淺談空氣自動監測數據質量現狀與處理方法

廖乾邑,陳建文,李 亮,趙 昂

(1.四川省環境監測中心站,成都 610041;2.中國環境監測總站,北京 100012)

1 前 言

空氣自動監測系統在國內外已經得到了廣泛的應用,因為它不僅能獲得大量、連續、完整的基礎數據來及時反映環境空氣質量的動態變化,而且能夠預測空氣污染發展趨勢和加快應急事件的控制過程[1,2]。但是做為無人值守的連續自動監測系統,也會因電路、光路、氣路的變化而產生零點漂移和跨度漂移,加上停電的干擾、氣候變化的影響、維護的情況等因素影響空氣自動監測數據的準確性,同時會產生大量的異常數據。因此在數據的上報方面應該根據實際情況,對監測數據的審核和異常數據的有效性進行分析。它是環境監測數據質量保證工作的一個重要組成部分,更是為環境管理決策提供準確、真實的監測數據的重要保證[3,4]。

2 異常數據的判斷

2.1 可預知的異常監測數據[5]

對于儀器校準、維護、停電、儀器已知故障及排除故障期的數據、儀器重啟可視為可預知的異常監測數據,在數據統計處理過程中將其剔除。

2.2 不可預知的異常監測數據

氣象變化、儀器性能不穩定、儀器突發故障、采樣系統、輔助設施的故障等諸多因素均能夠導致監測數據的突變。

(1)監測數據在零值附近 (2ppb到 -2ppb)波動,超過 5小時;單個監測子站的某項污染物濃度值出現一個、數個極高值。應該有相應氣象、外界影響(如污染源出現、或位置處于污染源下風向)條件支持來判斷。

(2)監測數據小時值為負數小于 -2ppb;監測數據小時值連續出現 4個以上恒定值;監測數據小時值在某一數據附近波動,相對偏差小于 5%,且持續時間超過 5小時。

(3)某一子站的某項污染物監測數值離群明顯偏低;某一子站的某項污染物濃度變化趨勢與其他子站明顯不一致[6]。

3 數據質量現狀

通過對空氣自動監測子站的數據統計分析得到,每年實時監測的近萬個監測數據中存在0.95%～3.18%的異常數據。其中以負值形式存在的異常數據占 38%左右,以零值附近波動形式存在的占 30%左右,以在某一數據附近波動形式存在的占 30%左右,數據突然升高形式存在的占 2%左右。其中工作人員基本能夠對負值形式、突然升高形式的數據做為異常數據判斷并進行處理。但對于零值附近、某一數據附近波動的,甚至一直以某一固定值出現的數據,只要沒有超過二級標準,都沒有對監測數據進行判斷、作為異常數據剔除。

4 異常數據產生的原因分析

4.1 氣路因素

采樣頭受到遮擋、污染或長時間沒有清洗,采樣管路堵塞或引風機的故障、閥板電磁閥不暢通等因素都可導致監測數值離群、較低、無變化。

4.2 分析儀的因素

4.2.1 SO2分析儀

SO2分析儀的采樣管道和限流孔受到空氣中灰塵的阻塞,內置泵的泵膜受到灰塵污染,紫外燈或檢測器老化與損壞,光電元件受到灰塵污染等都能引起監測值的突變。

4.2.2 NO2分析儀

NO2分析儀的采樣管道和限流孔受到空氣中灰塵的阻塞,外置泵的泵膜受到灰塵污染,光電倍增管室正常工作范圍是 0℃～3℃,儀器在使用過程中有時會出現光電倍增管室溫度超出范圍的現象,在鉬爐的轉化效率低于 96%時,會導致 NO2監測數據偏低從而導致監測數據異常值。

4.2.3 PM10監測儀

采集氣路系統漏氣,導致監測結果偏低;流量計受阻,采樣流量達不到預設的16.7L/min,使監測值偏高;采樣濾膜帶斷裂,測量值會持續增大或恒定不變;走紙主動輪性能不穩定,用力不均,使紙帶邊緣撕破,濾紙帶偏移計數器,數據將會出現恒定不變值;當外界氣候突變,如下雨時空氣濕度較大,加熱管不能完全分離水份,導致潮濕空氣中的水份吸附在濾膜上,在測量周期內吸附在濾膜上的低沸點物質、水份隨溫度的不斷上升而揮發,會出現監測數值為負值或一直處于一個很低水平的監測結果。

4.3 其他影響因素

(1)儀器與數據采集器的模擬輸出聯線松動會導致數據采集器顯示的監測數值與實際測量不符,工控機死機,會導致傳輸的數據為一恒定值。

(2)供電系統不穩定,斷電及斷電恢復后儀器預熱過程的監測值一般為離群、異常監測值。

5 異常數據的處理

對于異常數據應做到及時的判斷,查找異常數據產生的原因,并進行正確的數據處理,如在剔除異常數據后的其他正常數據滿足規范規定(二氧化硫、氮氧化物 18小時,PM1012個小時)的數據小時數,可以直接剔除異常數據進行數據統計,同時參看相同功能區的其他子站的數據,在剔除異常數據后的其他正常數據不滿足規范規定的數據小時數可采用其他監測手段、或參看相同功能區的其他子站的數據。具體數據處理程序如下圖所示。

圖 數據處理流程圖Fig. Flow diagram of data processing

6 結 論

無人值守的自動監測系統,因儀器維護周期較長,使一些儀器故障和外界因素的干擾不能及時排除,導致獲取一些異常監測數據,因此需要及時記錄大氣氣候條件的變化、對獲取的異常監測數據進行正確地、有效地判斷處理,建立好儀器校準、定期的零點和量程漂移檢查、異常監測數據的處理等數據質量保證制度并使之真正得以落實,確保自動系統采集數據的準確可靠,真正發揮自動監測的作用;為環境管理提供科學的依據[7]。

[1] Ivan Kantora,Michael W.Fowler,Amirhossein Hajimiraghaa and Ali ElkamelAir quality and environmental impacts of alternative vehicle technologies in Ontario[J].Canada International Journal of Hydrogen Energy,2010,35(10)：5145-5153

[2] Cowlinga E B,Eris manb J W,Smeuldersc SM,et al.Optimizing air qualitymanagement in Europe and North America：Justification for integratedmanagementof both oxidized and reduced forms of nitrogen[J].Environmental Pollution1998,102(1)：599-608.

[3] 曹家新.監測數據的審核及結果的分析與判斷[J].四川環境 2002,21(4)：19-21.

[4] Daniel A Vallero.Fundamentals of Air Pollution(Fourth Edition)[M].USA：Academic press,2007.296-312.

[5] 楊麗萍.環境空氣自動監測異常數據的判斷與處理[J].天津建設科技,2005,(增刊)：236-237.

[6] Longley ID,InglisD W F,M W,et al.UsingNOx and CO monitoring data to indicate fine aerosol number concentrations and emission factors in three UK conurbations[J].Atmospheric Environment,2005,39(28)：5157-5169.

[7] W illiams M L.UK air quality in 2050—synergies with climate change policies[J].Environmental Science&Policy,2007,10 (2)：169-175.