節(jié)能環(huán)保限制條件下大氣環(huán)境污染快速檢測(cè)技術(shù)研究

摘要：快速檢測(cè)技術(shù)能夠迅速響應(yīng)環(huán)境污染事件，為應(yīng)急處理提供關(guān)鍵信息，減少污染對(duì)環(huán)境和人體健康的危害。為此，研究一種節(jié)能環(huán)保限制條件下大氣環(huán)境污染快速檢測(cè)技術(shù)。選取洛陽(yáng)作為本次研究區(qū)域，其次分析了PM₁₀、二氧化氮與二氧化硫的時(shí)濃度、日濃度、月濃度和季濃度變化特點(diǎn)，引入皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析了氣象因素與污染物濃度之間的相關(guān)性，通過上述分析完成大氣環(huán)境污染快速檢測(cè)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可有效檢測(cè)污染物在大氣環(huán)境中的變化特征，且獲取了污染物與氣象因素之間的相關(guān)關(guān)系，可有效完成大氣環(huán)境污染的快速檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：節(jié)能環(huán)保；大氣環(huán)境污染；皮爾遜相關(guān)系數(shù)；污染檢測(cè)

中圖分類號(hào)：X511 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

大氣環(huán)境污染問題對(duì)生態(tài)的可持續(xù)性與人類健康造成了嚴(yán)重的威脅，因此在節(jié)能環(huán)保限制條件下實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境污染的快速檢測(cè)，屬于目前亟需解決的問題。代佼等人分析了近年來(lái)研究區(qū)域的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在小時(shí)、月度、季度和年度時(shí)間尺度的基礎(chǔ)上計(jì)算大氣環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)貢獻(xiàn)率，以此實(shí)現(xiàn)污染檢測(cè)，該方法沒有對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開預(yù)處理，數(shù)據(jù)中存在的異常值影響污染檢測(cè)結(jié)果。倪劍波等人在研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置了自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析污染物在空氣中的時(shí)空特征，通過相關(guān)性分析實(shí)現(xiàn)污染檢測(cè)，該方法設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有局域性，導(dǎo)致獲得的時(shí)空特征偏差較大，降低了檢測(cè)精度。張瑩等人對(duì)污染物與氣象因素之間存在的相關(guān)關(guān)系展開分析，根據(jù)分析結(jié)果建立HYS-PLIT模型軌跡聚類分析污染過程，完成污染檢測(cè)，該方法的相關(guān)性分析結(jié)果存在偏差，會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。

為了解決上述方法中存在的問題，提出節(jié)能環(huán)保限制條件下大氣環(huán)境污染快速檢測(cè)技術(shù)。本次研究以洛陽(yáng)作為主要研究區(qū)域，分析不同污染物的時(shí)變化特征、日變化特征、月變化特征和季變化特征，并通過皮爾遜相關(guān)系數(shù)法分析氣象因子與污染物濃度的相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境污染物的快速檢測(cè)。

1大氣環(huán)境污染快速檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1監(jiān)測(cè)內(nèi)容

選取洛陽(yáng)作為本次研究區(qū)域，根據(jù)洛陽(yáng)空氣污染特征，布置大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)展開連續(xù)監(jiān)測(cè)，采集濕度、氣溫和大氣壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2儀器與材料

大氣環(huán)境污染檢測(cè)過程中所用的主要儀器包括高速離心機(jī)（湖南湘儀TG16-WS）、超聲水浴儀（美國(guó)Branson B2510E）、原子熒光儀（北京吉天AFS-9700）、超純水機(jī)（美國(guó)Millipore Simplicity UV）、智能中流量PM_2.5采樣機(jī)（青島嶗山電子儀器廠TH-16A）、恒溫恒濕箱（上海-恒科學(xué)儀器有限公司DHP-9052）等。

1.3樣品處理與檢測(cè)

稱重樣品質(zhì)量，采用陶瓷刀取八分之一的濾膜將其剪碎放到離心管中，將10 mL硝酸溶液加入離心管內(nèi)，并扣好螺旋蓋，置于70℃的水域超聲中，三小時(shí)之后取出離心管，在室溫環(huán)境下振蕩，完成上述操作后將離心機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為4500r/min，將離心時(shí)間設(shè)置為5min，完成離心處理后，取試管中的上層清液。

