城市环境空气质量自动监测优化布点研究

杨会珠++徐曼++王建国

摘要： 简要介绍了环境空气监测点位优化布点的步骤、原则以及基本方法，包括功能区法、模拟法、数理统计法、综合法和模糊聚类分析法。

Abstract： This paper briefly introduces the steps， principles and basic methods of optimization of distribution of ambient air monitoring points， including functional area method， simulation method， mathematical statistics method， comprehensive method and fuzzy clustering analysis method.

关键词： 环境空气质量；自动监测；优化布点

Key words： ambient air quality；automatic monitoring；optimization of distribution points

中图分类号：X831 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）23-0009-02

0 引言

城市与区域大气污染形势日益严峻，要掌握环境空气质量的现状与变化趋势，就必须开展环境空气质量监测[1]。以尽可能少的监测点位代表尽可能完整的空气质量，环境空气质量监测点位布设及优化是环境空气质量监测非常重要的研究内容。

1 环境空气质量监测布点的基本步骤

环境空气质量自动监测布点及优化的基本步骤分为：确定监测目标、划定监测范围、历史资料与数据的收集、确定监测点位的类型、数量与代表范围、监测方案的设计与实施、监测点位的管理与优化。

2 环境空气质量自动监测布点优化的基本原则

代表性：城市环境空气质量评价点需能客观、真实、全面地反映所在区域的环境空气质量状况。

完整性：城市环境空气质量评价城市点应考虑城市自然地理、能源结构、气象等综合环境因素，考虑工业布局、产业结构、人口分布等社会经济特点，在整体布局上反映城市主要功能区和主要大气污染源的空气现状及变化趋势，合理布局，各监测点之间相互协调。

前瞻性：兼顾未来城乡空间格局变化趋势以及城乡建设规划考虑监测点的布设。

针对性：坚持环境管理需求优先原则，监测数据是各项工作的基本依据，包括评价环境质量、污染物排放状况和各级政府环境保护工作成效等。因此，城市环境空气质量评价点位的设置应优先满足环境管理的需求。

连续性：为了保持监测资料的连续性和可比性，原则上点位一经确认，不应变更，除非有不满足规范的理由。

经济成本最优：资源和能源的不合理使用造成了环境污染，影响了社会经济的有序健康发展，环境问题的实质是经济问题。同时，在决定监测点位时，还需要考虑现场的实际情况，交通是否方便、电力是否具备、周边环境是否有干扰等。

调整优化后的城市评价点位能够代表城市行政区划改变后的污染水平，反映新的监测覆盖区域和功能区，确保能客观反映城市区域环境空气质量状况、污染物特征及分布规律，能全面评估区域污染水平及污染发展趋势。点位的调整要综合考虑点位布设等具体实施工作的可行性，做到监测点位理论上优化、技术上可行、采样相对方便、立足当前兼顾发展。

3 监测点数量的确定

监测点的数目设置是一个与精度要求和经济投资相关的效益函数，应根据监测范围大小、污染物的空间分布特征、人口分布密度、气象、地形、经济条件等因素综合考虑确定。在实际应用中，监测点位的数目的多少即对应着人力财力的投入量，因此监测点位数目的确定，应根据监测范围大小、污染物的空间分布特征、人口分布及密度、气象、地形及经济条件等因素综合考虑。

目前针对监测点位数目的确定主要以定性方法为主，也有人提出一些定量方法，但是由于这些定量方法在建模过程中使用到一些理想化假设条件，往往限制了其应用范围，一般只能作为一个参考，还需综合考虑其他因素。

最优监测点位数量的确定，要求控制监测点位的数量，但同时保证足够的信息量，同时也要注意尽可能避免信息重复。监测点数目的确定，需要综合考虑当地经济社会发展条件，大气污染物现状等多方面的因素。

目前有基于人口数量、污染程度和面積、功能区等方法进行监测点位的确定。欧洲环保署（EEA）、世界卫生组织、美国等对悬浮颗粒物、SO2、CO、NO2等多个项目根据人口数量而确定监测点位数量，以最少的成本控制、最少的监测点尽可能全面地反映整个地区的污染水平；国外还有以测区面积及污染程度为基础的经验法，将污染超过年平均标准的地区、介于标准与本地水平之间的地区、本地水平地区三种，按照一定的公式计算所需要的监测点位；功能区布点考虑城市点位较少，仅布三、四个点。

