便攜式顆粒物分析儀在環境監測中的應用

婁亞敏 ，鄭 瑤 ，李 明 ，王 瑞 ，劉奕堯

（1.河南省環境監測技術重點實驗室，河南 鄭州 450046；2.河南省生態環境監測中心，河南 鄭州 450046；3.河南省開封生態環境監測中心，河南 開封 475000）

引言

隨著大氣污染防治工作的開展，各省紛紛采取各種方式推動環境空氣質量狀況的改善，并出臺相應考核方法，用于考核地方大氣污染治理成效。以河南省為例，2020 年3 月，河南省污染防治攻堅戰領導小組辦公室《關于印發河南省城市環境空氣質量生態補償辦法（試行）等辦法的通知》（豫環攻堅辦〔2020〕15 號），明確考核目標，并向社會公眾發布所轄市、縣（市、區）環境空氣質量排名情況。在對市級年度考核中，環境質量狀況占到7成，同時考核PM2.5、PM10年均濃度同比改善率、優良天數比例3 項指標。且若PM2.5、PM10年均濃度有一項同比不降反升的則降一個考核等級，兩項均不降反升的降兩個考核等級，直至降到不合格。由此可見，顆粒物濃度水平及其改善情況仍是地方大氣污染防治關注的重中之重。而監測數據的真實性和準確性又是考核的基礎，只有監測數據準確，考核才得以進行。

1 研究現狀

目前，根據環保部相關規范，顆粒物的監測手段有手工和自動兩種方法[1]。在具體環境質量目標考核中，主要采用自動方法。手工方法主要用于數據比對，多為了保障自動監測方法的準確。手工監測方法自身局限性較大，要到達每小時出數據較難，且需要投入較大的人力、物力，對實驗室要求水平要求相對較高。自動方法，有β 射線方法和微震蕩天平法，基于目前實際情況調查發現，β 射線方法在環境空氣質量監測中有更廣泛的應用。同時，隨著自動監測技術的發展，近兩年開始出現研究便攜式顆粒物分析儀比對儀器在環境監測中的應用。鄧芙蓉等研究了3 種不同型號的光散射工作原理的顆粒物監測儀的室內細顆粒物監測效果，并探討對其監測結果可能的影響因素[2]；高睿，李賽研究了6 種不同的采用光散射方法的便攜式顆粒物監測儀在室內PM2.5監測性能情況[3]；張展毅等在對揚塵及顆粒物的影響、研究現狀及監測方法進行對比分析的基礎上，完成了采用光散射技術的便攜式顆粒物獲得的結果的可靠性比對實驗，并對其進行了性能評估[4]。但采用β 射線方法的便攜式顆粒物分析儀在環境監測的應用研究鮮見，基于此，本文開展了基于β射線方法的便攜式顆粒物分析儀與環境空氣自動監測儀器比對研究工作，通過比對，了解PM2.5監測數據的真實性，同時積累便攜式顆粒物分析儀與自動監測儀器比對及環境空氣運維管理經驗。

2 顆粒物比對儀器

本次比對實驗使用到2 臺PM2.5便攜式顆粒物分析儀，型號為：METONE E-BAM，編號分別為Y24874、A12353；原理均為β 射線法，儀器采樣流量與環境空氣自動監測站保持一致，均設定為16.7L/min。

3 儀器安裝與樣品采集

每次比對在環境空氣自動監測站點放兩臺便攜式顆粒物分析儀，便攜式分析儀與自動站的采樣入口高度保持一致，距離1m 左右。

比對時間，其中7 月比對3 次；8 月比對3 次。分別涉及河南省6 個省轄市，扣除異常數據、儀器啟動、穩定等無效數據，最終獲得66 個有效日均值數據，1575 個小時有效數據。為了便于分析，本文每次結果均選取連續的5 天數據。

4 質量控制

本次使用的PM2.5便攜式顆粒物分析儀在使用前已采用參比方法與手工儀器進行過平行性比對，獲取的斜率、截距及相關系數均滿足《環境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續自動監測系統安裝和驗收技術規范》（HJ 665-2013）要求[5]，每次比對工作開始前，先對攜帶的便攜式顆粒物比對儀器進行檢查調試，包含設備清潔、儀器自檢、氣密性檢查、溫壓傳感器檢查、流量檢查、校準膜檢查。同時對環境空氣自動監測站進行檢查調試。待儀器穩定運行后，開始比對工作[6]。

