美国加州南岸地区空气质量监测系统运行管理与借鉴

2015-10-12姚玉刚康晓风张仁泉

中国环境监测 2015年4期

姚玉刚，顾钧，康晓风，张仁泉，邹强

1．苏州市环境监测中心，江苏省环境保护空气复合污染监测重点实验室，江苏苏州 215004

2．中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

美国加州南岸空气质量管理局(SCAQMD)所辖地区的大气污染问题由来已久。随着石油工业的快速发展，20世纪40年代初洛杉矶已有汽车250 万辆，每天消耗汽油 1.6 ×107L［1］，汽油燃烧后产生的碳氢化合物等在太阳紫外线照射下引起光化学反应，引发了举世瞩目的1955年和1970年洛杉矶烟雾事件。在长达60多年的雾霾治理过程中，SCAQMD所在的加利福尼亚州制定了严于美国其他地区的区域标准(如2002年制定了严于国家标准的PM2.5标准，年均标准为12 μg/m3，严于当时国家标准的15 μg/m3)［1］。由于城市空气的流动特点和污染物的跨区域传输，空气污染防治突破了行政边界的束缚。依据“空气域”的划分(地形条件与气象特征类似的地区)建立相应的空气质量管理区(AQMD)，通过对管理区内污染排放源的严格控制，1999—2007年洛杉矶PM2.5浓度下降了10%，1988—2007年 PM10浓度也稳步下降［2］。

在加州南岸空气质量逐渐转好的过程中，空气质量监测运行管理体系也逐年完善，从而为空气质量科学决策和防治管理提供了至关重要的信息和制度保障。该文介绍了SCAQMD的空气质量监测现状、监测网络布局、颗粒物采样方法和相关质量管理体系。通过借鉴加州南岸空气质量监测经验(特别是运行管理模式)，对于指导现阶段我国城市环境空气质量监测运行管理具有极高的参考价值。

1 加州南岸地区空气质量监测现状

1.1 环境空气质量监测

SCAQMD空气质量管理流程可分为空气质量监测、管理计划、法规和规范编制、许可证制度和执行绩效评估等。其中空气质量监测是评估法律法规实施效果的关键环节，也是制定控制措施的重要依据［3］。监测数据的应用范围包括获取背景值、高浓度(热点)区域识别、污染物传输评价、人群健康暴露水平、监测点代表性、判断污染源影响、判别污染物趋势、评价数据可比性和发布实时数据等。

SCAQMD环境空气监测主要目标:①符合美国环保局(USEPA)规范需求(涉及污染物标准、PM2.5组分、O3前体物、痕量气体、空气毒理等方面)。②监测数据具有代表性(时空代表性和可比性)。以环境空气中的Pb为例，监测对象主要分为污染源(年排放量超1 t)、机场(年排放量超1 t)和非污染源(常规污染物监测站点中筛选出人口超过50万的地区)。监测频率为每6 d监测1 次，每次采集样品 24 h［4］。

1.2 监测网络布局

SCAQMD承担加州南岸地区各类监测任务，包括常规污染物、光化学污染、毒性空气污染物趋势和颗粒物化学组分监测等。截至2014年7月，SCAQMD管辖区域内设有42个空气监测站，根据标准污染物监测目的可划分为高浓度(HC)、人口暴露(PE)、源解析(IM)、背景站(BK)4类，从空间尺度也可分为微型(MI)、中型(MS)、街区(NS)、城市(US)4类。监测项目主要包括 SO2、CO、NO2、O3、PM10、PM2.5、Pb 和SO4［5］。监测要素并非均匀地分布在各个监测点(如Ontario Near Road监测点仅监测NO2，而Rubidoux监测点监测8种污染物)，与该监测点的网络类型相关。

SCAQMD向USEPA提交年度监测网计划(Planning)，在正式提交前需对外公示。公示内容包括监测点优化布局、设备更新等监测内容。经过30 d的评议期和公众参与，公众可在公示期间对监测计划提出疑问和建议［3］。

1.3 空气监测项目

从样品采集到实验室分析是一个综合过程，质量控制和质量保证是贯穿环境监测全过程的技术手段和管理程序［6］。USEPA要求各州进行化学组分采样，以确定源清单和污染物变化趋势［7］。SCAQMD监测点同时采用联邦参比方法(FRM)和联邦等效方法(FEM)进行监测。以颗粒物为例，重量法作为FRM评价方法应用于考核颗粒物是否达标。而FEM方法用来评估FRM方法的精确度。SCAQMD环境空气手工采样可分为阶段性和全周期采样。采样项目包括TSP、PM10、PM2.5、金属组分、碳质元素、挥发性有机物(VOCs)、毒性物质和颗粒物化学组分。采样器通过不同种类的滤纸(如Teflon滤膜、石英滤膜等)进行采集。此外，部分监测点还设置了USEPA和加州空气资源局(CEPA)的平行手工采样设备，用于比对监测。自动监测设备包括 CO、SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10和气象参数，与目前我国在用设备大体相同。

