大型自然通風(fēng)奶牛舍空氣顆粒物濃度監(jiān)測(cè)方法中測(cè)點(diǎn)數(shù)和位置優(yōu)化

李永振 ，方志偉 ，魯煜建 ，梁 超 ,3，施正香 ,3，王朝元 ,3※

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083；3. 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心,北京 100083）

0 引言

規(guī)模化奶牛舍內(nèi)會(huì)不斷產(chǎn)生和聚集包括顆粒物（particulate matter,PM）在內(nèi)的大量空氣有害物質(zhì)[1-3]。人員和奶牛長(zhǎng)時(shí)間暴露在高濃度顆粒物環(huán)境中容易引發(fā)呼吸道感染和疾病傳播等健康問(wèn)題，影響生產(chǎn)效益[4-6]；顆粒物排放到舍外后對(duì)場(chǎng)區(qū)周邊環(huán)境造成污染，易引起投訴事件等[7-9]。因此，對(duì)奶牛舍顆粒物濃度水平進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和科學(xué)評(píng)估至關(guān)重要。但由于自然通風(fēng)奶牛舍空間大、舍內(nèi)環(huán)境變化復(fù)雜，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)布點(diǎn)提出了更高要求，如何通過(guò)盡可能少且科學(xué)的測(cè)點(diǎn)布置和成本投入來(lái)客觀反映牛舍顆粒物濃度水平，充滿挑戰(zhàn)。

目前關(guān)于奶牛舍顆粒物濃度的采樣監(jiān)測(cè)研究，主要通過(guò)單一布點(diǎn)或均勻布點(diǎn)的方式來(lái)衡量整舍濃度水平。但布點(diǎn)數(shù)量和位置的不同往往造成監(jiān)測(cè)結(jié)果存在較大差異。JOO 等[10]通過(guò)在牛舍中央屋頂通風(fēng)口下方布置1 個(gè)顆粒物濃度采樣點(diǎn)，測(cè)得PM2.5與PM10平均濃度分別為67.8、557 μg/m3。而KAASIK 等[11]以均勻?qū)ΨQ的布點(diǎn)方式（8～13 個(gè)測(cè)點(diǎn)）在牛舍不同功能區(qū)進(jìn)行采樣，得到PM2.5與PM10濃度分別為18、65 μg/m3，與前者結(jié)果相差數(shù)倍。另外，不同功能區(qū)測(cè)點(diǎn)之間的濃度也可能存在較大差異，說(shuō)明顆粒物濃度在舍內(nèi)空間分布差異較大。此外，盡管部分研究嘗試對(duì)顆粒物濃度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行更加科學(xué)地布置[11-13]，但受制于采樣設(shè)備成本和缺乏有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)顆粒物濃度的多點(diǎn)連續(xù)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，因而無(wú)法獲得大批量數(shù)據(jù)以科學(xué)地進(jìn)行測(cè)點(diǎn)優(yōu)化。

近年來(lái)，基于傳感器監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法在城市大氣環(huán)境、土壤元素監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用[14-16]，包括聚類法、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、誤差分析等。其中系統(tǒng)聚類法主要根據(jù)離差平方和確定類間距，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行類別劃分并創(chuàng)建聚類系譜圖，與其他方法相比，其分類結(jié)果直觀、適合大批量數(shù)據(jù)處理，結(jié)合誤差分析法對(duì)不同分類進(jìn)行監(jiān)測(cè)誤差比較，從而篩選最優(yōu)結(jié)果，在前人研究中取得較好的應(yīng)用效果。如董海燕等[17]利用聚類法將天津市大氣降塵監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)由32 優(yōu)化為24 個(gè)；賴錫柳[18]將聚類與百分位數(shù)法結(jié)合確定出蘭州新區(qū)6 個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，檢驗(yàn)結(jié)果滿足誤差要求。隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣，基于傳感器技術(shù)的環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅使采樣成本大幅降低，而且能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境多點(diǎn)連續(xù)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲取海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，滿足畜禽舍環(huán)境測(cè)點(diǎn)數(shù)量和位置優(yōu)化要求。