5 監測結果

通過比對，將每次獲得的兩臺設備的小時值進行線性回歸分析，經分析，以Y24874 所監測值為Y 值，以A12353 所監測值為X 值，6 次線性回歸所得相應斜率、截距以及R2值結果見下表1：

表1 6 次比對兩個便攜性儀器監測數據線性回歸分析數據

站點日均值及兩臺比對設備的日均值及其相對偏差見表2。

6 結果分析

（1）從兩臺便攜式儀器6 次比對結果回歸分析來看：R2基本上都在0.93 以上，且兩臺儀器線性回歸的斜率差別較小，最大的斜率差也未超過0.07，斜率整體接近于1。截距也相對較小，在-1.665～0.8691 之間浮動，證明兩臺便攜式儀器有較好的相關性，監測數據一致性較好。各站點分布在河南省不同的市，兩個站點都有一定距離，每次比對前都需將儀器運輸至下一個站點，從便攜式儀器數據結果來看，儀器自身穩定性較好，不易受交通運輸等的影響。且環境溫度對儀器監測數據影響也不大。（2）從6 個站點比對數據來看，站點2 和站點6 的比對結果較好，2 臺比對設備的日均值與站點的日均值相對偏差基本上都低于5%，站點數據與便攜式儀器監測數據一致性較好。其他站點特別是站點1，2 臺比對設備的日均值與站點的日均值相對偏差都在14%以上，站點數據與便攜式儀器監測結果的一致性較差。根據《環境空氣質量監測點位布設技術規范（試行）》（HJ 664-2013）點位變更相關技術要求，當新選的城市點與原城市點平均濃度偏差小于15%，新選的城市點可代表當前城市該區域的城市環境質量[7]，由監測結果顯示站點2 和站點6 的監測數據可更好的代表環境空氣質量，站點1、3、4 的監測儀器運行情況值得關注。（3）抽取站點6 進行數據分析，對比站點6、兩臺便攜式儀器均值及該站點周邊城市點位8 月25 日-30 日小時數據，對應相應曲線見圖1。

表2 6 個站點相應比對數據（單位：ug/m3）

圖1 站點比對曲線圖

從圖1 可知，兩臺便攜式儀器均值與站點6 小時的曲線的一致性較好，該站點與周邊城市站點A、B 的曲線一致性也相對較好。監測數據值也較接近。證明該站點可真實反映當地空氣質量狀況。同時，對站點1 和兩臺便攜式儀器均值的小時值進行數據分析，結果表明，站點1 與兩臺便攜式儀器均值的小時值的曲線一致性較差。

由以上分析可見，便攜式儀器可用于日常環境空氣質量比對監測，相較于手工比對儀器，便攜式儀器具有體積小，可連續出數據與自動站儀器擁有相同的監測方法，適用性更強。同時，可以根據監測數據結果，對自動站數據進行反面印證，當關注到城市某個站點出現數據趨勢明顯異于周邊監測數據，可采用便攜式儀器進行比對，可快速判斷該站點或者周邊站點數據異常，為運維管理者提供準確的工作方向，減少不必要的工作。

雖然，便攜式儀器比手工方法獲取的數據快，但在日常監測工作中，應關注將便攜式儀器的相關質控工作，每次比對前應開展必要的質控工作，若條件允許，應先行開展3 日以上的運行工作，采用兩臺以上便攜式儀器進行比對，并對所獲得的數據進行線性和小時數據曲線分析，待儀器數據穩定后，再行開展正常的比對工作，以保障便攜式儀器監測數據的真實性，當其中任一臺監測數據出現異常時，應立即終止比對，待滿足條件后再行開展。

7 結束語

本文通過對幾次PM2.5便攜式顆粒物分析儀與環境空氣自動監測儀器進行比對，通過比對分析，發現便攜式儀器可較好的運行在環境空氣質量保障工作，對環境監測儀器的準確性起到積極的作用。可為環境空氣質量自動監測站運維管理等工作提供有效的手段。但在開展相應工作中，應注重質控工作的開展，確保開展的工作是有效的。