安平平,王春旭

(吉林省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,吉林 長春 130000)

隨著生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的全面部署和開展,環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)的數(shù)量不斷優(yōu)化和增加,覆蓋區(qū)域更廣,監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)逐步細(xì)化,形成的數(shù)據(jù)平臺(tái)在空氣質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、預(yù)報(bào)預(yù)警和匯總統(tǒng)計(jì)分析工作中起著重要作用,保證連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性更是重中之重。在2012 年發(fā)布并在2016 年1 月1 日全面實(shí)施的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)中,首次將PM2.5納入了空氣質(zhì)量控制目標(biāo)。PM10和PM2.5作為基本項(xiàng)目,明確規(guī)定了兩類功能區(qū)24 小時(shí)平均值以及年平均值的限值要求。由于顆粒物來源及組成復(fù)雜,現(xiàn)用的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)原理各不相同,且其質(zhì)量控制不同于二氧化硫等氣態(tài)污染物,可以通過標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行相關(guān)溯源校準(zhǔn),準(zhǔn)確監(jiān)測難度相對(duì)較大。國內(nèi)外現(xiàn)均采用手工監(jiān)測方法與自動(dòng)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比對(duì)的方式,來判斷自動(dòng)監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)有很多地區(qū)都開展了顆粒物自動(dòng)監(jiān)測手工比對(duì)的監(jiān)測和研究,但由于各地氣候、氣象、地理位置、經(jīng)濟(jì)狀況和能源結(jié)構(gòu)等各不相同,比對(duì)結(jié)果也存在明顯的差異,為使研究結(jié)果貼近本地實(shí)際情況,比對(duì)監(jiān)測的本地化十分必要。

本文通過2020 年8 月及10 月,在吉林省白城市開展顆粒物自動(dòng)監(jiān)測手工比對(duì)實(shí)驗(yàn),對(duì)比對(duì)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析和相對(duì)偏差分析。

1 比對(duì)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

1.1 監(jiān)測儀器與分析設(shè)備

本次比對(duì)使用的手工監(jiān)測儀器為康姆德潤達(dá)自動(dòng)換膜采樣器,型號(hào)為PNS16T,流量設(shè)定為16.7L/min,每批次采樣前均進(jìn)行氣密性檢測,并對(duì)流量、溫度、壓力進(jìn)行核查,采樣時(shí)段為每日0 時(shí)-23 時(shí)。使用47mm 聚四氟乙烯濾膜進(jìn)行采樣,稱重設(shè)備使用康姆德潤達(dá)AWS-1R 型自動(dòng)稱重系統(tǒng),內(nèi)配有百萬分之一天平,艙室溫度20±1℃,濕度50±1%RH,帶有除靜電裝置,濾膜平衡時(shí)間為24 小時(shí),兩次稱重取平均值作為稱重結(jié)果。

自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備為賽默飛世爾科技有限公司生產(chǎn)的5031i 顆粒物分析儀,原理為β 射線+動(dòng)態(tài)加熱法,流量為16.7L/min,運(yùn)維公司每周對(duì)采樣流量進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.2 監(jiān)測點(diǎn)位

監(jiān)測點(diǎn)位選取位于白城市市民廣場內(nèi)空氣自動(dòng)監(jiān)測站內(nèi)。該站房為2019 年新建,采樣口高度約為3.5m,手工采樣器置于站房頂部,切割器與自動(dòng)采樣設(shè)備采樣口處于水平位置,距離約1.5m。站點(diǎn)周圍無高樓和明顯污染源。

1.3 監(jiān)測時(shí)間

在 2020 年有 8 月 7 日-20 日以及 10 月 10 日-23 日進(jìn)行手工比對(duì)現(xiàn)場采樣,獲得數(shù)據(jù)對(duì)28 組。剔除因設(shè)備故障導(dǎo)致的無效數(shù)據(jù)對(duì),共獲得PM10有效數(shù)據(jù)對(duì)27 組,PM2.5有效數(shù)據(jù)對(duì)28 組。

圖1 PM10、PM2.5 比對(duì)結(jié)果相關(guān)性分析

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 相關(guān)性分析

為比對(duì)自動(dòng)監(jiān)測與手工監(jiān)測結(jié)果的一致性,以手工監(jiān)測結(jié)果為橫坐標(biāo),自動(dòng)監(jiān)測結(jié)果為縱坐標(biāo),進(jìn)行線性回歸分析,并考察回歸分析指標(biāo)的符合性。PM10、PM2.5線性回歸分析見圖1。

HJ 655 為顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)安裝和驗(yàn)收規(guī)范,該標(biāo)準(zhǔn)參比方法比對(duì)結(jié)果的相關(guān)性做出了具體規(guī)定,以此標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求對(duì)本次實(shí)驗(yàn)相關(guān)性做出符合性評(píng)價(jià),相關(guān)性指標(biāo)及符合性結(jié)果見表1。

由表1 可知,除PM10斜率未滿足要求外,其它指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)PM10比對(duì)結(jié)果的相對(duì)偏差高值進(jìn)行環(huán)境條件和氣象情況調(diào)查發(fā)現(xiàn),10 月21 日受蒙古沙塵影響,被判定為沙塵天氣,剔除沙塵天氣數(shù)據(jù)后,PM10回歸分析結(jié)果比對(duì)見表2。