本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建自然通風(fēng)奶牛舍環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)牛舍顆粒物濃度進(jìn)行多點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)以獲取“真值”，分析顆粒物空間分布規(guī)律，運(yùn)用系統(tǒng)聚類和誤差分析方法優(yōu)化測(cè)點(diǎn)數(shù)量與位置，并結(jié)合傳統(tǒng)布點(diǎn)特點(diǎn)，確定最優(yōu)顆粒物濃度測(cè)點(diǎn)方案。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)牛舍與飼養(yǎng)管理

試驗(yàn)于2021 年9 月至2022 年3 月在江蘇省鹽城市某規(guī)模化奶牛場(chǎng)的1 棟大型自然通風(fēng)泌乳牛舍中進(jìn)行（圖1）。牛舍采用雙坡式可活動(dòng)屋面和鐘樓屋頂結(jié)構(gòu)，屋脊東西走向，尺寸為750 m（長(zhǎng)）×30 m（寬）×4 m（檐高）。舍內(nèi)共劃分6 個(gè)飼養(yǎng)單元，4 列散欄牛床對(duì)頭式布置，共飼養(yǎng)荷斯坦奶牛約1 200 頭。臥床與飼喂通道兩側(cè)上方分別安裝一定數(shù)量擾流風(fēng)機(jī)，頸夾上方安裝有噴淋裝置，用于不同季節(jié)舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控。舍內(nèi)共有2 段擠奶通道，將牛舍均分為3 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的飼養(yǎng)區(qū)域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），各區(qū)域間奶牛數(shù)量與飼養(yǎng)管理相同。

圖1 試驗(yàn)?zāi)膛Ｉ崤c顆粒物濃度采樣點(diǎn)布置Fig.1 The experimental dairy barn and layout of particulate matter (PM) concentration sampling points

奶牛舍每日05:00-07:00、13:00-15:00、21:00-23:00進(jìn)行擠奶，期間進(jìn)行全混合日糧（total mixed rations,TMR）飼喂、機(jī)械推料、推糞車清糞、牛床墊料補(bǔ)充與翻耕等機(jī)械操作。牛舍以自然通風(fēng)為主，根據(jù)舍內(nèi)溫度變化進(jìn)行環(huán)境調(diào)控，當(dāng)舍內(nèi)日平均溫度超過(guò)16 ℃時(shí)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，當(dāng)日平均溫度超過(guò)25 ℃開(kāi)啟噴淋系統(tǒng)。試驗(yàn)期間，牛舍主要處于秋冬季節(jié)，舍內(nèi)溫度范圍-6.8～31.6 ℃、相對(duì)濕度范圍22.7%～99.9%。隨著舍外溫度降低，牛舍先后采取風(fēng)機(jī)與噴淋開(kāi)啟（EC1）、風(fēng)機(jī)開(kāi)啟與噴淋關(guān)閉（EC2）、風(fēng)機(jī)與噴淋關(guān)閉（EC3）等3 種環(huán)控措施。這3 種工況對(duì)舍內(nèi)顆粒物濃度分布可能產(chǎn)生影響[19]，因此分別針對(duì)不同環(huán)控措施進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.2 顆粒物濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備

試驗(yàn)期間，通過(guò)顆粒物濃度在線監(jiān)測(cè)設(shè)備PCMU(particulate concentration monitoring unit)對(duì)牛舍顆粒物濃度（TSP、PM2.5）進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。該設(shè)備由控制板、顆粒物濃度傳感器、時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存卡和設(shè)備外殼組成。其中2 個(gè)顆粒物濃度傳感器均基于激光散射原理分別測(cè)量TSP（SDS198，諾方電子技術(shù)有限公司，河南）和PM2.5濃度（PMS5003，攀滕科技有限公司，北京），傳感器遵循串口通訊協(xié)議為9 600 8N1（波特率9 600 bps，數(shù)據(jù)位：8，校驗(yàn)位：無(wú)，停止位：1），具體性能參數(shù)見(jiàn)表1。設(shè)備運(yùn)行時(shí)采樣頻率為1 min，每5 min 通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)上傳平均濃度數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫(kù)。

