我国PM2.5监测网络布局与监测方法体系构建策略分析

潘本锋 汪 巍 王瑞斌 李健军

(中国环境监测总站，北京 100012)

1 引言

环境空气中的PM2.5是指环境空气中空气动力学直径小于等于2.5μm的颗粒物，其主要来源为火力发电、工业生产、汽车尾气、生物质燃烧、二次生成、道路扬尘等过程。PM2.5作为各种光化学反应的载体，促进城市大气光化学反应的发生，其对环境的污染及对人体健康的危害在颗粒物中尤为突出，它还是造成环境能见度降低的主要原因。2010年11月环保部就《环境空气质量标准(征求意见稿)》公开向社会征求意见，在该征求意见稿资料性附录中规定了PM2.5的参考限值，虽未将PM2.5列入标准规定的必测项目，却是在我国第一次尝试将PM2.5纳入国家环境质量标准，也使得PM2.5这一词汇逐步走入公众视野。2011年秋冬季节，我国京津冀地区雾霾现象频发，雾霾天气发生时，空气质量严重恶化，引发了社会各界的极大关注，由于PM2.5是导致雾霾天气的主要污染物，因此PM2.5的监测与防治问题迅速成为人们关注的焦点，2012年2月《环境空气质量标准》(GB3095-2012)正式颁布实施，将PM2.5列入了环境空气质量必测项目之中。由于PM2.5的来源、组成，以及性质与PM10存在明显差异，欧美发达国家的监测经验表明两者的监测技术要求也有较大不同。因此，如何开展PM2.5监测成为我国各级环境监测部门面临的重要问题。本文结合国内外PM2.5监测工作的进展情况，对我国PM2.5监测网络布局与监测方法选择的经济、技术可行性进行了深入研究和分析。

2 部分发达国家PM2.5监测进展情况分析

2.1 英国PM2.5监测网络与监测方法

2.1.1 英国PM2.5监测网络

英国环境食品与农业事务部(UK DEFRA)组建了英国城市和农村空气自动监测网(automatic urban and rural network，AURN)，该网络是英国目前最大的空气自动监测网，也是最主要的用来空气质量达标评价的监测网络。2008年英国的PM2.5例行监测点位只有一个，位于London Bloomsbury，截止2011年英国的 PM2.5监测点位有131个，包括城市背景点、郊区背景点、农村背景点、城市交通点、城市工业点等点位类型。这些点位中有将近一半的点位由环境食品与农业事务部直接负责管理，另一半由地方政府的相关部门负责管理。此外，英国还设立了一个颗粒物数量与浓度研究监测网(The Particle Numbers and Concentrations Network)，由环境食品与农业事务部委托有关研究机构负责管理，截止2011年该网络共有5个点位组成，主要监测颗粒物的数量浓度、粒径分布、质量浓度、离子组分、元素碳、有机碳等。

2.1.2 英国PM2.5监测方法

在英国城市和农村空气自动监测网(AURN)中采用三种方法进行PM2.5的监测，即振荡天平联用膜动态测量系统(FDMS)法、β射线法、重量法，其中重量法是欧盟相关规范要求的参考方法。相关研究指出，标准振荡天平法不符合欧盟的等效方法要求，但是因为振荡天平法可以获取连续的、瞬时的监测数据，所以在英国被广泛使用。为了弥补挥发性物质的损失，英国曾经使用修正系数1.3来对监测数据进行修正，但是随后的研究表明，修正后仍然不能满足欧盟等效方法要求，为此英国DEFRA建议地方当局可以在采用VCM模型修正的基础上，使用振荡天平法来开展空气质量监测。此外研究还表明，光散射法同样不是欧盟的等效方法。