4 监测布点优化的基本方法

监测点位优化方法很多，通常采用功能区网格法、数理统计法、模型法以及综合法等方法进行优化。由于预测模型和预测精度对优化布点工作的结果的影响较大，比较难以广泛应用。近年来，又发展出了系统聚类法、模糊优化、物元关联分析法、人工神经网络等，这些方法大多基于传统数理统计模型，无法克服扰动的随机性，对于一些非线性、非正太分布数据处理不理想。

最优监测点位的选择必须考虑区域的气象和地形地势条件，使布点在地理上分布合理，布局均匀。监测点位的选择可以分为两个步骤，包括污染物变化规律相同区域划分、在划分的各区域中选择合适的监测点。

监测点位的设置应具有好的代表性，所设置的监测点能反映一定范围内的大气环境的空气质量现状和变化规律：①布设的监测点位应覆盖全部监测区，采点位应设在整个监测区域的高中低不同浓度的地方，能合理反映区域内空气质量状况、污染水平、污染规律；②点位设置应考虑环境本底因素，以及人口分布，产业结构、工业布局等社会经济特点，分布相对均匀，覆盖全部建成区；③区分不同类别功能区域空气污染的现状，注意点、线、面等污染源对城市人口集中区域的影响，工业集中地区、人口密度大的地区应适当多设置采点位；④兼顾完成城市自身所要求的空气监测任务。

4.1 功能区法

我国在环境监测初期，都是采用功能区域的点位布设方法，该方法多用于一个城市仅考虑三、四个大气监测点位的情况下。但是，特定范围内，人类活动与该空间的空气污染现状之间关系不固定，各城市不具备可比性，因此对整个区域代表性就比较差。所以目前需要重新认识和研究该方法能否实现布点的优化。

4.2 数理统计法

数理统计法利用统计的原理分析监测布点的合理性和准确性，即假定了一个时间序列和空间范围实际的大气监测结果与大气污染的分布状况和扩散存在时间、空间上的相关性。但由于实际监测中点位布点和监测频次的局限性，决定了监测结果的相关性较差，且没有考虑污染源强度及环境条件的影响，因而有一定的不合理性。

4.3 模拟法

模型模拟的结果受污染源分布、污染扩散规律、气象条件等环境条件多方面影响，同时还与模型模式的适用程度和模式方法选取等因素有关。掌握一个区域内环境空气的污染物分布情况是比较困难的工作，需要大量的监测网格数据，模拟法在客观环境要素等条件的获取和具体模式的选择和使用等方面都存在无法避免的数据缺失，难以提高模拟的精度和预测的准确度，做到通用有一定难度。

4.4 综合法

综合法能基本上解释环境空气质量的时空变化特征，揭示大气污染物浓度的变化规律。它考虑了影响环境空气质量的各种因素，用大量的实测数据来提高模拟结果的准确度，弥补其他环境条件信息的缺失。但该方法要求原始大气监测网的密度高，否则等值线无法建立，无法进一步深入分析，在具体操作上还是具有较大难度。

4.5 模糊聚类分析法

目前来说，最为常用的还是模糊聚类分析法，利用模糊数学方法进行数学处理更科学，它能有效解决评价标准的边界模糊和监测误差对评价结果的影响。同其它方法相比，此方法原理简单、计算量小，模型直观，人为影响小，符合环境空气监测网格化点位布设的基本要求，同时也具有整体代表性。

5 小结

环境空气质量监测点位布设涉及自然环境和经济社会生活的诸多方面，仅使用一种或几种方法无法真实反映实际情况，而使用的方法过多又可能会使问题复杂化，不利于布点工作顺利开展。因此可以采用以下原则开展点位优化：根据不同的管理需要，多组合利用上述方法，也就是将这些方法以类型和次序为对象进行组合应用，以期达到理想的研究效果。

参考文献：

[1]王秀梅，张淑红.大气环境监测的应用及布点方法[J]北方环境，2011，23（7）：218.

[2]劉潘伟，郑君瑜，李志成.区域空气质量监测网络优化布点方法研究[J]中国环境科学，2010，30（7）：907-913.

[3]陈艳萍.浅谈城市环境空气监测点位的优化调整[J].科技与企业，2012（10）.