1.4數(shù)據(jù)處理

將上述樣品處理結(jié)果輸入Excel軟件中，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，類金屬、金屬元素以及細(xì)顆粒物濃度的分布呈非正態(tài)分布，通過SPSS 21.0軟件統(tǒng)計(jì)分析上述數(shù)據(jù)。

2大氣環(huán)境污染分析

2.1污染物時(shí)變化特征

污染物時(shí)變化特征見圖1。

由圖1（a）可知，上午六點(diǎn)至八點(diǎn)出現(xiàn)了PM₁₀的濃度極值，濃度在八點(diǎn)之后逐漸降低，中午又表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，下午開始下降，其中最低值出現(xiàn)在下午兩點(diǎn)至五點(diǎn)之間，晚上七點(diǎn)至九點(diǎn)PM₁₀的濃度有所增加，十點(diǎn)之后的變化相對(duì)平穩(wěn)，次日五點(diǎn)又開始增加。

二氧化硫的時(shí)變化特征與PM₁₀類似，但濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)較早，約為早上六點(diǎn)左右，之后濃度呈下降趨勢(shì)，八點(diǎn)左右濃度逐漸上升，在中午十一點(diǎn)左右出現(xiàn)第二次峰值，之后直線下降。

一天內(nèi)二氧化氮出現(xiàn)了兩個(gè)濃度峰值，上午十一點(diǎn)左右出現(xiàn)第一個(gè)濃度峰值，下午六點(diǎn)至八點(diǎn)左右出現(xiàn)第二個(gè)峰值，在十二點(diǎn)至下午四點(diǎn)，二氧化氮的濃度相對(duì)較低。

綜合分析上述污染物的時(shí)變化特征發(fā)現(xiàn)，早上和上午三個(gè)污染物的濃度均較高，下午濃度最低，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因如下：

（1）人群活動(dòng)：人群在日間的活動(dòng)強(qiáng)度通常大于夜間，上午七點(diǎn)至九點(diǎn)，下午六點(diǎn)左右屬于上下班高峰，因此污染物在空氣中的濃度增加。但監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置通常遠(yuǎn)離交通干線，因此污染物濃度的變化情況具有一定的滯后性。上午十一點(diǎn)、下午六點(diǎn)至晚上八點(diǎn)，二氧化氮和二氧化硫均出現(xiàn)兩個(gè)峰值。上午十點(diǎn)至十二點(diǎn)，晚上七點(diǎn)至九點(diǎn)，PM₁₀出現(xiàn)峰值，上述數(shù)據(jù)表明，大氣環(huán)境質(zhì)量受人群活動(dòng)的影響。

（2）大氣層演化：地表長(zhǎng)波輻射會(huì)影響地表在夜間的溫度，使其呈下降趨勢(shì)，在此環(huán)境下，與地面距離較近的大氣層溫度開始降低，進(jìn)而生成了近地面負(fù)荷逆溫層。但人們?cè)谝归g的活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較小，降低了大氣環(huán)境中的污染物濃度。太陽(yáng)升起后，地表溫度在太陽(yáng)輻射的作用下逐漸升高，逆溫層此時(shí)逐漸抬升，污染物在此條件下的擴(kuò)散難度加大。人群在日間的活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較高，排放的污染物也有所增加，導(dǎo)致大氣環(huán)境中的污染物濃度升高。上述情況會(huì)一直持續(xù)到上午，逆溫層在中午左右會(huì)消失，此時(shí)空氣垂直方向中存在的污染物發(fā)生擴(kuò)散，致使?jié)舛冉档汀?/p>

（3）風(fēng)速變化：水平方向中污染物的擴(kuò)散情況受風(fēng)速大小的影響。洛陽(yáng)市多為靜風(fēng)、小風(fēng)的氣候條件，污染物在上述氣候條件下的水平擴(kuò)散強(qiáng)度降低。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速與污染物之間存在正相關(guān)關(guān)系，洛陽(yáng)市風(fēng)速的日變化特點(diǎn)如圖1（b）所示，在下午兩點(diǎn)至五點(diǎn)左右，風(fēng)速達(dá)到峰值，表明水平方向中存在的污染物在此階段擁有較大的擴(kuò)散速率，進(jìn)而降低了污染強(qiáng)度。

