潘本鋒 汪 巍 王瑞斌 李健軍

(中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012)

1 引言

環(huán)境空氣中的PM2.5是指環(huán)境空氣中空氣動力學直徑小于等于2.5μm的顆粒物，其主要來源為火力發(fā)電、工業(yè)生產、汽車尾氣、生物質燃燒、二次生成、道路揚塵等過程。PM2.5作為各種光化學反應的載體，促進城市大氣光化學反應的發(fā)生，其對環(huán)境的污染及對人體健康的危害在顆粒物中尤為突出，它還是造成環(huán)境能見度降低的主要原因。2010年11月環(huán)保部就《環(huán)境空氣質量標準(征求意見稿)》公開向社會征求意見，在該征求意見稿資料性附錄中規(guī)定了PM2.5的參考限值，雖未將PM2.5列入標準規(guī)定的必測項目，卻是在我國第一次嘗試將PM2.5納入國家環(huán)境質量標準，也使得PM2.5這一詞匯逐步走入公眾視野。2011年秋冬季節(jié)，我國京津冀地區(qū)霧霾現(xiàn)象頻發(fā)，霧霾天氣發(fā)生時，空氣質量嚴重惡化，引發(fā)了社會各界的極大關注，由于PM2.5是導致霧霾天氣的主要污染物，因此PM2.5的監(jiān)測與防治問題迅速成為人們關注的焦點，2012年2月《環(huán)境空氣質量標準》(GB3095-2012)正式頒布實施，將PM2.5列入了環(huán)境空氣質量必測項目之中。由于PM2.5的來源、組成，以及性質與PM10存在明顯差異，歐美發(fā)達國家的監(jiān)測經驗表明兩者的監(jiān)測技術要求也有較大不同。因此，如何開展PM2.5監(jiān)測成為我國各級環(huán)境監(jiān)測部門面臨的重要問題。本文結合國內外PM2.5監(jiān)測工作的進展情況，對我國PM2.5監(jiān)測網絡布局與監(jiān)測方法選擇的經濟、技術可行性進行了深入研究和分析。

2 部分發(fā)達國家PM2.5監(jiān)測進展情況分析

2.1 英國PM2.5監(jiān)測網絡與監(jiān)測方法

2.1.1 英國PM2.5監(jiān)測網絡

英國環(huán)境食品與農業(yè)事務部(UK DEFRA)組建了英國城市和農村空氣自動監(jiān)測網(automatic urban and rural network，AURN)，該網絡是英國目前最大的空氣自動監(jiān)測網，也是最主要的用來空氣質量達標評價的監(jiān)測網絡。2008年英國的PM2.5例行監(jiān)測點位只有一個，位于London Bloomsbury，截止2011年英國的 PM2.5監(jiān)測點位有131個，包括城市背景點、郊區(qū)背景點、農村背景點、城市交通點、城市工業(yè)點等點位類型。這些點位中有將近一半的點位由環(huán)境食品與農業(yè)事務部直接負責管理，另一半由地方政府的相關部門負責管理。此外，英國還設立了一個顆粒物數(shù)量與濃度研究監(jiān)測網(The Particle Numbers and Concentrations Network)，由環(huán)境食品與農業(yè)事務部委托有關研究機構負責管理，截止2011年該網絡共有5個點位組成，主要監(jiān)測顆粒物的數(shù)量濃度、粒徑分布、質量濃度、離子組分、元素碳、有機碳等。

2.1.2 英國PM2.5監(jiān)測方法

在英國城市和農村空氣自動監(jiān)測網(AURN)中采用三種方法進行PM2.5的監(jiān)測，即振蕩天平聯(lián)用膜動態(tài)測量系統(tǒng)(FDMS)法、β射線法、重量法，其中重量法是歐盟相關規(guī)范要求的參考方法。相關研究指出，標準振蕩天平法不符合歐盟的等效方法要求，但是因為振蕩天平法可以獲取連續(xù)的、瞬時的監(jiān)測數(shù)據，所以在英國被廣泛使用。為了彌補揮發(fā)性物質的損失，英國曾經使用修正系數(shù)1.3來對監(jiān)測數(shù)據進行修正，但是隨后的研究表明，修正后仍然不能滿足歐盟等效方法要求，為此英國DEFRA建議地方當局可以在采用VCM模型修正的基礎上，使用振蕩天平法來開展空氣質量監(jiān)測。此外研究還表明，光散射法同樣不是歐盟的等效方法。