2.2 日本PM2.5监测网络与监测方法

2.2.1 日本PM2.5监测网络

据资料显示，截止2009年日本国内共有空气监测点位1987个，其中包含1549个环境空气质量监测点位，438个路边空气质量监测点位。按照相关法律规定，这些点位主要由日本地方政府的相关机构负责管理，其中纳入国家监测网管理的环境空气质量监测点位有9个，路边空气质量监测点位10个。在日本并非所有的空气监测点位都开展了PM2.5的常规监测，目前开展PM2.5监测的点位有588个，其中包括环境空气质量监测点位424个，路边空气质量监测点位164个。

2.2.2 日本PM2.5监测方法

日本环境质量标准中规定的PM2.5标准监测方法，包括了滤膜采样重量法、β射线吸收法、振荡天平法、光散射法等。目前在日本国家监测网中的9个点位，其PM2.5监测方法主要为β射线吸收法。

2.3 美国PM2.5监测网络与方法

2.3.1 美国PM2.5监测网络

美国从20世纪70年代开始组建了环境空气质量监测网，有州和地方环境空气监测站(State and Local Ambient Monitoring Stations，SLAMS)组成，监测项目包括 SO2、NO2、CO、O3、Pb、TSP、PM10、PM2.5，监测点位最多时达到3000多个，监测设备5000多套。这些监测站点大多由州和地方政府的相关部门负责运行，其监测结果用来和国家标准比较，以判断一个区域的空气质量是否达到国家标准的要求。美国于1997年颁布了PM2.5的环境质量标准，其 PM2.5监测工作于 1999 年开始，截止2007年底，大约有1000个监测点位开展了PM2.5的监测工作，其中滤膜采样手工监测设备947套，自动监测设备591套。美国1970年至2007年环境空气监测点位变化情况见图1。

此外，美国从2000年起组建了颗粒物化学成分监测网(Chemical Speciation Network，CSN)，共包含大约300个监测点位，在这些点位每三天或每六天采样一次，主要进行PM2.5的质量分析、元素分析(包含铅)、主要离子组分分析、元素碳分析、有机碳分析等颗粒物的主要组分分析。

图1 美国环境空气监测点位数量

1985年美国还组建了能见度保护网(Interagency Monitoring of Protected Visual Environments，IMPROVE)用来保护一些特殊地区的环境能见度，如国家公园等。该网是一个跨部门合作的监测网，主要开展PM2.5形态分析、重金属监测等。目前该网络包括了110个区域监测站、7个 Clean AirStatusand TrendsNetwork(CASTNET)中的监测站点、34个CSN站点。

2011年美国组建了国家核心监测网，包括80个站点，其中63个城市站点和17个农村站点，监测项目主要有 PM2.5质量浓度(滤膜采样法)、PM2.5质量浓度(自动监测法)、PM2.5-10 质量浓度、PM2.5化学组分(包括离子组分、金属、元素碳、有机碳等)、气态污染物浓度、气象参数等。

2012年美国对PM2.5环境质量标准进行了修订，并对PM2.5的监测网络提出了新的要求，计划从2015年开始逐步增加PM2.5的道路交通监控点，并要求在每个100万人口以上的城市设置一个监控点，为了减少投资，PM2.5道路监控点将从现有的NO2或CO道路监控点中选取。

2.3.2 美国PM2.5监测方法

美国EPA要求在环境空气质量监测网中必须使用联邦参考方法或等效方法进行PM2.5的监测工作，2008年以前主要采用滤膜采样方法进行监测，每三天或六天采样一次。截止2007年底，共有947个滤膜采样手工监测仪器和591台自动监测仪器。2008年美国EPA第一次批准了PM2.5的自动监测方法为等效方法，自动监测方法开始逐步应用于国家监测网中。截止2012年，通过美国EPA认证的自动监测方法有11种，监测方法包括光散射法、振荡天平法(联用FDMS)、β射线法，通过美国EPA认证的PM2.5自动监测设备清单见表1。