表1 顆粒物濃度傳感器性能參數(shù)Table 1 Technical specifications of PM concentration sensors

1.2.2 采樣點(diǎn)布置

分別在牛舍3 個(gè)飼養(yǎng)區(qū)域內(nèi)共布置17 個(gè)顆粒物濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖1b），包括在區(qū)域Ⅰ布置5 個(gè)采樣點(diǎn)（P1～P5），其中P3 點(diǎn)位于屋頂通風(fēng)口下方1.0～2.0 m 位置（距地面高度約9.0 m），其他采樣點(diǎn)均位于臥床上方；在區(qū)域Ⅱ布置6 個(gè)采樣點(diǎn)（P6～P11），分別位于擠奶通道（P6、P11）、飼喂通道（P7、P10）、采食通道（P8）和清糞通道（P9）；在區(qū)域Ⅲ布置6 個(gè)采樣點(diǎn)（P12～P17），均位于臥床上方。牛舍內(nèi)除P3 測(cè)點(diǎn)外，其他測(cè)點(diǎn)高度均為2.5 m。

此外，為探究顆粒物濃度在舍內(nèi)不同高度分布差異，于2022 年2 月23 日至3 月10 日期間分別在P2 和P5 測(cè)點(diǎn)位置額外設(shè)置1.5 m 高度顆粒物濃度測(cè)點(diǎn)，以對(duì)比1.5、2.5 m（P2 與P5 測(cè)點(diǎn)）和9.0 m（P3 測(cè)點(diǎn)）高度顆粒物濃度分布規(guī)律。測(cè)試期間牛舍處于EC2 環(huán)控條件。

1.3 顆粒物測(cè)點(diǎn)數(shù)量和位置優(yōu)化方法

將奶牛舍17 個(gè)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)平均數(shù)據(jù)作為顆粒物濃度監(jiān)測(cè)真值，利用系統(tǒng)聚類和誤差分析方法對(duì)牛舍顆粒物濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同環(huán)控措施下顆粒物濃度優(yōu)化采樣點(diǎn)數(shù)量與位置組合。

1.3.1 系統(tǒng)聚類

在EC1、EC2、EC3 的3 種環(huán)控措施下，基于不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)離差平方和確定不同類之間距離，計(jì)算見(jiàn)式（1），根據(jù)類內(nèi)與合并成新類的離差平方和大小得到系統(tǒng)聚類譜系圖，并根據(jù)聚類系數(shù)和譜系圖確定最優(yōu)類別數(shù)，進(jìn)而確定不同監(jiān)測(cè)區(qū)域TSP 和PM2.5濃度采樣點(diǎn)聚類結(jié)果。

1.3.2 誤差分析

對(duì)每種聚類結(jié)果進(jìn)行誤差分析，選擇均值相對(duì)誤差和百分?jǐn)?shù)相對(duì)誤差（30%、50%、80%和90%）作為誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算不同測(cè)點(diǎn)組合與真值之間的誤差，篩選出誤差均小于10%的組合作為優(yōu)化測(cè)點(diǎn)方案組合。其中均值相對(duì)誤差（式（2））表示數(shù)據(jù)樣本間總體差異，百分?jǐn)?shù)相對(duì)誤差（式（3））反映兩組數(shù)據(jù)之間分布與變化趨勢(shì)差異。通過(guò)計(jì)算不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)組合誤差絕對(duì)值之和（式（4）），選擇其中誤差最小的方案作為牛舍顆粒物濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量和位置優(yōu)化方案。

1.3.3 優(yōu)化方案與傳統(tǒng)布點(diǎn)方案對(duì)比

由于傳統(tǒng)布點(diǎn)方案具有布點(diǎn)規(guī)則、易操作等特點(diǎn)，本研究在已有監(jiān)測(cè)布點(diǎn)的基礎(chǔ)上選擇6 種傳統(tǒng)布點(diǎn)方案（表2）進(jìn)行誤差分析。在不同環(huán)控措施下，綜合比較優(yōu)化布點(diǎn)與傳統(tǒng)布點(diǎn)在監(jiān)測(cè)精度、成本與可操作性等方面優(yōu)缺點(diǎn)，提出自然通風(fēng)奶牛舍顆粒物濃度最優(yōu)測(cè)點(diǎn)方案。

