城市環境空氣質量自動監測優化布點研究

楊會珠++徐曼++王建國

摘要： 簡要介紹了環境空氣監測點位優化布點的步驟、原則以及基本方法，包括功能區法、模擬法、數理統計法、綜合法和模糊聚類分析法。

Abstract： This paper briefly introduces the steps， principles and basic methods of optimization of distribution of ambient air monitoring points， including functional area method， simulation method， mathematical statistics method， comprehensive method and fuzzy clustering analysis method.

關鍵詞： 環境空氣質量；自動監測；優化布點

Key words： ambient air quality；automatic monitoring；optimization of distribution points

中圖分類號：X831 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）23-0009-02

0 引言

城市與區域大氣污染形勢日益嚴峻，要掌握環境空氣質量的現狀與變化趨勢，就必須開展環境空氣質量監測[1]。以盡可能少的監測點位代表盡可能完整的空氣質量，環境空氣質量監測點位布設及優化是環境空氣質量監測非常重要的研究內容。

1 環境空氣質量監測布點的基本步驟

環境空氣質量自動監測布點及優化的基本步驟分為：確定監測目標、劃定監測范圍、歷史資料與數據的收集、確定監測點位的類型、數量與代表范圍、監測方案的設計與實施、監測點位的管理與優化。

2 環境空氣質量自動監測布點優化的基本原則

代表性：城市環境空氣質量評價點需能客觀、真實、全面地反映所在區域的環境空氣質量狀況。

完整性：城市環境空氣質量評價城市點應考慮城市自然地理、能源結構、氣象等綜合環境因素，考慮工業布局、產業結構、人口分布等社會經濟特點，在整體布局上反映城市主要功能區和主要大氣污染源的空氣現狀及變化趨勢，合理布局，各監測點之間相互協調。

前瞻性：兼顧未來城鄉空間格局變化趨勢以及城鄉建設規劃考慮監測點的布設。

針對性：堅持環境管理需求優先原則，監測數據是各項工作的基本依據，包括評價環境質量、污染物排放狀況和各級政府環境保護工作成效等。因此，城市環境空氣質量評價點位的設置應優先滿足環境管理的需求。

連續性：為了保持監測資料的連續性和可比性，原則上點位一經確認，不應變更，除非有不滿足規范的理由。

經濟成本最優：資源和能源的不合理使用造成了環境污染，影響了社會經濟的有序健康發展，環境問題的實質是經濟問題。同時，在決定監測點位時，還需要考慮現場的實際情況，交通是否方便、電力是否具備、周邊環境是否有干擾等。

調整優化后的城市評價點位能夠代表城市行政區劃改變后的污染水平，反映新的監測覆蓋區域和功能區，確保能客觀反映城市區域環境空氣質量狀況、污染物特征及分布規律，能全面評估區域污染水平及污染發展趨勢。點位的調整要綜合考慮點位布設等具體實施工作的可行性，做到監測點位理論上優化、技術上可行、采樣相對方便、立足當前兼顧發展。

3 監測點數量的確定

監測點的數目設置是一個與精度要求和經濟投資相關的效益函數，應根據監測范圍大小、污染物的空間分布特征、人口分布密度、氣象、地形、經濟條件等因素綜合考慮確定。在實際應用中，監測點位的數目的多少即對應著人力財力的投入量，因此監測點位數目的確定，應根據監測范圍大小、污染物的空間分布特征、人口分布及密度、氣象、地形及經濟條件等因素綜合考慮。

目前針對監測點位數目的確定主要以定性方法為主，也有人提出一些定量方法，但是由于這些定量方法在建模過程中使用到一些理想化假設條件，往往限制了其應用范圍，一般只能作為一個參考，還需綜合考慮其他因素。

最優監測點位數量的確定，要求控制監測點位的數量，但同時保證足夠的信息量，同時也要注意盡可能避免信息重復。監測點數目的確定，需要綜合考慮當地經濟社會發展條件，大氣污染物現狀等多方面的因素。

目前有基于人口數量、污染程度和面積、功能區等方法進行監測點位的確定。歐洲環保署（EEA）、世界衛生組織、美國等對懸浮顆粒物、SO2、CO、NO2等多個項目根據人口數量而確定監測點位數量，以最少的成本控制、最少的監測點盡可能全面地反映整個地區的污染水平；國外還有以測區面積及污染程度為基礎的經驗法，將污染超過年平均標準的地區、介于標準與本地水平之間的地區、本地水平地區三種，按照一定的公式計算所需要的監測點位；功能區布點考慮城市點位較少，僅布三、四個點。