（4）相對(duì)濕度：懸浮在空中的微小顆粒在相對(duì)濕度較高的情況下更容易附著在水汽上。當(dāng)大氣穩(wěn)定時(shí)，會(huì)有概率出現(xiàn)霧天，PM₁₀在霧天的濃度相對(duì)較高，分析圖1（b）可知，相對(duì)濕度的變化幅度相對(duì)較大，由此可知，PM₁₀濃度直接受相對(duì)濕度的影響。

2.2污染物日變化特征

洛陽(yáng)市2021年-2023年的污染物日變化情況見圖2。

由圖2可知，PM₁₀、二氧化氮和二氧化硫的日變化趨勢(shì)相差較小，其中污染物在每年的一月和十二月達(dá)到峰值，在年中的濃度相對(duì)較低，分析圖2中的數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

（1） PM₁₀日濃度變化情況表現(xiàn)為中間低、兩端高的特點(diǎn)，在一月、二月、三月、十一月和十二月中PM₁₀的濃度存在較大波動(dòng)，在四月至十月期間的變化相對(duì)平緩，2021年中，PM₁₀日濃度的最高值和最低值分別出現(xiàn)在三月和九月，2022年中，PM₁₀日濃度的最高值和最低值分別出現(xiàn)在十二月和十一月，2023年中PM₁₀日濃度的最高值和最低值分別出現(xiàn)在一月和八月。通過上述分析可知，洛陽(yáng)市PM₁₀的污染情況逐漸加劇，PM₁₀的污染天數(shù)逐漸增多。

（2）二氧化氮的日變化特點(diǎn)與PM₁₀相似，其質(zhì)量濃度在一月至三月，十一月至十二月期間的波動(dòng)較大，剩余月份中的濃度變換較為平緩。2021年中二氧化氮日濃度的最高值和最低值分別出現(xiàn)在一月和十二月，2022年中二氧化氮日濃度的最高值和最低值分別出現(xiàn)十二月和八月，2023年中二氧化氮日濃度的最高值和最低值分別出現(xiàn)十二月和一月。洛陽(yáng)市二氧化氮的污染程度逐漸增加。

（3）二氧化硫的變化較為明顯，呈現(xiàn)出中間平穩(wěn)，兩端浮動(dòng)的趨勢(shì)，在上述三年中，二氧化硫的濃度峰值出現(xiàn)十二月、一月和二月，濃度谷值出現(xiàn)在九月、六月和七月，二氧化硫的污染濃度逐年遞減。

2.3污染物月變化特征

污染物月變化特征見圖3。

分析圖3可知，PM₁₀、二氧化氮和二氧化硫的月濃度變化曲線呈U型，春季開始，污染物的濃度逐漸降低，在夏天或秋天達(dá)到濃度最低值，之后污染物在大氣中的濃度逐漸上升，在冬季達(dá)到最高值。分析2021年至2023年的PM₁₀月濃度變化情況發(fā)現(xiàn)，PM₁₀在大氣環(huán)境中的峰值均出現(xiàn)在一月，2023年八月為PM₁₀的濃度谷值。二氧化氮的月濃度變化情況與PM₁₀類似，濃度谷值為三年的七月，三年的濃度峰值分別出現(xiàn)在十二月、一月、一月。二氧化硫的月濃度變化趨勢(shì)相對(duì)較為明顯，七月出現(xiàn)了月濃度低值。

2.4污染物季變化特征

污染物季變化特征見圖4。

由圖4可知，三年內(nèi)PM₁₀在大氣環(huán)境中的濃度逐漸增大，PM₁₀濃度在2021年和2022年的春天和秋天相對(duì)較高，夏天的濃度相對(duì)較低。二氧化氮在2021年-2023年之間的質(zhì)量濃度變化較為平穩(wěn)，但均超過了空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，峰值和谷值分別出現(xiàn)在冬季和夏季，在三年中，二氧化氮的質(zhì)量濃度呈直線上升趨勢(shì)。三年內(nèi)二氧化硫在大氣環(huán)境中的濃度逐漸降低，峰值和谷值分別出現(xiàn)在冬季和夏季。

