鞏國麗，要 玲，任麗霞，羅錦洪

（1.山西能源學院，山西 榆次 030600；2.山西省生態(tài)環(huán)境保護服務(wù)中心，山西 太原 030000）

20 世紀中期，倫敦煙霧等嚴重環(huán)境事件使得人們不得不關(guān)注環(huán)境空氣質(zhì)量，各國逐漸開始對大氣環(huán)境實施監(jiān)測。我國也對城市等區(qū)域開始了監(jiān)測，并于30 年前開始了點位的調(diào)整[1-3]。

隨著城市的發(fā)展，城市的人口和規(guī)模不斷擴大，城市的功能布局和產(chǎn)業(yè)布局也處于不斷優(yōu)化調(diào)整的過程中，即城市的污染源分布也有所變化，為此原先的點位在數(shù)量和布局上也應(yīng)該進行優(yōu)化調(diào)整[4-7]。當然這種優(yōu)化調(diào)整不是點位越密越好，而是應(yīng)基于人力、經(jīng)濟和點位最大代表區(qū)域來考慮，這也是點位優(yōu)化的意義所在。

點位調(diào)整經(jīng)常會用到一些分析方法，如模擬法[8-13]等。近幾年，研究者們多利用多目標優(yōu)化方法來進行點位優(yōu)化，這是因為，該方法利用GIS 容易實現(xiàn)，且靈活度高，如王陸平等[14]就利用多目標優(yōu)化方法進行過點位的調(diào)整。

1 監(jiān)測點位數(shù)量確定及優(yōu)化布點方法

1.1 確定監(jiān)測點位數(shù)量

近年來，太原市城市建設(shè)速度較快，根據(jù)《2017太原統(tǒng)計年鑒》（見第205 頁表1），截至2016 年底，六城區(qū)常住人口355 萬人。依據(jù)點位數(shù)量設(shè)置要求，太原市監(jiān)測點位應(yīng)不少于10 個，且每50 km2～60 km2應(yīng)設(shè)置一個監(jiān)測點位，因此太原市9 個國控點位（1 個清潔對照點）已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有太原市城市發(fā)展和城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測要求，應(yīng)新增1個～2 個環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位以便能更好地代表太原市環(huán)境空氣質(zhì)量。

表1 人口分布統(tǒng)計表

1.2 多目標優(yōu)化分析方法

通過建立多個目標函數(shù)及約束條件而進行比較優(yōu)化的一種方法。

1.2.1 最大貼近目標函數(shù)

本文的最大貼近目標函數(shù)是指柵格點位的濃度均值與調(diào)整后點位濃度的差值最小。

1.2.2 約束條件

1）主要污染源約束。剔除環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測點位不能代表區(qū)域整體情況的重點污染點源及其周邊。

2）風速約束。風速的大小與污染物擴散程度有直接關(guān)系。為更好突出能造成污染物濃度局部增大的情況，選擇風速較低的可行點作為約束條件為F（x，y）≤2.18。結(jié)合太原氣候特點，選取2.18 m/s 為最低年平均風速，m/s。

3）行政區(qū)約束。行政區(qū)約束是為了環(huán)境管理的方便，即太原市的每一個區(qū)縣都應(yīng)該至少有一個布點。

4）人口分布約束?？紤]到人為因素是污染物排放的主要因素之一，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相同的情況下，人口密度大的區(qū)域，污染物排放相對較大，為此將能夠大于第205 頁表2 中的人口密度限值的網(wǎng)格點作為備選布局網(wǎng)格點。結(jié)合每個區(qū)縣至少有一個點位的要求，在每個區(qū)縣內(nèi)確定每個柵格的最低人口密度（各區(qū)的每個柵格人口數(shù)除以各區(qū)人口總數(shù)），如表2 所示。

表2 各區(qū)人口密度限值

5）DEM 約束。海拔過高或者過低都會影響布點對整體區(qū)域的代表性，太原市最高海拔為1 804 m，最低海拔為680 m，為此本研究最高和最低海拔的約束條件分別定為1300 m 和750 m。

2 結(jié)果與討論

2.1 太原市環(huán)境空氣質(zhì)量概況

2018 年，太原市市區(qū)環(huán)境空氣中各環(huán)境因子的年均質(zhì)量濃度值如下：ρ（PM10）=135 μg/m3，ρ（PM2.5）=59 μg/m3，ρ（SO2）=29 μg/m3，ρ（NO2）=52 μg/m3，O3日最大8 小時平均第90 百分位數(shù)質(zhì)量濃度為191 μg/m3，CO 日均第95 百分位數(shù)質(zhì)量濃度值為1.9 mg/m3。

利用9 個國控監(jiān)測點位，4 個市控監(jiān)測點位，以及322 個微站（196 個城市點，96 個道路點，20 個企業(yè)點，10 個傳輸通道點）的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用Arcgis 的空間插值工具，得出太原市六區(qū)的空氣質(zhì)量空間分布如第206 頁圖1 所示。

從圖1 可以看出，除O3外，大部分污染物的空間分布特征基本一致，呈現(xiàn)西北部和東北部區(qū)域污染物濃度較低，南部區(qū)域污染物濃度高的趨勢。這是由于，太原市整個地形是北高南低的，全年盛行西北風，重點污染源太鋼集團位于上風風向，對南部區(qū)域的影響較大。此外，采暖等企業(yè)排放的污染物均隨風擴散至南部區(qū)域，致使太原南部污染物濃度值高。