数据分析包括单站超标时段、峰值区域和受影响人群的健康风险评估(HRA)等多个方面。在全面评估现有污染水平的基础上改进大气污染防治规划，分步骤执行达标规划。

1.4 监测质量管理

SCAQMD的质量管理体系包括监测网络计划(组织、归档和培训)、全流程执行(方法、质量控制)、绩效评估(性能评估、系统审计和纠正措施)和质量报告(认证)。从质量保证和质量控制的驱动力来看，美国由法律制度保障，建立了诸多法律法规体系及管理制度［8］。

SCAQMD质量管理目标:①保证数据质量达到或超过期望标准(联邦、州或特定目标，如健康研究、社区监测和政府补偿);②评估数据应用范围(数据质量目标DQO、有效性评估)。

数据质量目标(DQO)是使收集数据的类型、数量及环境监测数据的质量满足数据库的潜在用途，同时避免收集不必要的、重复的、过度精确的数据。该工作通过定义标准使数据收集设计得以实现，包括收集何时、何地、采样数量以及如何控制采集样品的质量。为保障质量保证中数据质量目标的实现，评估流程包括数据完整性、校准、内/外审、评价/纠错、报送、回顾、验证、校正以及数据质量目标的比对，并根据实际情况及时对质量控制/质量保证手册进行修订。质量控制的体现则通过检查/测试耗材、设备和仪器工况，评估数据的不确定度。根据置信区间(校准、空白、数据验证、重复和重现等)判断监测数据是否超出范围。

2 空气质量监测系统运行管理体系比较

2.1 管理架构

从管理架构来看，SCAQMD环境管理的整体架构是通过联邦-州-地方三级得到确立的，形成了国家法律-USEPA环保法规-州(地方)法规相对应的三级环境制度，各司其职(表1)。《中华人民共和国环境保护法》第六条明确规定:地方各级人民政府应当对本行政区域的环境质量负责［9］，国家层面的环境行政机构的建制相对薄弱，国家-省-地市-县(市)环保部门之间尚未明确划分工作范围，各级行政部门之间的权责有待于进一步厘清。

表1 美国各级环保部门主要工作范围

2.2 环境空气质量指数

SCAQMD执行美国国家空气质量标准(NAAQS)，一级标准主要对象为保护人体健康;二级标准主要对象为保护自然生态及公众福利［6，10］。与我国空气质量类别划分和表征颜色均相同，区别在于我国倾向于描述污染程度，SCAQMD则关注健康风险(表2)。

表2 空气质量类别和表征颜色对照

以PM2.5为例，SCAQMD的每日环境空气质量指数小于200时，PM2.5浓度限值均严于 GB 3095—2012，而大于200时则与我国一致(表3)。且SCAQMD从监测点入手评价空气质量超标情况，相比 HJ 663—2013更为严格［11］。

区别:我国现行环境空气质量指数评价体系中SO2和CO的评价时段比SCAQMD长;我国SO2、PM2.5和Pb的污染物浓度限值相比SCAQMD宽松;我国O3、NO2和CO的污染物浓度限值相比SCAQMD严格，但在允许超标次数上却没有限制。

表3 PM2.5质量浓度与对应环境空气质量指数一览表

表4 环境质量标准对比

2.3 PM2.5考核指标对比

USEPA将各州和有关机构提交的空气质量监测数据统一审核，据此划分未达标区域［6］。SCAQMD作为未达标区域，每4年制定一次空气质量达标规划。空气质量标准涵盖了时均尺度、日均尺度和年均尺度，除标准外，还规定了污染物达标的统计要求。达标的统计要求是指规定在一定时间内以统计方式获得的污染物平均浓度水平不能超标的次数限制。欧盟PM2.5也采用年均浓度考核，以2010年作为目标值颁布执行，在2015年必须正式执行。欧盟标准还制定了中长期细颗粒物达标的目标值，2015 年为 20 μg/m3，2020 年为 18 μg/m3［12］。

根据《大气污染防治行动计划实施情况考核办法(试行)实施细则》要求，长三角地区以2013年为基准值，2014、2015、2016年度 PM2.5年均浓度下降比例达到《目标责任书》核定空气质量改善目标(比2013年下降20%)的逐年下降比例为10%、35%、65%，PM10年均浓度(比2013年下降10%)的逐年下降比例为10%、30%、60%。即使完成考核要求，与欧、美目标值仍有较大差距。