表2 傳統(tǒng)顆粒物濃度布點(diǎn)方案描述Table 2 Description of regular PM concentration sampling schemes

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)清洗主要包括：1）剔除超過(guò)傳感器量程粗大誤差；2）利用箱型圖剔除數(shù)據(jù)分布異常值；3）有研究表明當(dāng)外界天氣處于霧霾狀態(tài)時(shí)（大氣環(huán)境指數(shù)（air quality index）,AQI＞100），對(duì)畜禽舍內(nèi)顆粒物濃度分布可能造成干擾[20]，因此本研究剔除AQI＞100 時(shí)對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)清洗，得到數(shù)據(jù)集中包括TSP 和PM2.5濃度數(shù)據(jù)各85 萬(wàn)條，數(shù)據(jù)種類包括時(shí)間序列、監(jiān)測(cè)設(shè)備序列號(hào)、TSP 和PM2.5濃度，其中TSP 與PM2.5濃度數(shù)據(jù)頻率分布四分位數(shù)分別為57.9、28.0 μg/m3，82.5、44.0 μg/m3，119.5、66.3 μg/m3。

對(duì)清洗數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣和類型劃分，利用Spearman非參數(shù)檢驗(yàn)和線性回歸分析顆粒物濃度在牛舍分布規(guī)律，并通過(guò)方差分析對(duì)比不同數(shù)組間差異顯著性。綜合系統(tǒng)聚類和誤差分析得到優(yōu)化監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方案。試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)形式為：平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。利用Python（3.7）和Microsoft Excel（2016）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、分析、作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛舍顆粒物濃度均勻性分析

為了探究牛舍顆粒物濃度監(jiān)測(cè)布點(diǎn)是否滿足優(yōu)化條件，分別針對(duì)牛舍不同監(jiān)測(cè)區(qū)域和監(jiān)測(cè)高度進(jìn)行顆粒物濃度分布規(guī)律分析。

2.1.1 不同監(jiān)測(cè)區(qū)域顆粒物濃度分布

試驗(yàn)期間舍內(nèi)顆粒物濃度變化及3 種環(huán)控措施下3 個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)試驗(yàn)期間顆粒物平均濃度如表3、圖2所示。

表3 不同環(huán)控措施下各監(jiān)測(cè)區(qū)域顆粒物濃度均值Table 3 The average particulate matter concentration in the three sections of the barn under different environmental controls(μg·m-3)

圖2 試驗(yàn)期間舍內(nèi)TSP 和PM2.5 濃度日均值變化Fig.2 Daily mean variation of TSP and PM2.5 concentration inside the dairy barn during the experiment

整體而言，3 個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域顆粒物在監(jiān)測(cè)期間平均濃度分別為92.1、86.7、88.7 μg/m3（TSP）、48.2、46.5、48.2 μg/m3（PM2.5），未表現(xiàn)出顯著差異（P＞0.05）；TSP 和PM2.5濃度變化規(guī)律一致，隨著舍外溫度降低和牛舍密閉性增加，舍內(nèi)顆粒物濃度呈上升趨勢(shì)（圖2）。通過(guò)對(duì)不同區(qū)域顆粒物濃度進(jìn)行線性回歸分析（圖3），發(fā)現(xiàn)區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之間表現(xiàn)出顯著相關(guān)性（其中TSP：R2分別為0.70，0.75，0.72；PM2.5：R2分別為0.88，0.98，0.85；P＜0.01）。說(shuō)明測(cè)量期間奶牛舍顆粒物濃度在3 個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域分布較為均勻，這與監(jiān)測(cè)區(qū)域間相同的飼養(yǎng)管理方式、奶牛存欄量等有關(guān)；同時(shí)3 個(gè)區(qū)域空間相連，具有較好的環(huán)境一致性。因此，適合將3 個(gè)區(qū)域作為一個(gè)整體進(jìn)行奶牛舍顆粒物濃度測(cè)點(diǎn)優(yōu)化。

