大气环境监测布点方法研究

   
    大气环境监测主要是针对大气中的污染物的监测，对其种类和浓度进行观察和分析，实时掌握各种污染物的动态变化已经它们对环境的影响。大气环境监测对象主要是分子状的污染物，如：一氧化碳、臭氧、碳氢化合物以及硫、氮氧化物等污染物，还包括飘尘、悬浮微粒等颗粒状的污染物。对这两种状态的污染物在大气环境中进行布点、采样、观察和分析等一系列质量监测工作。监测项目通常根据地区实际的区域特点，气候特点、污染源的分布情况来进行规定。其中对大气污染物中的氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳和悬浮颗粒物加降尘的监测是国家规定的大气监测项目，另外可根据地方特点和污染源特征增加对碳氢化合物、二氧化氮、铅等污染物的监测项目。

　　1.大气环境监测的意义

　　2007年国家环保总局公告《环境空气质量监测规范（试行）》实施以来，我国的大气环境监测取得了很大的进展，但是随着我国工业化、城镇化程度的不断推进，我国大城市的大气环境问题不容乐观，已经影响到了人民的健康水平，对我国的大气环境监测工作提出了新的要求和挑战。进行大气环境监测的意义主要体现在三个方面：

　　第一，对人的意义。人作为社会活动主体最基本的权利是生存权，大城市的大气环境在无形中对人的身体产生极大的影响，恶劣的大气环境甚至威胁人的生命，因此，对大气环境进行日常监测是保证人的生存权的最基本的要求。

　　第二，对动植物的意义。动植物动过光合作用或呼吸作用来存活，在这个过程中与空气进行融合；空气中的污染物对周围环境，如土壤、水等的不良影响也会导致动植物受害，甚至导致动物大批死亡，植物大量枯萎。

　　第三，对社会环境的意义。大气污染物通过对人、动植物的影响，最终会导致活动的承受体――社会环境不断恶化，大气监测最后是通过对社会环境的监测观察来实现，通过对社会环境中不同时空、不同种类污染物的浓度进行监测，最后有利于对污染浓度进行有效控制，保持社会的可持续发展。

　　2.大气环境监测布点点位选取的原则

　　2.1代表性原则

　　代表性是指当前所选取的点位要能够真实有效的代表点位所代表区域的真实情况，对于该区域主要污染物浓度进行重点监测，并能够对未来发展趋势做出有效的判断。

　　2.2一致性原则

　　一致性是指当前布点监测的大气污染物种类和浓度能够与周围保持一致。无论从监测地形，还是监测地气候环境来看，保持一致性是对监测数据进行合理性分析和判断的基础和前提。

　　2.3经济性原则

　　经济性是指在保证大气环境监测数据有效科学合理的基础上，对监测点位加以科学分配，争取做到在污染物严重地区多布点，在工业化程度不高，如农村地区进行少量布点，将有效的资源尽可能用到重点区域。

　　2.4科学性原则

　　根据污染物的不同，布设大气环境监测布点的时，结合实际需要采取不同的方法，如果监测对人体有较大危害的气体污染物时，监测点位的高度尽量控制在1.5米到2.0米之间，或者选取一个适当的参考值1.7米；如监测对植物有重大影响的大气污染物时，监测点位高度应该尽量与植物的中心叶面保持一致。

　　3.常规监测布点法

　　常规布点法，也称为经验法，主要是针对未建立监测网或者监测数据相对有限的地区，根据已有的监测经验确定采样点的方法。其常用方法有以下这些。

　　3.1功能区布点法

　　该方法主要用于区域性常规监测。将监测区域按功能分区，如分成居住区、商业区、工业区、混合区等。然后在不同的功能区内，按照污染程度及人力、物力的分配能力，设置数量不等的采样点。通常在大气污染扩散点上采样，能够更好地反映大气环境污染的程度[2]。

