環境空氣PM2.5連續監測系統手工采樣的比對測試探究

熊雅菁，黃 萍，廖祖文

（江西省交通科學研究院，南昌 330200）

PM2.5也被稱為細顆粒物、細粒、細顆粒，是指懸浮于空氣中的直徑不大于2.5 μm的小顆粒，一般PM2.5濃度越高，空氣污染越嚴重。20世紀中期以來，有關環境保護的討論越來越多，尤其是空氣污染，“倫敦霧”事件將空氣環境保護推上高峰，針對PM2.5的監測活動也越發頻繁。分析環境空氣PM2.5連續監測系統手工采樣、自動采樣的效果，探析提升監測成效的方式十分必要。

1 環境空氣PM2.5連續監測對比試驗

1.1 試驗觀察指標

本次試驗觀察的指標為監測精度，記錄手工采樣所獲數值以及自動采樣所獲數值，了解其均值以及最大值、最小值，同時設立參照組，選派一組技術人員以美國標準進行高精度監測，對比手工采樣組、自動采樣組所獲數據與精度監測組的差別，結合監測數據對應的氣象條件，判定兩種監測方式的有效性。完成對比分析后，進一步給出不同采樣手段的應用條件、提升監測有效性的建議。

1.2 試驗準備

為進一步確保試驗的準確性，手動采樣組選取十臺設備進行工作，自動采樣組也選取十臺設備進行工作，兩組設備均在春季、夏季、秋季、冬季采集數據，共60 d（每個季節15 d），對數據進行記錄和分析。設備方面，自動采樣組應用美國LIGHTHOUSE公司生產的PM2.5制動檢測儀。該儀器分析原理為β射線吸收法，標準進氣流量為16.67 L/min，切割器為旋風式，性能方面，設備可測量PM0.5，PM1.0，PM2.5，PM5.0，PM10.0及環境溫濕度，監測范圍為0.3～10 μm，6通道同步監測，工作溫度在10～40℃，工作濕度15%～90%。手動采樣組應用小流量PM2.5自動換膜采樣器（德制），流量校準儀、溫濕度表、空盒氣壓表均為國產，恒溫恒濕濾膜自動識別稱重系統為德國制造。

1.3 試驗過程與結果

試驗在4月1日開始，采樣地點均為遼寧沈陽某郊外，設備間距平均為1.5 m，自動采樣全天進行，手動采樣每天6點開始，每隔6 h進行一次，一天進行三次，記錄PM2.5濃度、空氣濕度和環境溫度。取自動采樣機對應時間節點所獲數據，對每組數據進行加工，提煉最大值、最小值和平均值，記錄數據。試驗共持續一個月，將一個月內所用樣本數據進行進一步加工，提煉最大值、最小值、平均值，分析溫度影響、濕度影響，將兩組數據與高精度數據進行對比，分析差異。

結果上看，環境溫度和濕度情況會明顯影響PM2.5濃度，溫度方面，PM2.5濃度隨溫度上升而下降，趨勢不顯著；濕度方面，PM2.5濃度隨濕度增加而加大，趨勢顯著。采樣結果方面，當溫度環境、濕度環境處于特殊狀態（溫度大于40℃、小于10℃；濕度大于90%、小于15%）時，手動采樣組所獲數據更為精確，變動幅值平均為5.1%，平均值方面，春季為87.4 μg/m3、夏季為 54.2 μg/m3、秋季為 47.4 μg/m3、冬季為37.8 μg/m3。自動采樣組所獲數據相對較差，變動幅值為13.2%；平均值方面，春季為88.2 μg/m3、夏 季 為 54.7 μg/m3、 秋 季 為 46.8 μg/m3、 冬 季 為36.2 μg/m3。當溫度環境、濕度環境處于普通狀態（溫度處于10～40℃；濕度處于15%～90%）時，自動采樣組所獲數據更為精確，變動幅值平均為3.1%，平均值方面，春季為87.9 μg/m3、夏季為53.7 μg/m3、秋季為47.2 μg/m3、冬季為36.6 μg/m3。自動采樣組所獲數據相對較差，變動幅值為5.2%，平均值方面，春季為87.2 μg/m3、夏季為54.4 μg/m3、秋季為47.6 μg/m3、冬季為 37.3 μg/m3。所獲 PM2.5 濃度差異如圖1所示（橫線為美國標準）。

兩組所獲極限值也有所差別，其中春季較為明顯，并呈現逐季下降趨勢。春季極限值差異約為3%、夏季極限值差異約為2.6%、秋季極限值差異約為2.4%、冬季極限值差異約為2.1%。具體數據方面，手動采樣組春季所獲極限值分別為15.4 μg/m3（極小）、234.4 μg/m3（極大），自動采樣組春季所獲極限值分別為15.9 μg/m3（極小）、232.1 μg/m3（極大）；手動采樣組夏季所獲極限值分別為13.7 μg/m3（極小）、187.2 μg/m3（極大），自動采樣組夏季所獲極限值分別為14.1 μg/m3（極小）、185.5 μg/m3（極大）；手動采樣組秋季所獲極限值分別為10.2 μg/m3（極小）、137.9 μg/m3（極大），自動采樣組秋季所獲極限值分別為10.9 μg/m3（極小）、138.2 μg/m3（極大）；手動采樣組冬季所獲極限值分別為7.4 μg/m3（極小）、117.4 μg/m3（極大），自動采樣組冬季所獲極限值分別為7.3 μg/m3（極小）、122.9 μg/m3（極大）。所獲極限值數據差異對比如圖2所示。