圖1 太原市環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀空間分布圖

2.2 可行網(wǎng)格點范圍的確定

通過污染源排放清單得出，太原市重點大氣污染源有山西太鋼不銹鋼股份有限公司、晉能嘉節(jié)燃氣、西山熱電、東山石灰石礦、太原二電、雙良鼎新水泥、獅頭中聯(lián)水泥、國電集團太原一電、鑫瑋昌礦產(chǎn)品加工廠、西銘礦、西峪煤礦、官地礦選煤廠、祁家山石灰石礦等。選取上述太原市28 家企業(yè)作為重點污染源，利用Arcgis 的緩沖分析工具，得出26 家企業(yè)周圍4km 以內(nèi)的圓形區(qū)域作為剔除網(wǎng)格（第206 頁圖2）。另利用Arcgis 軟件的空間分析工具分別得出風速約束條件下（第206 頁圖3）、行政區(qū)和人口約束條件下（第206 頁圖4）和DEM 約束條件下（第207 頁圖5）的剔除網(wǎng)格范圍。最后進行網(wǎng)格的反向選擇，得出可行的監(jiān)測布點網(wǎng)格（第207 頁圖6）。

圖2 重點污染源約束下的剔除網(wǎng)格范圍圖

圖3 風速約束條件下的剔除網(wǎng)格范圍圖

圖4 行政區(qū)和人口約束下的剔除網(wǎng)格范圍圖

圖5 海拔高度約束下的剔除網(wǎng)格范圍圖

圖6 太原市監(jiān)測布點可行網(wǎng)格范圍圖

2.3 最優(yōu)網(wǎng)格點的確定

在可行網(wǎng)格范圍內(nèi)利用目標函數(shù)進行點位優(yōu)化。先根據(jù)公式，得出綜合評價濃度指數(shù)計算結(jié)果，再根據(jù)綜合濃度評價指數(shù)，利用建立的最大貼近目標函數(shù)，計算出最優(yōu)增加布點方案如第207 頁圖7 所示。

圖7 綜合濃度評價指數(shù)及最優(yōu)布點網(wǎng)格分布圖

由于1 號點與已有國控塢城站點距離很近，為此選擇2 號點和3 號點作為新增站點（經(jīng)緯度為112.597°E，37.887°N 和112.486°E，37.901°N）。此外，已有國控點有部分不在篩選后的可行網(wǎng)格范圍內(nèi)（圖8）。經(jīng)分析，澗河站點在重點污染源附近，建議將來進行搬遷；晉源站點海拔較低，處于海拔高度剔除區(qū)域。此外，小店和南寨位于重點污染源剔除區(qū)域的邊緣，重點污染源對其影響尚小，建議保留。

圖8 環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測國控點與可行網(wǎng)格分布圖

3 結(jié)論與展望

以太原市2018 年的大氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的各監(jiān)測站的污染物監(jiān)測濃度數(shù)據(jù)和污染源清單排放數(shù)據(jù)為研究的基礎(chǔ)資料，用統(tǒng)計學方法和模型模擬的方法研究了太原市的大氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。分析了太原市大氣污染物的時空分布特征，實現(xiàn)了太原市各監(jiān)測項和環(huán)境空氣質(zhì)量綜合評價指數(shù)空間插值。并在此基礎(chǔ)上采用多目標優(yōu)化方法對太原市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位進行優(yōu)化研究。此方法是在建立了最大貼近目標函數(shù)，主要利用Arcgis 空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊計算而得，主要結(jié)論如下：

1）太原市西顆粒污染物超標嚴重，二氧化氮和臭氧也有所超標，二氧化硫和一氧化碳特定百分位數(shù)濃度達日均二級標準[15-16]。從空間分布來看，太原市整體大氣環(huán)境西北部好于南部區(qū)域。

2）通過污染源排放清單得出：太原市重點大氣污染源有西山熱電、東山石灰石礦、太原二電、雙良鼎新水泥、獅頭中聯(lián)水泥、國電集團太原一電、鑫瑋昌礦產(chǎn)品加工廠、西銘礦、西峪煤礦、官地礦選煤廠、祁家山石灰石礦等。

3）監(jiān)測布點約束法的求解結(jié)果總體上分布于太原市的海拔較高區(qū)域和重點污染源的周邊區(qū)域。

4）利用最大貼近目標函數(shù)、多項約束條件函數(shù)和Arcgis 空間統(tǒng)計分析，得出了3 個新增點位，但是由于1 號點位于已有國控點位附近，為此建議選擇2 號點和3 號點作為新增站點。其中2 號點經(jīng)緯度為112.597°E，37.887°N，位于紡織廳宿舍附近；3 號點經(jīng)緯度為112.486°E，37.901°N，位于西興苑小區(qū)以西。

5）現(xiàn)有國控點位澗河點位位于重點污染源附近，不能較好代表太原市該區(qū)域的整體情況。因此，現(xiàn)有國控點位將來還需要優(yōu)化調(diào)整。

6）本文采用了太原市18 年的站點數(shù)據(jù)為研究對象，監(jiān)測結(jié)果和空間插值方法的選擇可能會對結(jié)果的可靠性和真實性產(chǎn)生影響，需要進一步研究多年監(jiān)測的平均狀況，使研究結(jié)果更可靠合理。

7）大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點位優(yōu)化研究國內(nèi)尚少，只能參照相關(guān)的對其他城市的監(jiān)測布點優(yōu)化研究的文獻，且模型函數(shù)的建立是基于太原市實際情況建立的，參數(shù)的選擇等會對本報告研究結(jié)果產(chǎn)生影響，接下來需要進一步分析模型的效果。