2.2 日本PM2.5監(jiān)測網絡與監(jiān)測方法

2.2.1 日本PM2.5監(jiān)測網絡

據資料顯示，截止2009年日本國內共有空氣監(jiān)測點位1987個，其中包含1549個環(huán)境空氣質量監(jiān)測點位，438個路邊空氣質量監(jiān)測點位。按照相關法律規(guī)定，這些點位主要由日本地方政府的相關機構負責管理，其中納入國家監(jiān)測網管理的環(huán)境空氣質量監(jiān)測點位有9個，路邊空氣質量監(jiān)測點位10個。在日本并非所有的空氣監(jiān)測點位都開展了PM2.5的常規(guī)監(jiān)測，目前開展PM2.5監(jiān)測的點位有588個，其中包括環(huán)境空氣質量監(jiān)測點位424個，路邊空氣質量監(jiān)測點位164個。

2.2.2 日本PM2.5監(jiān)測方法

日本環(huán)境質量標準中規(guī)定的PM2.5標準監(jiān)測方法，包括了濾膜采樣重量法、β射線吸收法、振蕩天平法、光散射法等。目前在日本國家監(jiān)測網中的9個點位，其PM2.5監(jiān)測方法主要為β射線吸收法。

2.3 美國PM2.5監(jiān)測網絡與方法

2.3.1 美國PM2.5監(jiān)測網絡

美國從20世紀70年代開始組建了環(huán)境空氣質量監(jiān)測網，有州和地方環(huán)境空氣監(jiān)測站(State and Local Ambient Monitoring Stations，SLAMS)組成，監(jiān)測項目包括 SO2、NO2、CO、O3、Pb、TSP、PM10、PM2.5，監(jiān)測點位最多時達到3000多個，監(jiān)測設備5000多套。這些監(jiān)測站點大多由州和地方政府的相關部門負責運行，其監(jiān)測結果用來和國家標準比較，以判斷一個區(qū)域的空氣質量是否達到國家標準的要求。美國于1997年頒布了PM2.5的環(huán)境質量標準，其 PM2.5監(jiān)測工作于 1999 年開始，截止2007年底，大約有1000個監(jiān)測點位開展了PM2.5的監(jiān)測工作，其中濾膜采樣手工監(jiān)測設備947套，自動監(jiān)測設備591套。美國1970年至2007年環(huán)境空氣監(jiān)測點位變化情況見圖1。

此外，美國從2000年起組建了顆粒物化學成分監(jiān)測網(Chemical Speciation Network，CSN)，共包含大約300個監(jiān)測點位，在這些點位每三天或每六天采樣一次，主要進行PM2.5的質量分析、元素分析(包含鉛)、主要離子組分分析、元素碳分析、有機碳分析等顆粒物的主要組分分析。

圖1 美國環(huán)境空氣監(jiān)測點位數(shù)量

1985年美國還組建了能見度保護網(Interagency Monitoring of Protected Visual Environments，IMPROVE)用來保護一些特殊地區(qū)的環(huán)境能見度，如國家公園等。該網是一個跨部門合作的監(jiān)測網，主要開展PM2.5形態(tài)分析、重金屬監(jiān)測等。目前該網絡包括了110個區(qū)域監(jiān)測站、7個 Clean AirStatusand TrendsNetwork(CASTNET)中的監(jiān)測站點、34個CSN站點。

2011年美國組建了國家核心監(jiān)測網，包括80個站點，其中63個城市站點和17個農村站點，監(jiān)測項目主要有 PM2.5質量濃度(濾膜采樣法)、PM2.5質量濃度(自動監(jiān)測法)、PM2.5-10 質量濃度、PM2.5化學組分(包括離子組分、金屬、元素碳、有機碳等)、氣態(tài)污染物濃度、氣象參數(shù)等。

2012年美國對PM2.5環(huán)境質量標準進行了修訂，并對PM2.5的監(jiān)測網絡提出了新的要求，計劃從2015年開始逐步增加PM2.5的道路交通監(jiān)控點，并要求在每個100萬人口以上的城市設置一個監(jiān)控點，為了減少投資，PM2.5道路監(jiān)控點將從現(xiàn)有的NO2或CO道路監(jiān)控點中選取。