4 監測布點優化的基本方法

監測點位優化方法很多，通常采用功能區網格法、數理統計法、模型法以及綜合法等方法進行優化。由于預測模型和預測精度對優化布點工作的結果的影響較大，比較難以廣泛應用。近年來，又發展出了系統聚類法、模糊優化、物元關聯分析法、人工神經網絡等，這些方法大多基于傳統數理統計模型，無法克服擾動的隨機性，對于一些非線性、非正太分布數據處理不理想。

最優監測點位的選擇必須考慮區域的氣象和地形地勢條件，使布點在地理上分布合理，布局均勻。監測點位的選擇可以分為兩個步驟，包括污染物變化規律相同區域劃分、在劃分的各區域中選擇合適的監測點。

監測點位的設置應具有好的代表性，所設置的監測點能反映一定范圍內的大氣環境的空氣質量現狀和變化規律：①布設的監測點位應覆蓋全部監測區，采點位應設在整個監測區域的高中低不同濃度的地方，能合理反映區域內空氣質量狀況、污染水平、污染規律；②點位設置應考慮環境本底因素，以及人口分布，產業結構、工業布局等社會經濟特點，分布相對均勻，覆蓋全部建成區；③區分不同類別功能區域空氣污染的現狀，注意點、線、面等污染源對城市人口集中區域的影響，工業集中地區、人口密度大的地區應適當多設置采點位；④兼顧完成城市自身所要求的空氣監測任務。

4.1 功能區法

我國在環境監測初期，都是采用功能區域的點位布設方法，該方法多用于一個城市僅考慮三、四個大氣監測點位的情況下。但是，特定范圍內，人類活動與該空間的空氣污染現狀之間關系不固定，各城市不具備可比性，因此對整個區域代表性就比較差。所以目前需要重新認識和研究該方法能否實現布點的優化。

4.2 數理統計法

數理統計法利用統計的原理分析監測布點的合理性和準確性，即假定了一個時間序列和空間范圍實際的大氣監測結果與大氣污染的分布狀況和擴散存在時間、空間上的相關性。但由于實際監測中點位布點和監測頻次的局限性，決定了監測結果的相關性較差，且沒有考慮污染源強度及環境條件的影響，因而有一定的不合理性。

4.3 模擬法

模型模擬的結果受污染源分布、污染擴散規律、氣象條件等環境條件多方面影響，同時還與模型模式的適用程度和模式方法選取等因素有關。掌握一個區域內環境空氣的污染物分布情況是比較困難的工作，需要大量的監測網格數據，模擬法在客觀環境要素等條件的獲取和具體模式的選擇和使用等方面都存在無法避免的數據缺失，難以提高模擬的精度和預測的準確度，做到通用有一定難度。

4.4 綜合法

綜合法能基本上解釋環境空氣質量的時空變化特征，揭示大氣污染物濃度的變化規律。它考慮了影響環境空氣質量的各種因素，用大量的實測數據來提高模擬結果的準確度，彌補其他環境條件信息的缺失。但該方法要求原始大氣監測網的密度高，否則等值線無法建立，無法進一步深入分析，在具體操作上還是具有較大難度。

4.5 模糊聚類分析法

目前來說，最為常用的還是模糊聚類分析法，利用模糊數學方法進行數學處理更科學，它能有效解決評價標準的邊界模糊和監測誤差對評價結果的影響。同其它方法相比，此方法原理簡單、計算量小，模型直觀，人為影響小，符合環境空氣監測網格化點位布設的基本要求，同時也具有整體代表性。

5 小結

環境空氣質量監測點位布設涉及自然環境和經濟社會生活的諸多方面，僅使用一種或幾種方法無法真實反映實際情況，而使用的方法過多又可能會使問題復雜化，不利于布點工作順利開展。因此可以采用以下原則開展點位優化：根據不同的管理需要，多組合利用上述方法，也就是將這些方法以類型和次序為對象進行組合應用，以期達到理想的研究效果。

參考文獻：

[1]王秀梅，張淑紅.大氣環境監測的應用及布點方法[J]北方環境，2011，23（7）：218.

[2]劉潘偉，鄭君瑜，李志成.區域空氣質量監測網絡優化布點方法研究[J]中國環境科學，2010，30（7）：907-913.

[3]陳艷萍.淺談城市環境空氣監測點位的優化調整[J].科技與企業，2012（10）.