表2 PM10 回歸分析結(jié)果比對(duì)

由表2 可以看出,剔除沙塵影響數(shù)據(jù)后,回歸指標(biāo)均發(fā)生變化,相關(guān)系數(shù)升高,斜率上升并達(dá)到規(guī)范要求,截距變小并接近0。

在回歸方程中,斜率代表自動(dòng)監(jiān)測儀器的系統(tǒng)誤差情況,剔除沙塵影響數(shù)據(jù)后,斜率接近1,表示自動(dòng)監(jiān)測儀器的系統(tǒng)誤差很??；截距代表初始誤差情況,其接近原點(diǎn),表示初始誤差極低?？梢?在進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測手工比對(duì)過程中,當(dāng)受沙塵影響時(shí),會(huì)使監(jiān)測結(jié)果偏差變大。

2.2 相對(duì)偏差分析

以自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與手工監(jiān)測數(shù)據(jù)得到的日均值的相對(duì)偏差、相對(duì)偏差的絕對(duì)值來表示比對(duì)結(jié)果,公式如下：

其中,RD：相對(duì)偏差(%)；ρC：自動(dòng)監(jiān)測結(jié)果,ug/m3；ρM：手工監(jiān)測結(jié)果,ug/m3。

圖2 不同PM10 濃度下自動(dòng)和手工監(jiān)測值相對(duì)偏差

圖3 不同PM2.5 濃度下自動(dòng)和手工監(jiān)測值相對(duì)偏差

PM10比對(duì)得出的26 組數(shù)據(jù)對(duì)中,RD 范圍-24.9%～30.8%,|RD|的平均值為13.1%。以手工監(jiān)測結(jié)果與|RD|做圖,見圖2。

此次實(shí)驗(yàn)獲得的PM10監(jiān)測數(shù)值濃度偏低,因此將PM10監(jiān)測結(jié)果劃分為A 段(≤20ug/m3)、B 段(20-75ug/m3)和C段(＞75ug/m3)各區(qū)間的樣本量分別為10、15 和1。各區(qū)間的濃度平均值分別為 12ug/m3、28ug/m3和 104ug/m3,|RD|平均值分別為16.4%、10.6%和5.8%,|RD|平均值排序?yàn)锳 段＞B段＞C 段?？梢钥闯?在A 段極低濃度區(qū)域內(nèi),相對(duì)偏差很分散且多為正偏差,表明自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)大于手工監(jiān)測,隨著PM10濃度升高,|RD|有所降低。由于本次實(shí)驗(yàn)獲得的C 段數(shù)據(jù)樣本僅有1 個(gè),因此對(duì)濃度段的|RD|平均值有待進(jìn)一步研究。

PM2.5比對(duì)得出的28 組數(shù)據(jù)對(duì)中,RD 范圍-12.5%～80.0%,|RD|的平均值為29.0%。以手工監(jiān)測結(jié)果與|RD|做圖,見圖3。

本次實(shí)驗(yàn)獲得的28 對(duì)數(shù)據(jù)中,PM2.5數(shù)據(jù)均低于35ug/m3,為觀察監(jiān)測結(jié)果與|RD|的關(guān)系,將PM2.5監(jiān)測結(jié)果劃分為A 段(≤10ug/m3)和B 段(10-35ug/m3)。各區(qū)間的樣本量分別為21 和7。各區(qū)間的濃度平均值分別為5ug/m3和17ug/m3,|RD|平均值分別為31.9%和9.9%?？梢钥闯?在A段濃度區(qū)域內(nèi),RD 分散且多為正值,表明在極低濃度時(shí),自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)多高于手工監(jiān)測,隨著PM2.5濃度升高,|RD|隨之降低且趨于集中。由于本次實(shí)驗(yàn)獲得的PM2.5濃度整體偏低,僅對(duì)低濃度區(qū)域的相對(duì)偏差變化情況進(jìn)行分析,其它濃度區(qū)域仍有待進(jìn)一步研究。

2.3 原因分析

在對(duì)PM10和PM2.5的相對(duì)偏差分析中,都出現(xiàn)了隨顆粒物濃度升高,|RD|降低的現(xiàn)象,可能是由于顆粒物濃度處于較低水平,且濃度值均取整數(shù)進(jìn)行計(jì)算,因?yàn)樵斐蓾舛仍降?|RD|越高。在PM2.5的比對(duì)中,還出現(xiàn)了RD 為80%的極高值,它對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)為(9,5)。

3 結(jié)束語

在對(duì)白城市顆粒物比對(duì)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)中,對(duì)PM10和PM2.5比對(duì)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析,除PM10斜率外,其它指標(biāo)均符合技術(shù)規(guī)范(HJ 533-2013)的要求。剔除沙塵影響數(shù)據(jù)后,PM10回歸指標(biāo)均出現(xiàn)向好變化且全部符合規(guī)范要求。當(dāng)PM10和PM2.5監(jiān)測結(jié)果處于較低濃度時(shí),隨顆粒物濃度逐漸升高,|RD|隨之降低。