杜增榮

(山西省忻州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山西 忻州 034000)

引 言

環(huán)境監(jiān)測指對影響環(huán)境質(zhì)量因素的代表值的測定[1]。進行環(huán)境監(jiān)測，了解環(huán)境水平，是開展一切環(huán)境工作的前提。大氣污染監(jiān)測是測定大氣中污染物的種類及其濃度。大氣質(zhì)量監(jiān)測是對大氣中主要污染物進行布點采樣、分析，觀察其在某地區(qū)時空分布和變化規(guī)律。目前，環(huán)境空氣監(jiān)測點位布設(shè)中采用的方法很多，且絕大多數(shù)主要從全國大多數(shù)平原城市的特點出發(fā)而制定的，關(guān)于山地區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測點位布設(shè)的具體要求甚少。然而，山地城市有著與平原城市不一樣的地形地貌和氣象條件，固然不能簡單地照搬照套絕大多數(shù)的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位布設(shè)方法和標準。為此，隨著環(huán)境保護意識的加強，為了解決山地區(qū)域和平原地區(qū)數(shù)據(jù)可比性的問題，迫切需要針對山地區(qū)域的特點進行點位布設(shè)技術(shù)研究，以期為環(huán)境管理提供技術(shù)支撐的目標明確性，提高環(huán)保治理資金的使用效率。

1 國內(nèi)外監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分析

環(huán)境監(jiān)測工作最基本的是代表性，即監(jiān)測數(shù)據(jù)可以代表、反應(yīng)某地區(qū)某一類環(huán)境質(zhì)量狀況。監(jiān)測點位的選擇是體現(xiàn)代表性的重要步驟和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是完成監(jiān)測目的和保證數(shù)據(jù)具有代表性的重要工序之一。目前，國內(nèi)外在空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方面做了大量的研究。

1.1 國外監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計概況

目前，美國、歐洲和日本等發(fā)達國家網(wǎng)絡(luò)站點的布局都采取了一系列的優(yōu)化技術(shù)來確定。美國已經(jīng)建立了一個從地方、州以及國家層面，包括PAMS監(jiān)測網(wǎng)、有毒氣體監(jiān)測網(wǎng)、NCore監(jiān)測網(wǎng)、PM2.5監(jiān)測網(wǎng)等，支持光化學煙霧、氣溶膠形成等的全方位空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[2]。歐洲已經(jīng)建立了涵蓋大部分地區(qū)的跨國區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(EMEP)，其負責定期測量和報告空氣污染物排放量、濃度和沉積情況，還計劃涉足近地面O3的形成以及研究持久性有機污染物(POPs)；目前，EMEP已將關(guān)注度聚焦在鄉(xiāng)村和背景區(qū)域的監(jiān)測上[3]。日本正逐步發(fā)展并建立了覆蓋全國范圍的國家監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)控日本大氣環(huán)境主要污染物的濃度、轉(zhuǎn)化和遷移過程。東南亞地區(qū)12個國家(包括中國)建立了覆蓋整個東亞地區(qū)的跨邊界空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)等。

1.2 國內(nèi)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分析

進入21世紀以來，我國環(huán)境空氣自動監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展，全國各地環(huán)境監(jiān)測站相繼開展了大氣環(huán)境監(jiān)測優(yōu)化布點研究，國家大氣背景站及空氣自動站等自動監(jiān)測網(wǎng)逐步建成和完善，以應(yīng)對日益嚴峻的大氣污染形勢。沈陽市環(huán)境監(jiān)測中心站、太原市環(huán)境監(jiān)測站等開展了數(shù)理統(tǒng)計方法，遼寧省環(huán)境監(jiān)測中心站等利用綜合布點方法及反饋控制理論，齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測站等利用大氣擴散模型等優(yōu)化監(jiān)測點位布設(shè)。

近年來，北京、山西等利用基激光雷達掃描及天基衛(wèi)星遙感反演等用于區(qū)域大氣環(huán)境監(jiān)測點位優(yōu)化布設(shè)，為區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展提供了基礎(chǔ)。隨著我國經(jīng)濟規(guī)模的迅速擴大和城市化的快速發(fā)展，污染物在城市間的輸送轉(zhuǎn)化以及機動車的持續(xù)迅猛增長，區(qū)域性復(fù)合型大氣污染特征逐漸凸顯，現(xiàn)有空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)已不能滿足研究大氣復(fù)合污染的需要，且山地城市污染物擴散條件和城市功能區(qū)分布等也不盡相同，保證空氣監(jiān)測點位的代表性，監(jiān)測數(shù)據(jù)代表性的增強，從而為區(qū)域性大氣污染聯(lián)防聯(lián)控提供技術(shù)支撐是十分必要的。