圖1 所獲PM2.5濃度差異對比

圖2 兩組所獲極限值對比

1.4 試驗分析

結合觀測所獲數據，可以發現手動采樣和自動采樣的精度總體均比較理想，但在特殊環境下，手動采樣不會受到工作環境的影響，監測所獲數據更為精確，自動采樣則受到機械工作上限、下限的約束，存在較大的幅值波動。在常規環境下，機械設備自動采樣的精度更理想，手動采樣由于存在較大誤差，精度上會出現一定不足，導致較大的幅值波動。

2 核心結論

2.1 空氣PM2.5連續監測方式選取

雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質（如重金屬、微生物等），在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響較大。結合上文試驗得出結論，如果環境不存在特殊變化，可以應用設備進行自動采用，分析PM2.5的濃度；如果環境較為特殊，可以應用手動采樣的方式保證工作精度[1]。

2.2 加強監測有效性的建議

為求強化環境空氣PM2.5連續監測的有效性，筆者提出以下建議。一是應用大數據提升自動設備程序設計效果，二是進行自動采樣和手動采樣聯合工作，三是多次采集數據獲取平均值。

2.2.1 大數據的應用

大數據（Big Data），指無法在一定時間范圍內用常規軟件工具進行捕捉、管理和處理的數據集合，是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發現力和流程優化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產。在環境空氣PM2.5連續監測工作中，大數據的價值體現在模型分析上，現有的監測設備是在計算機默認程序下工作的，其工況變化以及檢測上下限均存在一定的約束，應用大數據可以提升約束的有效邊際，保證程序的科學性。

具體而言，工作人員可以收集不同時期、室外環境、時間節點的PM2.5數值，了解其上下限、計算平均值，以平均值為基礎，建立常規模型，以最大值和最小值為基礎，建立奇異值模型，就兩個模型分別設定兩套程序，帶入自動檢測設備中，提升檢測工作的范圍，如果當地溫度、濕度條件無異常，啟動常規模型程序進行PM2.5濃度監測；如果當地溫度、濕度條件不理想，啟動奇異值模型程序進行PM2.5濃度監測，進一步保證結果的科學、可信[2]。

2.2.2 聯合采樣方式的應用

自動采樣方式和手動采樣方式各自存在優缺點，單一采用都可能導致工作成效降低，在條件允許的情況下，各地可以建立綜采站，如果天氣條件較為理想，空氣濕度、環境溫度處于可控范圍內，應用自動采集設備收集各類信息，了解PM2.5濃度；如果天氣條件存在特殊性，溫度過高、過低，或者濕度過大、過小，則以人工進行采樣、分析，確保所獲成果真實可信[3]。

在聯合采樣方式的應用中，要求明確給予不同采樣方式的應用標準，如當溫度值達到何種程度時進行人工采樣、當濕度值達到何種程度時進行自動采樣等，并將其作為工作標準予以明確，避免工作責任不清導致監測結果失效情況。

2.2.3 采樣平均值的應用

采樣平均值是指在同一時段應用兩臺以上設備分別進行采樣和分析作業，將結果進行匯總，取平均值作為PM2.5濃度標準值，如果當地資金條件不理想，也可以應用同一臺設備在較短時間內進行兩次以上的采樣和分析作業，將結果進行匯總，取平均值作為PM2.5濃度標準值。如果當地對PM2.5濃度監測結果有較高的精度要求，可以進行更多次數的采樣和分析，進一步保證結果的科學性。采樣平均值的應用還要注意參數記錄和計算過程中的細節，避免出現計算錯誤、參數記錄錯誤等情況，使工作結果失真。

3 結語

通過對比環境空氣PM2.5連續監測系統自動采樣和手工采樣的差別，人們可以了解其基本內容。空氣PM2.5監測是現代環保工作的重要內容之一，了解不同方式的可行性非常必要，我國空氣環境特殊，不能簡單套用手工采樣或自動采樣模式。對比試驗表明，在一定范圍條件下，手工采樣的精度更高，環境無特殊性時，自動采樣優勢明顯。后續工作中，人們應針對實際情況選取合適的監測方式。

參考文獻

1 劉 然.探討環境空氣中PM2.5自動監測方法的比較及應用[J].環境與發展，2017，29（5）：137-139.

2 張文輝，虞曉芬，李金濤.杭州市主城區居住區空氣PM2.5濃度監測與分析[J].中國衛生檢驗雜志，2017，27（14）：2075-2077.

3 王 強.環境空氣PM2.5連續監測系統比對測試評價指標研究[A].中國環境科學學會.2014中國環境科學學會學術年會[C].北京：中國環境科學學會，2014：12.