2.3.2 美國PM2.5監(jiān)測方法

美國EPA要求在環(huán)境空氣質量監(jiān)測網中必須使用聯(lián)邦參考方法或等效方法進行PM2.5的監(jiān)測工作，2008年以前主要采用濾膜采樣方法進行監(jiān)測，每三天或六天采樣一次。截止2007年底，共有947個濾膜采樣手工監(jiān)測儀器和591臺自動監(jiān)測儀器。2008年美國EPA第一次批準了PM2.5的自動監(jiān)測方法為等效方法，自動監(jiān)測方法開始逐步應用于國家監(jiān)測網中。截止2012年，通過美國EPA認證的自動監(jiān)測方法有11種，監(jiān)測方法包括光散射法、振蕩天平法(聯(lián)用FDMS)、β射線法，通過美國EPA認證的PM2.5自動監(jiān)測設備清單見表1。

3 我國PM2.5監(jiān)測網絡布局與方法體系分析

3.1 我國PM2.5監(jiān)測網絡布局分析

我國現(xiàn)有的環(huán)境空氣監(jiān)測網絡始建于20世紀80年代，最初以手工監(jiān)測為主，從2000年起自動監(jiān)測開始逐步取代自動監(jiān)測，至2010年我國的環(huán)境空氣監(jiān)測網絡共涵蓋了我國113個環(huán)境保護重點城市的661個監(jiān)測點位，全部實現(xiàn)了空氣質量自動監(jiān)測，監(jiān)測項目為SO2、NO2、PM10等，依照當時的環(huán)境空氣質量標準，各點位未開展 PM2.5的監(jiān)測。2012年2月我國頒布了《環(huán)境空氣質量標準》(GB3095-2012)，將PM2.5納入了空氣質量必測項目，同年4月環(huán)保部調整了國家環(huán)境空氣質量監(jiān)測網組成名單，將監(jiān)測網絡覆蓋到我國所有地級以上城市，調整后的監(jiān)測網絡有338個地級以上城市的1436個監(jiān)測點位組成。按照空氣質量新標準的要求，至2016年國家環(huán)境空氣監(jiān)測網內的所有監(jiān)測點位將按照新標準開展監(jiān)測，屆時我國PM2.5監(jiān)測點位將達到1436個，監(jiān)測點位總數(shù)將達到全球第一。與國外主要發(fā)達國家相比較，我國單位國土面積PM2.5監(jiān)測點位數(shù)目略高于美國，低于英國和日本;但由于我國人口數(shù)量龐大，單位人口PM2.5監(jiān)測點位數(shù)量仍低于英、美、日等發(fā)達國家。我國PM2.5監(jiān)測點位數(shù)量與國外發(fā)達國家比較情況見表2。

表1 美國EPA PM2.5自動監(jiān)測設備認證清單

表2 我國與英、美、日等國PM2.5監(jiān)測點位數(shù)量比較

從監(jiān)測點位所處區(qū)域代表性方面分析，目前我國的PM2.5監(jiān)測點位主要位于城市區(qū)域，城市郊區(qū)和農村地區(qū)的點位偏少。為了全面反映我國PM2.5污染狀況，我國于2008開始了環(huán)境空氣背景站和農村站建設，目前已建成14個背景監(jiān)測站和31個農村區(qū)域站，預計到“十二五”末，將建成15個背景站和96個農村區(qū)域站。

從監(jiān)測點位類型分析，目前我國監(jiān)測網中的絕大多數(shù)點位屬于環(huán)境空氣質量評價點，而污染監(jiān)控點位和城市路邊點位偏少，因此在今后的能力建設中還應考慮適當增加污染監(jiān)控點位的建設。

從監(jiān)測項目上分析，目前我國例行監(jiān)測項目主要是PM2.5質量濃度，為了全面反映 PM2.5的污染特征和來源，今后在質量濃度監(jiān)測基礎上還應該逐步考慮開展PM2.5主要組分監(jiān)測。

3.2 我國PM2.5監(jiān)測方法體系分析

2011年我國頒布了《環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定重量法》(HJ618-2011)，為我國開展PM2.5監(jiān)測工作奠定了基礎，該方法是我國PM2.5監(jiān)測的標準方法，其他任何自動監(jiān)測方法都必須與該方法進行比對，取的滿意結果后才能用于監(jiān)測工作。

