白城市顆粒物自動監測手工比對分析

安平平,王春旭

(吉林省生態環境監測中心,吉林 長春 130000)

隨著生態環境監測網絡的全面部署和開展,環境空氣自動監測站點的數量不斷優化和增加,覆蓋區域更廣,監測網絡逐步細化,形成的數據平臺在空氣質量現狀評價、預報預警和匯總統計分析工作中起著重要作用,保證連續自動監測系統數據的準確性更是重中之重。在2012 年發布并在2016 年1 月1 日全面實施的《環境空氣質量標準》(GB 3095-2012)中,首次將PM2.5納入了空氣質量控制目標。PM10和PM2.5作為基本項目,明確規定了兩類功能區24 小時平均值以及年平均值的限值要求。由于顆粒物來源及組成復雜,現用的連續自動監測系統原理各不相同,且其質量控制不同于二氧化硫等氣態污染物,可以通過標準氣體進行相關溯源校準,準確監測難度相對較大。國內外現均采用手工監測方法與自動監測結果進行比對的方式,來判斷自動監測結果的準確性。

現有很多地區都開展了顆粒物自動監測手工比對的監測和研究,但由于各地氣候、氣象、地理位置、經濟狀況和能源結構等各不相同,比對結果也存在明顯的差異,為使研究結果貼近本地實際情況,比對監測的本地化十分必要。

本文通過2020 年8 月及10 月,在吉林省白城市開展顆粒物自動監測手工比對實驗,對比對結果進行相關性分析和相對偏差分析。

1 比對監測實驗

1.1 監測儀器與分析設備

本次比對使用的手工監測儀器為康姆德潤達自動換膜采樣器,型號為PNS16T,流量設定為16.7L/min,每批次采樣前均進行氣密性檢測,并對流量、溫度、壓力進行核查,采樣時段為每日0 時-23 時。使用47mm 聚四氟乙烯濾膜進行采樣,稱重設備使用康姆德潤達AWS-1R 型自動稱重系統,內配有百萬分之一天平,艙室溫度20±1℃,濕度50±1%RH,帶有除靜電裝置,濾膜平衡時間為24 小時,兩次稱重取平均值作為稱重結果。

自動監測設備為賽默飛世爾科技有限公司生產的5031i 顆粒物分析儀,原理為β 射線+動態加熱法,流量為16.7L/min,運維公司每周對采樣流量進行校準。

1.2 監測點位

監測點位選取位于白城市市民廣場內空氣自動監測站內。該站房為2019 年新建,采樣口高度約為3.5m,手工采樣器置于站房頂部,切割器與自動采樣設備采樣口處于水平位置,距離約1.5m。站點周圍無高樓和明顯污染源。

1.3 監測時間

在 2020 年有 8 月 7 日-20 日以及 10 月 10 日-23 日進行手工比對現場采樣,獲得數據對28 組。剔除因設備故障導致的無效數據對,共獲得PM10有效數據對27 組,PM2.5有效數據對28 組。

圖1 PM10、PM2.5 比對結果相關性分析

2 實驗結果

2.1 相關性分析

為比對自動監測與手工監測結果的一致性,以手工監測結果為橫坐標,自動監測結果為縱坐標,進行線性回歸分析,并考察回歸分析指標的符合性。PM10、PM2.5線性回歸分析見圖1。

HJ 655 為顆粒物(PM10和PM2.5)連續自動監測系統安裝和驗收規范,該標準參比方法比對結果的相關性做出了具體規定,以此標準指標要求對本次實驗相關性做出符合性評價,相關性指標及符合性結果見表1。

由表1 可知,除PM10斜率未滿足要求外,其它指標均符合標準要求。

對PM10比對結果的相對偏差高值進行環境條件和氣象情況調查發現,10 月21 日受蒙古沙塵影響,被判定為沙塵天氣,剔除沙塵天氣數據后,PM10回歸分析結果比對見表2。

表2 PM10 回歸分析結果比對

由表2 可以看出,剔除沙塵影響數據后,回歸指標均發生變化,相關系數升高,斜率上升并達到規范要求,截距變小并接近0。

在回歸方程中,斜率代表自動監測儀器的系統誤差情況,剔除沙塵影響數據后,斜率接近1,表示自動監測儀器的系統誤差很小；截距代表初始誤差情況,其接近原點,表示初始誤差極低。可見,在進行自動監測手工比對過程中,當受沙塵影響時,會使監測結果偏差變大。

2.2 相對偏差分析

以自動監測數據與手工監測數據得到的日均值的相對偏差、相對偏差的絕對值來表示比對結果,公式如下：

其中,RD：相對偏差(%)；ρC：自動監測結果,ug/m3；ρM：手工監測結果,ug/m3。

圖2 不同PM10 濃度下自動和手工監測值相對偏差

圖3 不同PM2.5 濃度下自動和手工監測值相對偏差

PM10比對得出的26 組數據對中,RD 范圍-24.9%～30.8%,|RD|的平均值為13.1%。以手工監測結果與|RD|做圖,見圖2。

此次實驗獲得的PM10監測數值濃度偏低,因此將PM10監測結果劃分為A 段(≤20ug/m3)、B 段(20-75ug/m3)和C段(＞75ug/m3)各區間的樣本量分別為10、15 和1。各區間的濃度平均值分別為 12ug/m3、28ug/m3和 104ug/m3,|RD|平均值分別為16.4%、10.6%和5.8%,|RD|平均值排序為A 段＞B段＞C 段。可以看出,在A 段極低濃度區域內,相對偏差很分散且多為正偏差,表明自動監測數據大于手工監測,隨著PM10濃度升高,|RD|有所降低。由于本次實驗獲得的C 段數據樣本僅有1 個,因此對濃度段的|RD|平均值有待進一步研究。

PM2.5比對得出的28 組數據對中,RD 范圍-12.5%～80.0%,|RD|的平均值為29.0%。以手工監測結果與|RD|做圖,見圖3。

本次實驗獲得的28 對數據中,PM2.5數據均低于35ug/m3,為觀察監測結果與|RD|的關系,將PM2.5監測結果劃分為A 段(≤10ug/m3)和B 段(10-35ug/m3)。各區間的樣本量分別為21 和7。各區間的濃度平均值分別為5ug/m3和17ug/m3,|RD|平均值分別為31.9%和9.9%。可以看出,在A段濃度區域內,RD 分散且多為正值,表明在極低濃度時,自動監測數據多高于手工監測,隨著PM2.5濃度升高,|RD|隨之降低且趨于集中。由于本次實驗獲得的PM2.5濃度整體偏低,僅對低濃度區域的相對偏差變化情況進行分析,其它濃度區域仍有待進一步研究。

2.3 原因分析

在對PM10和PM2.5的相對偏差分析中,都出現了隨顆粒物濃度升高,|RD|降低的現象,可能是由于顆粒物濃度處于較低水平,且濃度值均取整數進行計算,因為造成濃度越低,|RD|越高。在PM2.5的比對中,還出現了RD 為80%的極高值,它對應的數據對為(9,5)。

3 結束語

在對白城市顆粒物比對監測實驗中,對PM10和PM2.5比對結果進行相關性分析,除PM10斜率外,其它指標均符合技術規范(HJ 533-2013)的要求。剔除沙塵影響數據后,PM10回歸指標均出現向好變化且全部符合規范要求。當PM10和PM2.5監測結果處于較低濃度時,隨顆粒物濃度逐漸升高,|RD|隨之降低。