3 我国PM2.5监测网络布局与方法体系分析

3.1 我国PM2.5监测网络布局分析

我国现有的环境空气监测网络始建于20世纪80年代，最初以手工监测为主，从2000年起自动监测开始逐步取代自动监测，至2010年我国的环境空气监测网络共涵盖了我国113个环境保护重点城市的661个监测点位，全部实现了空气质量自动监测，监测项目为SO2、NO2、PM10等，依照当时的环境空气质量标准，各点位未开展 PM2.5的监测。2012年2月我国颁布了《环境空气质量标准》(GB3095-2012)，将PM2.5纳入了空气质量必测项目，同年4月环保部调整了国家环境空气质量监测网组成名单，将监测网络覆盖到我国所有地级以上城市，调整后的监测网络有338个地级以上城市的1436个监测点位组成。按照空气质量新标准的要求，至2016年国家环境空气监测网内的所有监测点位将按照新标准开展监测，届时我国PM2.5监测点位将达到1436个，监测点位总数将达到全球第一。与国外主要发达国家相比较，我国单位国土面积PM2.5监测点位数目略高于美国，低于英国和日本;但由于我国人口数量庞大，单位人口PM2.5监测点位数量仍低于英、美、日等发达国家。我国PM2.5监测点位数量与国外发达国家比较情况见表2。

表1 美国EPA PM2.5自动监测设备认证清单

表2 我国与英、美、日等国PM2.5监测点位数量比较

从监测点位所处区域代表性方面分析，目前我国的PM2.5监测点位主要位于城市区域，城市郊区和农村地区的点位偏少。为了全面反映我国PM2.5污染状况，我国于2008开始了环境空气背景站和农村站建设，目前已建成14个背景监测站和31个农村区域站，预计到“十二五”末，将建成15个背景站和96个农村区域站。

从监测点位类型分析，目前我国监测网中的绝大多数点位属于环境空气质量评价点，而污染监控点位和城市路边点位偏少，因此在今后的能力建设中还应考虑适当增加污染监控点位的建设。

从监测项目上分析，目前我国例行监测项目主要是PM2.5质量浓度，为了全面反映 PM2.5的污染特征和来源，今后在质量浓度监测基础上还应该逐步考虑开展PM2.5主要组分监测。

3.2 我国PM2.5监测方法体系分析

2011年我国颁布了《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》(HJ618-2011)，为我国开展PM2.5监测工作奠定了基础，该方法是我国PM2.5监测的标准方法，其他任何自动监测方法都必须与该方法进行比对，取的满意结果后才能用于监测工作。

PM2.5的重量法测定虽然是我国的标准方法，但是该方法监测成本高、操作过程繁杂、对实验室环境和操作人员都要较高的技术要求，更为重要的是该方法不能及时获的实时监测结果，因此无法完全满足当前环境管理的要求和社会公众对环境信息公开的迫切需求。因此，PM2.5的监测宜采取自动监测方法，以适应各方面的需求，目前国际上成熟的PM2.5自动监测方法有光散射法、β射线法、振荡天平法等等。

2012年中国环境监测总站对部分型号的光散射法PM2.5自动监测仪、β射线法自动监测仪、振荡天平法自动监测仪进行了手工标准监测方法的比对测试，研究结果显示，β射线法联用动态加热系统(DHS)的PM2.5自动监测仪、振荡天平法联用膜动态测量系统(FDMS)的PM2.5自动监测仪与我国手工标准监测方法具有较好的可比性，光散射法PM2.5自动监测仪和未加装FDMS的振荡天平法PM2.5自动监测仪与我国手工标准监测方法之间的可比性较差。四种不同类型监测仪器的比对测试结果见图2-图5。