PM2.5的重量法測定雖然是我國的標準方法，但是該方法監(jiān)測成本高、操作過程繁雜、對實驗室環(huán)境和操作人員都要較高的技術要求，更為重要的是該方法不能及時獲的實時監(jiān)測結果，因此無法完全滿足當前環(huán)境管理的要求和社會公眾對環(huán)境信息公開的迫切需求。因此，PM2.5的監(jiān)測宜采取自動監(jiān)測方法，以適應各方面的需求，目前國際上成熟的PM2.5自動監(jiān)測方法有光散射法、β射線法、振蕩天平法等等。

2012年中國環(huán)境監(jiān)測總站對部分型號的光散射法PM2.5自動監(jiān)測儀、β射線法自動監(jiān)測儀、振蕩天平法自動監(jiān)測儀進行了手工標準監(jiān)測方法的比對測試，研究結果顯示，β射線法聯(lián)用動態(tài)加熱系統(tǒng)(DHS)的PM2.5自動監(jiān)測儀、振蕩天平法聯(lián)用膜動態(tài)測量系統(tǒng)(FDMS)的PM2.5自動監(jiān)測儀與我國手工標準監(jiān)測方法具有較好的可比性，光散射法PM2.5自動監(jiān)測儀和未加裝FDMS的振蕩天平法PM2.5自動監(jiān)測儀與我國手工標準監(jiān)測方法之間的可比性較差。四種不同類型監(jiān)測儀器的比對測試結果見圖2-圖5。

圖2 振蕩天平法聯(lián)用FDMS儀器與手工標準方法比對測試結果

圖3 β射線法聯(lián)用DHS儀器與手工標準方法比對測試結果

圖4 振蕩天平法與手工標準方法比對測試結果

研究結果表明，振蕩天平法法監(jiān)測儀器與β射線法監(jiān)測儀器均能夠滿足監(jiān)測工作需要，但因為設計原理和儀器構造不同，兩種儀器操作使用要求與運行成本存在一定差異。β射線法監(jiān)測儀器在使用過程中，操作較為簡單，運行維護成本低廉;相對于β射線法監(jiān)測儀器，振蕩天平法監(jiān)測儀器在使用過程中其操作相對復雜，運行維護成本也高于β射線法監(jiān)測儀器。2012年我國在直轄市、省會城市、計劃單列市、京津冀、長三角、珠三角等重點區(qū)域城市已經先期開展了PM2.5監(jiān)測能力建設，共涉及74個城市的496個環(huán)境空氣監(jiān)測點位。據初步統(tǒng)計，496個點位中共使用振蕩天平法監(jiān)測儀器75臺，占儀器總數(shù)的15%，使用β射線法監(jiān)測儀器421臺，占儀器總數(shù)的85%。因此，綜合考慮兩種方法儀器的性能指標和運行維護成本，β射線法PM2.5監(jiān)測儀器更適合于在我國環(huán)境空氣監(jiān)測網絡內推廣和普及。

圖5 光散射法與手工標準方法比對測試結果

4 研究小結

2013年新年伊始全國多地霧霾籠罩，污染由最嚴重的京津冀地區(qū)擴散至沿海地區(qū)，給公眾交通出行和健康都帶來了嚴重影響。中央氣象臺專家分析，此次霧霾天氣出現(xiàn)是由于冷空氣勢力弱，形成大霧天氣后使空氣中的污染物很難擴散，加重了空氣污染。這一場十面“霾”伏，確實讓國務院、各地方政府、專家學者以及全體公眾更加關注大氣環(huán)境質量。尤其目前我國大氣區(qū)域性復合污染形勢嚴峻并成為我國“十二五”以及未來大氣污染防治的巨大挑戰(zhàn)。分析導致區(qū)域性大氣復合污染的原因，與我國一些地方長期以來經濟發(fā)展方式粗放、產業(yè)結構不合理密切相關。同時，因大氣環(huán)流造成城市間污染物相互影響，僅僅依靠各個城市“各自為戰(zhàn)”，沒有形成區(qū)域性治污合力，也是目前酸雨、灰霾和光化學煙霧污染嚴重的重要原因。