圖3 不同監(jiān)測(cè)區(qū)域顆粒物濃度相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of PM concentration among the three sections of the barn

2.1.2 不同監(jiān)測(cè)高度顆粒物濃度分布

分別選擇Ⅰ區(qū)域內(nèi)P2、P3、P5 采樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比距地面1.5、2.5 m 高度和屋頂通風(fēng)口下方距地面9.0 m高度上顆粒物濃度分布。監(jiān)測(cè)期間不同高度顆粒物平均濃度對(duì)比如圖4 所示，其中TSP 濃度在1.5 和2.5 m 高度無(wú)明顯差異，均顯著高于屋頂通風(fēng)口下方距地面9.0 m高度濃度（P＜0.05）；而PM2.5在不同高度上濃度無(wú)顯著差異（P＞0.05）。粗顆粒物由于受重力影響大，隨舍內(nèi)氣流上升高度有限，造成超過(guò)一定高度后濃度明顯下降的現(xiàn)象，而細(xì)顆粒物在空氣中懸浮時(shí)間長(zhǎng)，在舍內(nèi)垂直方向上分布更加均勻。因此，考慮到總體測(cè)點(diǎn)高度情況，對(duì)于TSP 而言，在2.5 m 高度監(jiān)測(cè)的同時(shí)對(duì)屋頂通風(fēng)口下方位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)能夠更加客觀反映舍內(nèi)濃度分布；對(duì)于PM2.5，2.5 m 高度能夠滿足濃度監(jiān)測(cè)需求。同時(shí)，相同采樣高度上不同采樣點(diǎn)之間也存在差異情況（P2、P5），說(shuō)明在不同高度上進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)于有效反映舍內(nèi)濃度水平具有必要性。

圖4 試驗(yàn)期間不同采樣高度平均顆粒物濃度Fig.4 Mean particulate matter concentration between different sampling heights during the experiment

目前，關(guān)于自然通風(fēng)奶牛舍顆粒物濃度空間分布研究主要集中在舍內(nèi)外和舍內(nèi)不同功能區(qū)層面對(duì)比。水平方向上，多數(shù)研究主要對(duì)比顆粒物濃度在舍內(nèi)不同功能區(qū)分布。MOSTAFA 等[21]通過(guò)對(duì)牛舍不同位置顆粒物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)奶牛活動(dòng)區(qū)域TSP 濃度較高，而PM2.5濃度在不同位置分布較為均勻；ZHAO 等[22]在測(cè)量了美國(guó)俄亥俄州奶牛舍內(nèi)8 個(gè)不同位置后，認(rèn)為舍內(nèi)空氣環(huán)境在空間分布上差異有限，部分位置之間顆粒物濃度差異可能是不同管理方式造成的，該結(jié)果與本研究相似。目前還缺乏對(duì)同一牛舍不同相對(duì)獨(dú)立區(qū)域的濃度對(duì)比，這與不同研究中牛舍類型和研究目的有關(guān)。垂直方向上，目前多數(shù)研究在奶牛舍空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)選擇采樣高度范圍在1.5～2.5 m[23-24]，既保證采樣點(diǎn)在動(dòng)物和人體高度水平，又防止采樣設(shè)備被奶?；顒?dòng)干擾破壞。目前仍缺乏針對(duì)牛舍空氣環(huán)境采樣高度的系統(tǒng)研究，有研究認(rèn)為采樣點(diǎn)距地面＜1.5 m 高度時(shí)，氣溶膠顆粒物濃度與高度無(wú)直接關(guān)系[25]。本研究中顆粒物濃度在1.5 和2.5 m 高度處相當(dāng)，但為了有效衡量顆粒物濃度在整舍分布情況，2.5 m采樣高度仍無(wú)法滿足要求。尤其對(duì)于TSP濃度監(jiān)測(cè)，在屋頂通風(fēng)口下方布置采樣點(diǎn)是必要的，也有部分研究只通過(guò)監(jiān)測(cè)屋頂通風(fēng)口處顆粒物濃度以代表舍內(nèi)整體水平，這在一定程度上不能客觀反映牛舍真實(shí)濃度水平，尤其對(duì)于粗顆粒物濃度。

