城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究

宋曉鵬 賀承川 江源

關(guān)鍵詞：城市區(qū)域；空氣污染物質(zhì)；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；污染等級(jí)

前言

城市的污染指數(shù)直線上升，空氣中污染物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致人們身體不適，甚至產(chǎn)生健康問(wèn)題。而造成空氣污染物質(zhì)提升的因素很多，例如機(jī)動(dòng)車排放物質(zhì)、天氣氣象因素、污染源等。為避免空氣污染物質(zhì)給人們?cè)斐筛鼑?yán)重的影響，需要監(jiān)測(cè)城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)。

李藝等人研究了大氣污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常值判別方法，該監(jiān)測(cè)方法結(jié)合大氣污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列波動(dòng)特點(diǎn)，基于滑動(dòng)窗口機(jī)制和統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)構(gòu)建異常值判別方法．通過(guò)異常值監(jiān)測(cè)污染，但是該方法的評(píng)價(jià)結(jié)果不夠完善，存在監(jiān)測(cè)效果差的問(wèn)題。趙冉等人提出天地一體化遙感監(jiān)測(cè)大氣污染技術(shù)，該方法利用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)大氣中的污染物開展連續(xù)監(jiān)測(cè)，從中取得污染物質(zhì)濃度的廓線信息數(shù)據(jù)，基于獲取的結(jié)果將其與遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，評(píng)估污染情況，該方法評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性低，監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差大。

為解決上述方法存在的問(wèn)題，提出城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究。該方法分析了污染物質(zhì)影響因素，并且引入了GM模型，構(gòu)建了大氣污染物質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型，利用該模型對(duì)城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)實(shí)行監(jiān)測(cè)，并且劃分了污染等級(jí)，實(shí)現(xiàn)污染監(jiān)測(cè)。

1分析城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)影響因素

1.1污染因素

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展日益提升狀態(tài)下，中國(guó)各個(gè)城市中的機(jī)動(dòng)車隨之增加。城市區(qū)域中的空氣污染大部分來(lái)源于機(jī)動(dòng)車尾氣排放污染，導(dǎo)致城市區(qū)域道路空氣質(zhì)量污染濃度升高。

1.1.1機(jī)動(dòng)車交通流污染濃度分析

機(jī)動(dòng)車在駕駛期間，最主要的污染排放物質(zhì)為：CO、NO2、HC等。基于機(jī)動(dòng)車對(duì)城市空氣污染物質(zhì)濃度的研究，主要影響因素分別是：天氣、道路、污染物源等。依據(jù)機(jī)動(dòng)車的構(gòu)造比例，排放污染濃度也不相同，不同車輛排放的污染濃度公式為式（1）：

1.1.2機(jī)動(dòng)車燃料分析

目前為止中國(guó)機(jī)動(dòng)車燃料可分為三類，而這三種能源所包含的燃料能源不相同。例如柴油、汽油屬于液態(tài)燃料；壓縮天然氣CNG、液態(tài)石油氣LPD屬于氣態(tài)燃料；混合動(dòng)力、電力則是包含在其余燃料能源中。

燃料類型不同，機(jī)動(dòng)車排放的污染物質(zhì)也大同。城市道路中機(jī)動(dòng)車中汽油汽車排放的污染量最大，CO、HC汽油汽車排放最多的污染物質(zhì)，其排放總量超過(guò)其余污染物質(zhì)排放總量的65%。

1.1.3風(fēng)影響因素分析

汽車行駛過(guò)程排放的尾氣與大氣充分反應(yīng)后，通過(guò)空氣的流通和擴(kuò)散性，將污染物質(zhì)傳輸?shù)匠鞘胁煌膮^(qū)域。而空氣的流通和擴(kuò)散受到風(fēng)因素影響，該因素導(dǎo)致污染物在空氣中徹底擴(kuò)散，且濃度增加。但是處于有益的氣象擴(kuò)散條件下，污染物質(zhì)濃度逐漸降低。由此可知，空氣流通和擴(kuò)散形成風(fēng)，通過(guò)風(fēng)的變化改變城市空氣污染物濃度。

通過(guò)上述分析得知污染物質(zhì)在空氣中擴(kuò)散時(shí)，風(fēng)起到主要作用，因此，需要分析風(fēng)的方向和速度。利用污染系數(shù)理念，獲取風(fēng)向比值，式（2）為：

1.2城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

1.2.1建立城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)濃度的GM動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型

依據(jù)分析結(jié)果，構(gòu)建GM動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型，利用該模型監(jiān)測(cè)城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)，以此實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是指應(yīng)用多時(shí)相、多波段和多源數(shù)據(jù)等手段對(duì)地球資源與環(huán)境各要素時(shí)空變化進(jìn)行的監(jiān)視。

1.2.2污染物質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)

利用構(gòu)建的模型監(jiān)測(cè)城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)濃度，主要監(jiān)測(cè)SO2濃度、NO2濃度和PM2．5濃度，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

1.2.2.1S02濃度監(jiān)測(cè)

采用GM模型監(jiān)測(cè)SO2濃度，依據(jù)城市區(qū)域前三年濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果，設(shè)立S02原始數(shù)據(jù)序列，公式為式（5）：

通過(guò)計(jì)算結(jié)果得知監(jiān)測(cè)精度較高，因而判定GM模型的監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠度較高，從而可以通過(guò)該模型監(jiān)測(cè)SO2濃度。

1.2.2.2N02濃度監(jiān)測(cè)

選取前三年N02濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果，設(shè)置N02濃度初始數(shù)據(jù)序列，并采用GM模型監(jiān)測(cè)N02濃度，表示如下：

1.2.2.3PM2．5濃度監(jiān)測(cè)