黨中央、國務院對大氣污染防治工作高度重視，作出了一系列重要部署。國務院辦公廳于2010年5月11日轉發(fā)了環(huán)境保護部《關于推進大氣聯(lián)防聯(lián)控工作改善區(qū)域空氣質量的指導意見》。這是國務院第一次專門針對大氣污染防治的綜合性政策文件，明確提出了推進區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控工作的指導思想和工作目標。2010年11月環(huán)保部就《環(huán)境空氣質量標準(征求意見稿)》公開向社會征求意見，在該征求意見稿資料性附錄中規(guī)定了PM2.5的參考限值，雖未將PM2.5列入標準規(guī)定的必測項目，卻是在我國第一次嘗試將PM2.5納入國家環(huán)境質量標準，也使得PM2.5這一詞匯逐步走入公眾視野。2011年秋冬季節(jié)，我國京津冀地區(qū)霧霾現(xiàn)象頻發(fā)，霧霾天氣發(fā)生時，空氣質量嚴重惡化，引發(fā)了社會各界的極大關注，由于 PM2.5是導致霧霾天氣的主要污染物，因此PM2.5的監(jiān)測與防治問題迅速成為人們關注的焦點，2012年2月《環(huán)境空氣質量標準》(GB3095-2012)正式頒布實施，將PM2.5列入了環(huán)境空氣質量必測項目之中。由于PM2.5的來源、組成，以及性質與PM10存在明顯差異，歐美發(fā)達國家的監(jiān)測經驗表明兩者的監(jiān)測技術要求也有較大不同。因此，開展PM2.5監(jiān)測成為我國各級環(huán)境監(jiān)測部門亟待解決的重要問題。

本文結合國內外PM2.5監(jiān)測工作的進展情況，對我國PM2.5監(jiān)測網絡布局與監(jiān)測方法選擇的經濟、技術可行性進行了深入研究和分析。通過對國內外PM2.5監(jiān)測網絡布局現(xiàn)狀的分析和比較，我國“十二五”規(guī)劃的PM2.5監(jiān)測網絡從點位數(shù)目和網絡布局上基本能夠反映我國PM2.5的污染狀況，但為進一步反映PM2.5的污染特征和來源，今后還應逐步增加污染監(jiān)控點位、道路交通點位的設置，同時在質量濃度監(jiān)測的基礎上，還應逐步開展PM2.5主要組分監(jiān)測。在監(jiān)測方法上，β射線法聯(lián)用動態(tài)加熱系統(tǒng)(DHS)PM2.5自動監(jiān)測儀和振蕩天平法聯(lián)用膜動態(tài)測量系統(tǒng)(FDMS)PM2.5自動監(jiān)測儀均能夠滿足監(jiān)測工作的需要，綜合考慮兩種類型儀器的性能指標和運行成本，β射線法聯(lián)用動態(tài)加熱系統(tǒng)(DHS)PM2.5自動監(jiān)測儀操作相對簡單，運行維護成本相對較低，更適合于在我國環(huán)境空氣監(jiān)測網絡內推廣和普及。

［1］GB3095-2012，環(huán)境空氣質量標準［S］.

［2］Tony Bush，Sarah Choudrie，Beth Conlan，etal，Air Pollution in the UK 2011［R］.LONDON:UK DEFRA，2012:16-19.

［3］Ambient Air Monitoring Strategy for State，Local，and Tribal Air Agencies［R］.Office of Air Quality Planning and Standards Research Triangle Park，NC 2008，1-2-1-6.

［4］EPA’ S Revised Air Quality Standards For Particle Pollution:Monitoring，Designations And Permitting Requirements［R］.US EPA，2012，1-2.

［5］Implementing Continuous PM2.5Federal Equivalent Methods(FEMs)and Approved Regional Methods(ARMs)in State or Local Air Monitoring Station(SLAMS)Networks［R］.US EPA，2008，1-2.

［6］List Of Designated Reference And Equivalent Methods［R］，US EPA，2012，48-49.

［7］胡敏，唐倩，彭劍飛.我國大氣顆粒物來源及特征分析［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2011，36(5):15-19.

［8］王帥，丁俊男，王瑞斌等.關于我國環(huán)境空氣質量監(jiān)測點位設置的思考［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2012，37(4):21-25.

［9］解淑艷，王瑞斌，李建軍等.現(xiàn)代化環(huán)境空氣質量監(jiān)測網絡構想［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2012，37(4):26-31.

［10］潘本鋒，汪巍，李亮等.我國大中型城市秋冬季節(jié)霧霾天氣污染特征與成因分析［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2013，38(1):33-36.