2.2 牛舍顆粒物濃度測(cè)點(diǎn)數(shù)量和位置優(yōu)化

根據(jù)系統(tǒng)聚類方法，得到不同環(huán)控措施下3 個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)顆粒物濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量和位置聚類結(jié)果（表4）。結(jié)果表明，TSP 與PM2.5濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量經(jīng)過(guò)聚類分析后可由原5～6 個(gè)采樣點(diǎn)聚類為2～3 個(gè)采樣點(diǎn)。其中區(qū)域Ⅰ和Ⅲ內(nèi)，TSP 聚類后的測(cè)點(diǎn)數(shù)量高于PM2.5，而在區(qū)域Ⅱ內(nèi)規(guī)律表現(xiàn)不一致，這可能與牛舍不同功能區(qū)顆粒物排放強(qiáng)度差異有關(guān)，區(qū)域Ⅰ與Ⅲ內(nèi)顆粒物監(jiān)測(cè)點(diǎn)多數(shù)布置在奶牛臥床上方，而牛床墊料是粗顆粒物的重要排放源[26]，造成在該區(qū)域內(nèi)TSP 濃度較高，且濃度變化易受奶牛活動(dòng)和飼養(yǎng)管理影響；而區(qū)域Ⅱ內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于舍內(nèi)不同功能分區(qū)，其中擠奶通道和飼喂通道是細(xì)顆粒物潛在排放區(qū)域[13]，造成PM2.5濃度在該區(qū)域內(nèi)波動(dòng)較大。此外，Ⅰ區(qū)域內(nèi)除EC1，其他環(huán)控措施下屋頂通風(fēng)口（P3）監(jiān)測(cè)點(diǎn)均單獨(dú)聚為一類，反映出屋頂通風(fēng)口下方位置監(jiān)測(cè)必要性。Ⅱ區(qū)域內(nèi)擠奶通道位置布點(diǎn)在EC1 和EC3 環(huán)控措施下均被單獨(dú)聚為一類，說(shuō)明該功能區(qū)監(jiān)測(cè)具有必要性。

表4 不同環(huán)控措施下各區(qū)域顆粒物濃度測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)聚類結(jié)果Table 4 The clustering results of particulate matter concentration sampling points in parts Ⅰ,Ⅱ and Ⅲ of the barn with different environmental controls

對(duì)以上不同區(qū)域的聚類結(jié)果進(jìn)行誤差分析，根據(jù)不同布點(diǎn)組合誤差絕對(duì)值之和大小，得到不同環(huán)控措施下顆粒物濃度優(yōu)化布點(diǎn)方案（表5）。優(yōu)化后對(duì)TSP 和PM2.5在不同環(huán)控措施下的監(jiān)測(cè)誤差絕對(duì)值之和范圍分別為6.4%～22.6%、4.7%～14.2%。其中在EC2 條件下顆粒物（TSP 與PM2.5）濃度監(jiān)測(cè)誤差相對(duì)較小，在擾流風(fēng)機(jī)開(kāi)啟情況下，舍內(nèi)氣流速度增加，顆粒物沉降和對(duì)外擴(kuò)散速率增加[27]，顆粒物濃度水平較低且分布均勻，使監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性提高；而在另外2 種環(huán)控措施下，受噴淋系統(tǒng)局部降塵作用、奶?；顒?dòng)和機(jī)械操作影響，舍內(nèi)不同區(qū)域顆粒物排放差異、濃度分布不均且波動(dòng)明顯[21,28]，造成監(jiān)測(cè)誤差升高。整體上，TSP 濃度測(cè)點(diǎn)數(shù)量?jī)?yōu)化后略多于PM2.5，與聚類分析結(jié)果一致。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同環(huán)控措施下的顆粒物濃度優(yōu)化測(cè)點(diǎn)需要在擠奶、飼喂通道等位置布置，這也與不同功能區(qū)顆粒物排放差異有關(guān)。