2 空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法

空氣監(jiān)測點位的選擇實際上是一種抽樣。從上世紀六七十年代開始，各國研究人員就對常規(guī)監(jiān)測、交通監(jiān)測、工業(yè)區(qū)監(jiān)測等一系列不同目的的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)做了研究，以考慮選取的樣本如何能夠更好更全面地反映總體。目前，隨著對大氣污染研究認識的深入及科技的快速發(fā)展，為了設(shè)計出高效、代表性好、目的性強的空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，研究者開發(fā)了一系列的方法模型用于監(jiān)測點位布設(shè)優(yōu)化工作。這些方法可以歸類反映相同污染物變化特征的監(jiān)測點，較好的實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性、準確性、精密性和完整性。具體如圖1所示[4]。

圖1 常用的空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法

其中，聚類分析在大氣環(huán)境監(jiān)測點位優(yōu)化領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，一般主要采用最長距離法和最短距離法，同時由于大氣環(huán)境監(jiān)測污染物的數(shù)據(jù)量往往很大，為有效解決評價標準邊界模糊和監(jiān)測誤差對評價結(jié)果的影響，往往采用模糊聚類法。模糊聚類法以網(wǎng)格點的實測資料為基礎(chǔ)，利用模糊優(yōu)選模型，結(jié)合布點原則確定最優(yōu)點位。由于影響優(yōu)化布點的因素較多，利用模糊聚類法原理簡單、計算量小，較為實用，易于推廣。

在環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用比較多的是因子分析中的主成分分析法(PCA)，即用較少的綜合指標來代替原來較多的指標，降低了數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜度和難度。

環(huán)境監(jiān)測是通過采集部分樣品來表征全體環(huán)境污染信息，然而在實際工作中，往往可能有些站點的代表區(qū)域有所重疊。相關(guān)分析法就是對不同監(jiān)測點位監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)(一般選擇R2>0.75)，使不同的站點代表不同的監(jiān)測區(qū)域，從而進行較為準確的定量判斷決策。相關(guān)性分析方法的原理及操作都十分簡便，但實際上閾值不易確定，且往往帶有很大的主觀性，且有時監(jiān)測數(shù)據(jù)濃度較大值往往會掩蓋較小值的變化特征，因此在實踐操作中需要特別注意。

環(huán)境監(jiān)測點位優(yōu)化工作中多數(shù)情況是針對多項污染物的優(yōu)化，使用物元分析法對多種污染物進行綜合評價，為解決環(huán)境監(jiān)測多指標優(yōu)化分析問題提供了可能，但是在多指標權(quán)值分配上更多是依靠對環(huán)境污染現(xiàn)狀的評價。

BP網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自學習和自適應(yīng)能力，且算法簡潔，運算速度快，能夠較好的處理多因素間非線性權(quán)值分配問題，因此，此方法具有普適性和實用性。然而，BP網(wǎng)絡(luò)雖然只需要各級標準值樣本訓練BP網(wǎng)絡(luò)，選出的測點有較好的客觀性和代表性，且對監(jiān)測樣品較少的案例解析結(jié)果也較好，但是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也存在拓撲結(jié)構(gòu)選擇的問題[5]。

Shannon信息指數(shù)法能夠較好的處理多因素間非線性權(quán)值分配問題，但是對監(jiān)測數(shù)據(jù)較大的情況，處理過程復(fù)雜，計算量大，因此在實際應(yīng)用中需要特別注意。

多目標規(guī)劃是運籌學的一個重要分支，可以實現(xiàn)兼顧環(huán)境、社會、經(jīng)濟等多個領(lǐng)域目標下的大氣環(huán)境監(jiān)測點位優(yōu)化工作的目標。

綜合法考慮了各種影響大氣環(huán)境質(zhì)量的因素，可以彌補其他環(huán)境條件資料的不足，但是該法要求原始大氣監(jiān)測網(wǎng)的密度不能太低，否則很難解釋大氣污染的時空特征及其變化規(guī)律。

3 空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布點

3.1 方法的選擇

本研究綜合考慮各種方法的分析處理過程和適用性，選擇聚類分析法對網(wǎng)格監(jiān)測數(shù)據(jù)進行點位布設(shè)的優(yōu)化分析，以試著解決山地區(qū)域和平原地區(qū)數(shù)據(jù)可比性的問題。

