié)果，其本質(zhì)是“污染物對環(huán)境質(zhì)量的損害程度”，可以用來判斷一定區(qū)域內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量。很顯然，大氣環(huán)境污染中的要素不止一種，對于大氣環(huán)境治理工作而言，需要抓住“主要矛盾”，即明確哪一種污染物對大氣環(huán)境的危害程度最大，然后有限治理，以達(dá)到優(yōu)化子目標(biāo)的目的。假設(shè)眾多污染物中第i種影響最大，其計算方式為該公式中Ci表示一組污染物中第i種的濃度，ai和bi則是待定參數(shù)，取決于該污染物的化學(xué)及物理特性；受污染影響程度、公眾投訴量等可靈活設(shè)定的指標(biāo)體系，越是靠近污染源的位置，對大氣環(huán)境的影響就越大、分?jǐn)?shù)也就越高。相對應(yīng)的，公眾對某一現(xiàn)象（如空氣刺激性、某個方向的污染源等）投訴越多、分值就越高。

3.3.2 經(jīng)濟(jì)子目標(biāo)優(yōu)化

優(yōu)化經(jīng)濟(jì)子目標(biāo)的主要手段是以一個城市的人均年收入為參照，判斷城市人口對于大氣環(huán)境監(jiān)測投入的態(tài)度。許多研究都表明，當(dāng)人均收入較高的情況下，人們的環(huán)保意識相對更強，考慮自身健康的需求，更愿意支付一定的成本用來改善生態(tài)環(huán)境。經(jīng)濟(jì)子目標(biāo)的具體優(yōu)化方式，需要結(jié)合城市網(wǎng)格分區(qū)的人口平均年收入，通過劃分不同城市空間的收入水平，決定在不同空間內(nèi)設(shè)置監(jiān)測點的數(shù)量與位置。

3.3.3 社會子目標(biāo)優(yōu)化

優(yōu)化社會子目標(biāo)主要依據(jù)總?cè)丝跀?shù)和用地類型兩個指標(biāo)。顯而易見，“社會效益”關(guān)注的是大多數(shù)人的公共利益（即“環(huán)境權(quán)益”），因此監(jiān)測點選取優(yōu)化的基本訴求，就是能夠最大程度地提高服務(wù)人口的數(shù)量，尤其是在一個城市空間中人口聚集的位置，如社區(qū)、學(xué)校等。在其他條件相同的情況下，有限選擇人口稠密地區(qū)設(shè)置監(jiān)測點。同時，用地類型也是值得關(guān)注的，在全面工業(yè)化進(jìn)程中，幾乎每個城市都有工業(yè)區(qū)、資源區(qū)等存在，“工業(yè)用地”區(qū)域產(chǎn)生大氣環(huán)境污染的概率更高，因此在相同條件下，有限地在城市空間中分布工業(yè)要素的位置設(shè)置監(jiān)測點。

4 結(jié)語

綜上所述，加強大氣環(huán)境治理是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要途徑之一。從現(xiàn)實維度出發(fā)，城市作為人口稠密空間對于大氣環(huán)境的敏感度很高，大氣污染顯然已經(jīng)成為制約城市生態(tài)、文化、經(jīng)濟(jì)等各項事業(yè)發(fā)展的主要因素之一。加強大氣環(huán)境治理、促進(jìn)空氣質(zhì)量改善是“十四五規(guī)劃”和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要環(huán)境保護(hù)方面的明確要求，也是我國推行生態(tài)文明戰(zhàn)略及踐行“兩山論”的應(yīng)有之義，而大氣環(huán)境監(jiān)測布點作為提供決策依據(jù)的重要手段，應(yīng)該直接納入到生態(tài)環(huán)境保護(hù)的必要環(huán)節(jié)中。