獲取前三年P(guān)M2．5濃度實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，從而構(gòu)建PM2．5濃度初始數(shù)據(jù)序列，表示為式（11）：

通過(guò)計(jì)算結(jié)果得知監(jiān)測(cè)精度較高，因而判定GM模型的監(jiān)測(cè)可靠度較高，從而完成PM2．5濃度監(jiān)測(cè)。

2城市區(qū)域空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1確立空氣污染限值

以上述監(jiān)測(cè)的城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)濃度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)API空氣污染指數(shù)評(píng)價(jià)城市的空氣質(zhì)量狀況。城市區(qū)域空氣中的污染指數(shù)范圍大致在0～500點(diǎn)，當(dāng)污染指數(shù)越大時(shí)，對(duì)應(yīng)的污染濃度越高，也因此驗(yàn)證了該城市區(qū)域空氣污染的程度越嚴(yán)重。在國(guó)家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，日均值的空氣污染物濃度限值分為三級(jí)，而最高范圍的500點(diǎn)是對(duì)公眾身體健康危害最高的等級(jí)。通過(guò)API空氣污染指數(shù)劃分空氣污染限值更好地描述污染情況。利用下述方程表達(dá)式計(jì)算城市區(qū)域空氣污染指數(shù)。該方程表達(dá)式標(biāo)記為式（14）：

通過(guò)表1中的限值，可以確定城市區(qū)域空氣中最主要的污染物。

2.2監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量定級(jí)及補(bǔ)救措施

在上述空氣污染限值設(shè)置的基礎(chǔ)上，將城市區(qū)域空氣質(zhì)量分為不同的等級(jí)，以定級(jí)的形式判斷城市區(qū)域中的空氣質(zhì)量級(jí)別，并說(shuō)明不同等級(jí)的空氣質(zhì)量對(duì)人體造成的影響結(jié)果，以及采取的補(bǔ)救措施。以CO污染物為例，空氣質(zhì)量類別評(píng)價(jià)見表2。

3實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究的整體有效性，需要對(duì)該方法進(jìn)行對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)。

采用城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究（方法1）、大氣污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常值判別方法（方法2）、天地一體化遙感監(jiān)測(cè)大氣污染技術(shù)（方法3）開展對(duì)比測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)以山東煙臺(tái)美食城為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2022年1月份至2022年10月份，在此期間，利用不同方法對(duì)美食城營(yíng)業(yè)前、營(yíng)業(yè)中的污染物質(zhì)濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以大氣污染中的CO濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果和S02監(jiān)測(cè)濃度準(zhǔn)確率為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。

（1）利用方法1、方法2和方法3分別對(duì)不同時(shí)期的美食城污染濃度實(shí)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證該方法的監(jiān)測(cè)性能，具體測(cè)試結(jié)果見圖1。

實(shí)驗(yàn)共分為兩個(gè)時(shí)間段，分別是美食城營(yíng)業(yè)前及營(yíng)業(yè)中的CO濃度監(jiān)測(cè)。從圖1中的數(shù)據(jù)可以看出，三種方法與實(shí)際測(cè)試結(jié)果均有誤差。從運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)看，方法1的運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際結(jié)果的運(yùn)動(dòng)軌跡相同，且兩者之間相差的距離較小。而方法2和方法3的運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際結(jié)果大不相同，由此可以看出方法2和方法3的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間存在的誤差較大。圖1中，能夠看出營(yíng)業(yè)中的美食城CO濃度有著顯著的提升，這說(shuō)明正在營(yíng)業(yè)的美食城產(chǎn)生的CO比營(yíng)業(yè)前的高。整體來(lái)說(shuō)，三種方法的運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡都有著不同之處，但方法1的運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際值最貼近，且兩者之間距離較小，表明方法1與實(shí)際結(jié)果的誤差要小于方法2和方法3。

綜上所述，方法1的CO濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值最相近、誤差最小。這主要是因?yàn)榉椒?分析了城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)影響因素，為后續(xù)監(jiān)測(cè)奠定了重要基礎(chǔ)，使其監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差小，提升了方法1的監(jiān)測(cè)性能。

（2）實(shí)驗(yàn)仍以上述城市為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)城市空氣污染物質(zhì)S02。

采用方法1、方法2和方法3對(duì)2022年1月到10月的SO2濃度監(jiān)測(cè)實(shí)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖2。

從圖2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同月份下的S02濃度均不相同，且三種方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果都存有差異。在兩種階段下，方法1的監(jiān)測(cè)結(jié)果始終保持在75%以上，與方法1相反的是方法2和方法3都持續(xù)在75%以下，且方法2在第二階段測(cè)試中監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率極低。因而斷定出方法1的監(jiān)測(cè)效果最優(yōu)。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著各個(gè)城市的發(fā)展，導(dǎo)致城市區(qū)域中的空氣污染濃度較高，嚴(yán)重影響了人們身體健康，為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到空氣污染濃度，提出城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究。該方法從機(jī)動(dòng)車交通流污染濃度、機(jī)動(dòng)車燃料、風(fēng)影響因素三方面分析污染影響因素，引入GM模型，根據(jù)分析結(jié)果建立動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型，主要檢測(cè)SO2濃度監(jiān)測(cè)、N02濃度監(jiān)測(cè)、PM2．5濃度監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果設(shè)立了空氣污染限值，根據(jù)限值設(shè)置空氣質(zhì)量等級(jí)，并且給出對(duì)應(yīng)的補(bǔ)救措施，實(shí)現(xiàn)城市區(qū)域空氣污染物質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該方法與其他監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析后，監(jiān)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致，監(jiān)測(cè)精度高于對(duì)比方法，因此，該方法在空氣污染物質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法中占據(jù)著重要地位，在今后空氣污染物質(zhì)監(jiān)測(cè)方法中發(fā)展空間較長(zhǎng)。