3.2 遵循的基本原則

目前我國的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是由政府部門組織建設(shè)的，即政府是實施環(huán)境監(jiān)測管理的重要措施和組織形式。環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是將原相互獨立的監(jiān)測點(或斷面)，組成能按統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)則運行的系統(tǒng)?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布點的基本原則如下：

1) 目的性。也就是說，根據(jù)不同的監(jiān)測目的而選擇不同的點位，沒有明確目的的網(wǎng)絡(luò)不可能是有效運行的網(wǎng)絡(luò)[6]。即任何類型、空間尺度的網(wǎng)絡(luò)和點位的設(shè)計和優(yōu)化必須以一定的監(jiān)測目的和功能屬性為依據(jù)，堅持目的性原則。

2) 層次性。由于不同級別網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測點位分布精度和幅度不同，而我國不同地區(qū)自然環(huán)境、經(jīng)濟條件等差異較大，故需要根據(jù)轄區(qū)環(huán)境管理需要和能力確定空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

3) 代表性。網(wǎng)絡(luò)是由一定數(shù)量的點位組成的，為了保證網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測能真正、客觀、科學地評價區(qū)域空氣質(zhì)量，組成網(wǎng)絡(luò)的點位必須具有明確的代表性，才能保證網(wǎng)絡(luò)目的的實現(xiàn)。

4) 完整性。主要指地理空間和時間的完整性。也就是說，為了全面的反應(yīng)監(jiān)測區(qū)各污染物濃度變化及大氣環(huán)境質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)布點必須能全面地代表監(jiān)測區(qū)域空氣質(zhì)量的區(qū)域特征，能完整地表征整個評價時段內(nèi)(如年度)的空氣質(zhì)量特征。

5) 可行性。受經(jīng)濟和能力水平等主要制約因素的限制，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的科學性必須建立在可行性的基礎(chǔ)上。如有的省組建的空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)只能包括地級城市，而有的地勢地形較好、經(jīng)濟比較發(fā)達的的省市，其空氣質(zhì)量自動監(jiān)測網(wǎng)覆蓋面較全。也就是說，目的性、代表性、完整性只能是有限的，將需要和可行完美結(jié)合才是成功而科學的設(shè)計和優(yōu)化。

6) 行政區(qū)劃。我國的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基本性質(zhì)是帶有較強行政職能的業(yè)務(wù)協(xié)作體系。為了滿足我國行政管理的要求，除了結(jié)合自然環(huán)境條件、經(jīng)濟條件等因素，需要考慮在區(qū)域的每個行政市布設(shè)一個及以上的監(jiān)測點，以為在國家層面上管理大氣環(huán)境質(zhì)量提供基礎(chǔ)支撐。

3.3 優(yōu)化布點的程序

利用模糊優(yōu)選模型，結(jié)合空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布點的基本原則，空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基本程序分為以下六個步驟，如圖2所示。

圖2 空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基本程序

其中，現(xiàn)狀調(diào)查的基本內(nèi)容應(yīng)包括區(qū)域近5年至10年的氣象特征，人口分布情況，區(qū)域的地理地形特征、土地利用狀況，城市功能區(qū)分布，污染源評估，歷史空氣質(zhì)量狀況，區(qū)域經(jīng)濟、社會和城市建設(shè)發(fā)展規(guī)劃等。監(jiān)測網(wǎng)格一般在城市區(qū)為2 km×2 km，郊區(qū)可以為4 km×4 km，且監(jiān)測結(jié)果應(yīng)繪制成濃度網(wǎng)格分布圖。而且，由于影響條件的不斷變化，應(yīng)每年進行一次網(wǎng)絡(luò)目標的審核，審查代表性和完整性等。

4 結(jié)論

綜上所述，進行環(huán)境監(jiān)測，是開展一切環(huán)境工作的前提。目前，環(huán)境空氣監(jiān)測點位布設(shè)中采用的方法很多，且絕大多數(shù)主要從全國大多數(shù)平原城市的特點出發(fā)而制定的。然而，隨著環(huán)境保護意識的加強，為了解決山地區(qū)域和平原地區(qū)數(shù)據(jù)可比性的問題，迫切需要針對山地區(qū)域的特點進行點位布設(shè)技術(shù)研究，以期為環(huán)境管理提供技術(shù)支撐的目標明確性，提高環(huán)保治理資金的使用效率。