3 SCAQMD经验对我国环境空气质量监测工作的启示

3.1 试行“空气质量管理区”模式

我国国家层面一直在探索如何开展区域内的联防联控，但由于我国大气污染控制的思路以“属地管理”为主，各个城市发展水平参差不齐。美国不但在州与州之间建立了区域协调合作机制，而且在州内将地形条件与气象特征类似的地区划分为一个“空气域”，依据“空气域”的划分建立相应的空气质量管理区(如SCAQMD)，在管理区内开展联防联控工作，通过协调合作、统筹管理，高效率地提升区域空气质量。从管理模式上避免了各自为政、相互推诿。

建议我国在大气污染自然特性类似的地区，小到区县，大到地市，可实施统一的环境准入制度，建立大气污染环境准入政策，并且在同级管理部门之间建立良好的协同控制机制，自下而上地开展一些试点，进而扩展到更大的区域，建立类似区域空气质量管理委员会和专家委员会的中立机构，积极探索有利于联防联控的新机制、新模式。

3.2 开展专项研究网络建设

USEPA已经建立了多层次管理体系(地方、州、国家3级层面)，发展趋势从常规监测、光化学烟雾、颗粒物化学组分、人体健康与空气污染的空气质量监测网络，包括:常规污染物监测项目(SLAMS)、光化学评估监测站点网络(PAMS)、PM2.5化学组分分析(CSN)网络、国家空气毒性趋势监测站点网络(NATTS)、特殊目的监测、纠纷和应急监测、大气超级监测站。具体到SCAQMD，其下辖监测点作为 SLAMS、PAMS、NATTS和CSN等监测网络的成员，监测要素设置因监测点类型不同而异。

根据中国区域性复合型大气污染特征，应针对影响空气质量的重点环境问题设立专项研究网络，以便于今后开展空气质量监测网络的优化方法与技术研究［13］，进一步优化城市尺度监测点布局，科学调整点监测点监测项目。例如，在人口密度高、污染严重的城市监测点，建立光化学烟雾监测网络;在农村区域建立酸沉降监测网、汞沉降监测网络。整合监测资源和科研力量，充分利用监测数据开展重点环境问题的大气环境科学研究，基于大气污染形成机理为空气质量管理提供科学支撑。

3.3 开展手工监测采样和颗粒物化学组分分析

颗粒物监测为指导标准的实施提供信息(即辨识污染源，确认是否达标)，为健康效应、生态效应以及辐射效应的确定提供方法。在当前自动监测广泛应用的背景下，欧美环境空气监测中手工监测采样和颗粒物化学组分分析依然是空气质量监测中必不可少的内容［12］。在监测方法上，欧洲以重量法作为大气颗粒物浓度的参比方法，同时广泛应用自动监测方法，并形成完善的等效方法认证程序和校正系数使用规范［14］。美国对颗粒物化学组分的监测技术日趋成熟，监测结果有助于解释大气中各种污染物浓度水平成因，从而为污染物减排和空气质量管理措施提供决策依据。FEM也得到了广泛应用，美国现行PM2.5监测网络中，微量震荡天平法(TEOM)约占62%，β射线法为28%［15］。国内已有学者建议在部分城市试点开展PM2.5化学组分监测［3］。

考虑到颗粒物化学组分对于来源解析和源清单调查有重要指示意义，建议在环境空气监测日常业务中逐步引入手工采样和颗粒物化学组分监测，进一步增强环境空气自动监测数据的可验证性。

3.4 提升数据挖掘水平，服务管理决策

SCAQMD近期研究认为中国排放量的约1/5将会直接影响美国、欧洲和其他西半球国家［16］。但上述观点更多是依靠先进技术手段、模型的模拟，有待于进一步数据支撑和检验。英国学者则认为，如果大气遭受污染，北美的污染气团可以越过海洋到达欧洲，欧洲的污染气团向东继续漂流，到达俄罗斯和亚洲。可这并不意味着欧洲一定会遭受美国的污染，或者亚洲会遭受遥远西方的污染，因为大气本身具有自净能力［17］。

建议我国在环境空气监测科研业务中深入挖掘监测数据，强化环境监测数据汇总分析［18］，与科研部门加强业务合作，综合采用模型、模拟和实测值相结合的方法，得出有针对性的管理建议，进而提升为环境管理决策服务的水平。

4 结语

理想的空气质量管理模式应当是以“空气质量达标”为主要目标，由专业机构和人员对辖区的空气质量进行统一管理，对存在以及潜在的问题做出及时反应的管理模式。SCAQMD在过去近40年间的环境空气质量运行管理经验非常值得我国借鉴和学习。我国现行的环境空气质量监测面临诸多挑战和困难，涉及管理、技术、科研(污染特征、健康风险评估等方面)、业务、人才储备等多方面的变革和创新。本文通过介绍SCAQMD的空气质量监测现状、监测网络布局、颗粒物采样方法和质量管理体系，综合比较了现行环境空气质量指数、管理架构和PM2.5考核方法，侧重从运行管理角度提出了一些有利于空气质量监测工作健康发展的建议，供管理者决策参考。

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