表5 不同環(huán)控措施下牛舍顆粒物濃度優(yōu)化測(cè)點(diǎn)方案Table 5 Optimized PM concentration sampling schemes of the barn under different environmental controls

2.3 優(yōu)化布點(diǎn)與傳統(tǒng)布點(diǎn)比較

在不同環(huán)控措施下對(duì)已選擇的6 種傳統(tǒng)布點(diǎn)方案進(jìn)行誤差分析，根據(jù)布點(diǎn)數(shù)量多少得到傳統(tǒng)方案與優(yōu)化方案顆粒物濃度監(jiān)測(cè)誤差變化趨勢(shì)，如圖5 所示。整體而言，傳統(tǒng)布點(diǎn)形式隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量增加，其監(jiān)測(cè)誤差整體呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明多點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)于準(zhǔn)確反映舍內(nèi)顆粒物濃度水平具有重要意義，這也與相關(guān)研究結(jié)果一致[29-30]。6 種傳統(tǒng)布點(diǎn)方案監(jiān)測(cè)誤差均高于優(yōu)化方案，體現(xiàn)出優(yōu)化布點(diǎn)在監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和科學(xué)性方面優(yōu)勢(shì)，但不同環(huán)控措施下獲得最小誤差的顆粒物監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量和位置也不盡相同，增加了實(shí)際操作難度。此外，從誤差趨勢(shì)變化可以看出，在傳統(tǒng)布點(diǎn)中，TSP、PM2.5濃度分別從監(jiān)測(cè)方案3（3 個(gè)測(cè)點(diǎn)）和方案2（2 個(gè)測(cè)點(diǎn)）開(kāi)始，其監(jiān)測(cè)誤差下降趨勢(shì)明顯減緩，且整體誤差與優(yōu)化方案相近，說(shuō)明部分傳統(tǒng)方案在測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限情況下同樣可取得較好的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度，從控制監(jiān)測(cè)成本、增加可操作性角度考慮，可適當(dāng)減少顆粒物監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

圖5 不同環(huán)控措施下傳統(tǒng)方案與優(yōu)化方案誤差變化趨勢(shì)Fig.5 Change of PM concentration monitoring errors for regular monitoring methods and optimized method with different environmental controls

單點(diǎn)或多點(diǎn)的傳統(tǒng)規(guī)則布點(diǎn)是目前自然通風(fēng)奶牛舍顆粒物濃度監(jiān)測(cè)的主要方法，其中在屋頂通風(fēng)口下方的單點(diǎn)測(cè)量在相關(guān)研究中較為常見(jiàn)[10,13,31]，這種布點(diǎn)方式容易操作，但忽略了顆粒物在牛舍其他空間位置的分布情況，造成監(jiān)測(cè)結(jié)果與其他研究之間差異較大。JOO 等[10]以單點(diǎn)方式通過(guò)TEOM 連續(xù)監(jiān)測(cè)了牛舍TSP 和PM10濃度，得到監(jiān)測(cè)期間平均濃度分別為65 和18 μg/m3，其結(jié)果與同樣為單測(cè)點(diǎn)布置的WINKEL 等[31]研究相差數(shù)倍。監(jiān)測(cè)結(jié)果差異不僅與測(cè)點(diǎn)數(shù)量與位置有關(guān)，還受其他因素影響，如氣候、牛舍結(jié)構(gòu)、飼養(yǎng)規(guī)模等。也有部分研究為了提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，以舍內(nèi)均勻布點(diǎn)的方式增加顆粒物測(cè)點(diǎn)數(shù)量，KAASIK 等[11]在牛舍最多布置13 個(gè)顆粒物采樣點(diǎn)以衡量其平均濃度，但測(cè)點(diǎn)位置大多位于清糞通道和飼喂通道，無(wú)法科學(xué)反映牛舍其他功能區(qū)域顆粒物分布情況，而且監(jiān)測(cè)成本和操作難度增加。因此，對(duì)自然通風(fēng)奶牛舍顆粒物濃度的科學(xué)有效監(jiān)測(cè)需要綜合考慮其監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和可操作性。