　　3.2网格布点法

　　这种方法是将监测区域均分成一定大小的网格，采样点设在网格中心或网格的角点上。网格的大小由污染程度、监测能力、人口分布密度等因素决定。一般污染源数量比较多、分布又较均匀的区域较适合采用这种方法。主要优点是受人为主观因素影响较小，能较直观地反映出污染物的空间分布状况。

　　3.3同心圆布点法

　　有多个污染源且分布相对集中的区域可采用此法。以污染群中心为圆心，画出若干同心圆，再以圆心为起点作出若干射线，将圆周与射线的交点作为采样点。通常下风向可设置较多的采样点。

　　3.4扇形布点法

　　适用于孤立的高架点源（如高烟囱）且主导风向比较明确的区域。以污染点源为起点，主导风向为轴线，在下风向画出以点源为圆心的扇形区域。扇形圆心角一般在45ц90°，且不得超过90°。采样点布设在扇形区域内，先画出半径不等的若干弧线，每条弧线上设置3ц4个采样点，并且同一条弧线上相邻的采样点，以点源为顶点作出的连线夹角应在10ц20°。为提高监测的可靠性，应同时在上风向设置对照点。

　　4.优化点位技术

　　由于优化点位技术方法众多，主要介绍以下几种。

　　4.1物元分析法

　　这种方法是以广东工业大学蔡文教授所创立的可拓学理论分析大气环境监测的布点问题。从所有污染物的监测值（如SO2、NOx、TSP等）中选出最大值和最小值，分别构成“最佳点A”和“最劣点B”及由均值构成“期望点C”。由C与A、B构成标准物元矩阵Rac、Rcb，A与B构成节域物元矩阵Rab，每个测点建立物元矩阵Ri。然后由Ri对Rac、Rcb及Rab建立关联函数Ka（Xij）、Kb（Xij），由其计算综合关联函数Ka（Xi）、Kb（Xi）。利用综合关联函数值并结合关联函数的意义画出点聚图，再由点聚图上的点选出最佳点。

　　4.2相关系数法

　　采用网格布点法的监测数据（设置网格数m，监测点n，上风向清洁点若干）。计算m与n之间的相关系数R。R越大，说明该网格越能代表污染物浓度的变化规律。再根据监测点污染物浓度、平均浓度求出变异系数CV和各点方差Si。综合分析R、CV和Si，就得到优选的点位。

　　4.3 t检验法

　　同样以网格布点法的监测数据为基础，求出平均浓度，划分区域（如重污染区、中度污染区、轻污染区等）。根据评价标准（如监测方便程度、安全性、位置关系等）确定若干方案。再经过比较选出较优的方案。然后用t检验优选点位与总样本的差异是否显着。确定显着性水平后，由t分布表查出t分布表值。若优选点位t计算值t计算值 4.4最优指标法。这种方法是以TOPSIS法为基础创新出的方法，通过逼近最优水平对多目标系统进行决策和评价。建立原始监测数据矩阵X，确定最优指标值向量Y。通过对X的最优指标进行归一化处理，建立优化决策矩阵Z。利用Z计算监测点指标与最优水平的逼近程度。将依大小进行排序，再结合点位优化规则选出有代表性的优化点位。

　　4.5特征分析法

　　此法是将监测点位按照污染程度归类或聚类，并在每一类中选出代表性的点位。利用原始监测数据（n个样本，m个变量）建立联系度关系矩阵Y=XA（X为编码矩阵，A为变量权矩阵），将联系度最大的问题转化为求解矩阵X□XT（XT为转秩矩阵）的最大特征值λ和特征向量A。经过计算求出矩阵Y并绘制联系度折线图，根据图将联系度大小聚类，然后就可优选点位了。

　　结束语

　　随着社会文明的进步，人类对生活质量的要求不断提高，环保意识也逐渐增强。对大气环境质量进行有效的监测，可以使大气中的污染物得到实施的监控和观察，对其变化和发展的趋势及时掌握，便于采取必要的措施进行预防和解决。