綜上所述，洛陽(yáng)市污染物的季節(jié)性變化特征較為顯著，夏季的污染程度較低，冬季的污染程度較高。洛陽(yáng)市空氣中存在的二氧化硫主要來(lái)源于冬季供暖和工業(yè)生產(chǎn)，洛陽(yáng)市的供暖時(shí)間為十一月至三月，因此冬季二氧化硫的質(zhì)量濃度相對(duì)較高，洛陽(yáng)市亟需解決的問題是減少采暖期二氧化硫的排放量。

在城市化進(jìn)程逐漸加快的背景下，洛陽(yáng)市的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量逐漸增多，在道路、建筑施工過程中會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，加劇了洛陽(yáng)市PM₁₀的污染程度。同時(shí)構(gòu)成大氣污染的污染物也包括汽車尾氣和工業(yè)廢氣等。夏季和春季的風(fēng)速相對(duì)較大，污染物在此條件下更容易發(fā)生擴(kuò)散，同時(shí)在大風(fēng)環(huán)境中也會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，影響了顆粒物在大氣環(huán)境中的濃度。

化石燃料的使用量在冬季增多，同時(shí)冬季具有低溫度和干旱少雨等氣候，減弱污染物的擴(kuò)散，進(jìn)而加重了大氣污染程度。夏季使用的化石燃料減少，且降雨頻率相對(duì)較高，大氣污染程度降低。

2.5相關(guān)性分析

在節(jié)能環(huán)保限制條件下大氣環(huán)境污染快速檢測(cè)技術(shù)采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)對(duì)氣象因素與污染物濃度展開相關(guān)性分析，皮爾遜相關(guān)系數(shù)p的計(jì)算公式如式（1）：

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，風(fēng)速與PM₁₀和二氧化氮濃度之間呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性較強(qiáng)，與二氧化硫濃度之間的負(fù)相關(guān)顯著性相對(duì)較弱，污染物在風(fēng)速增大的情況下會(huì)加快擴(kuò)散。氣壓與上述污染物之間均屬于正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性較強(qiáng)，風(fēng)速在氣壓增大的情況下不斷增大，加快了大氣污染物濃度稀釋的程度。氣溫與上述污染物之間屬于負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性較強(qiáng)，大氣層結(jié)穩(wěn)定度在地面溫度升高的情況下會(huì)逐漸降低，此時(shí)污染物在近地層中的濃度隨之下降。水汽與上述污染物之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，水汽壓在水汽增多的條件下逐漸升高，大氣在此氣候條件下發(fā)生凝聚的概率增大，進(jìn)而降低了大氣環(huán)境中的污染物濃度。平均相對(duì)濕度與二氧化硫之間存在顯著的負(fù)相關(guān)。

3結(jié)束語(yǔ)

快速檢測(cè)技術(shù)可有效檢測(cè)到污染物在大氣環(huán)境中的濃度以及污染物種類。由此，文章研究一種在節(jié)能環(huán)保限制條件下大氣環(huán)境污染快速檢測(cè)技術(shù)。通過設(shè)計(jì)大氣環(huán)境污染快速檢測(cè)方法，分析污染物時(shí)變化特征、日變化特征、月變化特征和季變化特征。由實(shí)驗(yàn)分析可知，PM₁₀、NO₂和SO₂的濃度在一天內(nèi)均呈現(xiàn)出顯著的時(shí)變化特征，PM₁₀、NO₂和SO₂在冬季（一月和十二月）的濃度較高，夏季和秋季濃度相對(duì)較低。洛陽(yáng)市污染物的季節(jié)性變化特征明顯，月濃度變化曲線均呈現(xiàn)U型，冬季濃度高，夏季濃度低。風(fēng)速與污染物之間呈顯著負(fù)相關(guān)，與此相反，氣壓和氣溫與污染物濃度之間呈正相關(guān)。由此驗(yàn)證了所提方法可以快速檢測(cè)大氣環(huán)境污染，具有一定的實(shí)用性。