為了對(duì)設(shè)置有屋頂通風(fēng)口的大型自然通風(fēng)奶牛舍內(nèi)顆粒物濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，本研究綜合考慮了優(yōu)化布點(diǎn)方案的科學(xué)性和傳統(tǒng)布點(diǎn)方案的易操作性，確定的最優(yōu)方案為：在奶牛舍中央屋頂通風(fēng)口下方1.0～2.0 m處布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，在奶牛臥床上方2.5 m 高度處設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，上述3 個(gè)測(cè)點(diǎn)按奶牛舍斜對(duì)角線布置，其中通風(fēng)口下方的測(cè)點(diǎn)居中；另外，在擠奶、飼喂、清糞通道上方2.5 m 高度處各布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)。該方案共計(jì)6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，可以兼顧顆粒物濃度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。為了比較最優(yōu)方案與其他測(cè)點(diǎn)方案，基于最優(yōu)方案中的布點(diǎn)條件，在本研究所有測(cè)點(diǎn)中選擇P2、P3、P5、P7、P9、P11 測(cè)點(diǎn)組合作為比較案例，經(jīng)過(guò)誤差分析，得到該組合在3 種環(huán)控措施下對(duì)于TSP 和PM2.5濃度監(jiān)測(cè)的誤差絕對(duì)值之和范圍分別為9.6%～24.9%、6.5%～12.3%，在測(cè)點(diǎn)數(shù)量由17 個(gè)篩減為6 個(gè)的情況下，其監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性與優(yōu)化測(cè)點(diǎn)方案（表5）相近，大幅度減少實(shí)際監(jiān)測(cè)成本和數(shù)據(jù)處理量；與傳統(tǒng)方案相比，最優(yōu)方案通過(guò)在舍內(nèi)不同高度和功能區(qū)進(jìn)行針對(duì)性布點(diǎn)，能夠更加客觀反映顆粒物在舍內(nèi)分布情況，且降低實(shí)際操作難度。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)構(gòu)建自然通風(fēng)奶牛舍顆粒物濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以舍內(nèi)17 個(gè)測(cè)點(diǎn)平均濃度為相對(duì)真值，利用系統(tǒng)聚類和誤差分析方法確定最適顆粒物濃度測(cè)點(diǎn)方案，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果得出以下結(jié)論：

1）測(cè)試期間牛舍3 個(gè)區(qū)域顆粒物濃度無(wú)顯著差異（P＞0.05）且各區(qū)域濃度相關(guān)性顯著（P＜0.01）；除總懸浮顆粒物（total suspended particle,TSP）在屋頂通風(fēng)口下方位置濃度顯著低于1.5 和2.5 m 高度外（P＜0.05），TSP 和PM2.5濃度在各采樣高度上無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

2）基于系統(tǒng)聚類和誤差分析確定的不同環(huán)控措施下優(yōu)化測(cè)點(diǎn)數(shù)量和位置，對(duì)TSP 和PM2.5監(jiān)測(cè)誤差絕對(duì)值之和范圍分別為6.4%～22.6%、4.7%～14.2%，均低于其他6 種傳統(tǒng)布點(diǎn)方案。

3）結(jié)合優(yōu)化方案監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和傳統(tǒng)方案易操作性等特點(diǎn)，確定帶屋頂通風(fēng)口的自然通風(fēng)奶牛舍顆粒物濃度最優(yōu)測(cè)點(diǎn)方案（共計(jì)6 個(gè)測(cè)點(diǎn)）：在奶牛舍中央屋頂通風(fēng)口下方1.0～2.0 m 處布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，在奶牛臥床上方2.5 m 高度處布置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，上述3 個(gè)測(cè)點(diǎn)按奶牛舍斜對(duì)角線進(jìn)行布置；另外，分別在擠奶、飼喂、清糞的3 個(gè)通道上方2.5 m 高度處各布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)。