图2 振荡天平法联用FDMS仪器与手工标准方法比对测试结果

图3 β射线法联用DHS仪器与手工标准方法比对测试结果

图4 振荡天平法与手工标准方法比对测试结果

研究结果表明，振荡天平法法监测仪器与β射线法监测仪器均能够满足监测工作需要，但因为设计原理和仪器构造不同，两种仪器操作使用要求与运行成本存在一定差异。β射线法监测仪器在使用过程中，操作较为简单，运行维护成本低廉;相对于β射线法监测仪器，振荡天平法监测仪器在使用过程中其操作相对复杂，运行维护成本也高于β射线法监测仪器。2012年我国在直辖市、省会城市、计划单列市、京津冀、长三角、珠三角等重点区域城市已经先期开展了PM2.5监测能力建设，共涉及74个城市的496个环境空气监测点位。据初步统计，496个点位中共使用振荡天平法监测仪器75台，占仪器总数的15%，使用β射线法监测仪器421台，占仪器总数的85%。因此，综合考虑两种方法仪器的性能指标和运行维护成本，β射线法PM2.5监测仪器更适合于在我国环境空气监测网络内推广和普及。

图5 光散射法与手工标准方法比对测试结果

4 研究小结

2013年新年伊始全国多地雾霾笼罩，污染由最严重的京津冀地区扩散至沿海地区，给公众交通出行和健康都带来了严重影响。中央气象台专家分析，此次雾霾天气出现是由于冷空气势力弱，形成大雾天气后使空气中的污染物很难扩散，加重了空气污染。这一场十面“霾”伏，确实让国务院、各地方政府、专家学者以及全体公众更加关注大气环境质量。尤其目前我国大气区域性复合污染形势严峻并成为我国“十二五”以及未来大气污染防治的巨大挑战。分析导致区域性大气复合污染的原因，与我国一些地方长期以来经济发展方式粗放、产业结构不合理密切相关。同时，因大气环流造成城市间污染物相互影响，仅仅依靠各个城市“各自为战”，没有形成区域性治污合力，也是目前酸雨、灰霾和光化学烟雾污染严重的重要原因。

党中央、国务院对大气污染防治工作高度重视，作出了一系列重要部署。国务院办公厅于2010年5月11日转发了环境保护部《关于推进大气联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》。这是国务院第一次专门针对大气污染防治的综合性政策文件，明确提出了推进区域联防联控工作的指导思想和工作目标。2010年11月环保部就《环境空气质量标准(征求意见稿)》公开向社会征求意见，在该征求意见稿资料性附录中规定了PM2.5的参考限值，虽未将PM2.5列入标准规定的必测项目，却是在我国第一次尝试将PM2.5纳入国家环境质量标准，也使得PM2.5这一词汇逐步走入公众视野。2011年秋冬季节，我国京津冀地区雾霾现象频发，雾霾天气发生时，空气质量严重恶化，引发了社会各界的极大关注，由于 PM2.5是导致雾霾天气的主要污染物，因此PM2.5的监测与防治问题迅速成为人们关注的焦点，2012年2月《环境空气质量标准》(GB3095-2012)正式颁布实施，将PM2.5列入了环境空气质量必测项目之中。由于PM2.5的来源、组成，以及性质与PM10存在明显差异，欧美发达国家的监测经验表明两者的监测技术要求也有较大不同。因此，开展PM2.5监测成为我国各级环境监测部门亟待解决的重要问题。

本文结合国内外PM2.5监测工作的进展情况，对我国PM2.5监测网络布局与监测方法选择的经济、技术可行性进行了深入研究和分析。通过对国内外PM2.5监测网络布局现状的分析和比较，我国“十二五”规划的PM2.5监测网络从点位数目和网络布局上基本能够反映我国PM2.5的污染状况，但为进一步反映PM2.5的污染特征和来源，今后还应逐步增加污染监控点位、道路交通点位的设置，同时在质量浓度监测的基础上，还应逐步开展PM2.5主要组分监测。在监测方法上，β射线法联用动态加热系统(DHS)PM2.5自动监测仪和振荡天平法联用膜动态测量系统(FDMS)PM2.5自动监测仪均能够满足监测工作的需要，综合考虑两种类型仪器的性能指标和运行成本，β射线法联用动态加热系统(DHS)PM2.5自动监测仪操作相对简单，运行维护成本相对较低，更适合于在我国环境空气监测网络内推广和普及。

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