大气环境监测布点方法及优化研究

蒲慧晓

（连州市环境监测站，广东 清远 513400）

为了保障城市居民的知情权，近年来我国主要城市采取了实时公布环境空气质量指数（AQI）的做法，旨在让城市居民、市场经济主体、相关社会部门等提前做好应对机制[1]。基于此，大气环境监测布点的选址显得至关重要，科学合理的大气环境监测布点能够更好地发挥应急预警功能、实时监测功能、数据采集功能等。

1 大气环境监测布点概述

1.1 大气环境监测布点的主要类型

我国大气环境监测布点有明确的国家标准，《环境空气质量监测点位布设技术规范》（HJ 664-2013）[2]（下文简称：《规范》）中将监测点位划分成五种类型。

1.1.1 环境空气质量评测城市点

环境空气质量评测城市点是以独立城市空间为大气环境监测的基本单位，简称“城市点”。城市点是没有统一规格的，可以按照一个城市的人口数量、建成区的面积等进行灵活设定，同时，在大气环境质量监测的范围上也比较灵活，一般来说，设置在最小为半径500 m的范围，最大为半径4 000m的范围。如果城市点的位置较为特殊，如西藏、新疆等地区，考虑到空气中污染物成分单一、浓度较低，可以将监测范围扩大到4 000 m以外。

1.1.2 环境空气质量评价区域点

环境空气质量评价区域点是以特定区域作为大气环境监测的基本单位，简称“区域点”。区域点设定往往具有一定的针对性，如基于一个化工园区设置监测点，或者根据一家企业污染的影响范围设置监测点[3]，区域点的半径可以从几千米到几十千米不等，这主要取决于一定区域内的空气质量和污染物的影响范围。

1.1.3 环境空气质量背景点

《规范》指出，“以监测全国范围或较大范围空间的大气质量的本底水平为目的而设置的监测点”，简称为“背景点”。背景点的主要价值在于其可以提供对照，以获得一定空间内大气环境质量的相对值，因此，背景点的范围是比较大的，基本保持在100 km以上。

1.1.4 污染监控点

污染监控点是以特定位置为基础的大气环境监测基本单位[4]，通常而言，污染监控点对于影响大气环境的要素比较明确，如二氧化硫、氢氟酸等有害物质的排放，可以专门针对这样的污染物展开监测。基于此，其“特定位置”主要包括各类工业企业、污染处理节点、工业园区等，并且以污染监测点为中心的半径较小，一般保持在100～500 m左右，但也可以适当放宽到500～4 000 m的范围，这主要取决于污染源的排放高度，高度越低，监测范围的半径越小，反之，如果高度越高则监测范围越大。

1.1.5 路边闪通点

路边闪通点大气环境监测布点主要是沿着闪通路线展开，监测内容是机动车作为污染源对于空气质量的影响，当然从实际操作上看，并不能只考虑哪一段闪通空间的空气污染严重，就在哪里设置监控布点，而是要结合周边人口的聚集情况、生产生活情况等进行布设。因此，此类大气环境监控布点不做范围要求。

1.2 大气环境监测布点的基本要求

鉴于大气环境监测布点类型的差异，在具体布设过程中，对单个监测点提出的要求也存在区别。

1.2.1 城市点的基本要求

《规范》指出，城市点必须位于已建成的城区内，在实现全面覆盖的同时，确保空间上分布均匀；采取对城市加密网格点进行实测的方式，要保障全部城市点所测得的污染物浓度平均值，与加密网格点实测污染物浓度总体平均值的误差小于10%[5]。城市点是最主要的大气环境监测布点。

1.2.2 区域点与背景点的基本要求

这两种监测点主要用来反映宏观大气环境质量，因此在布点过程中要远离污染源与主城区，按照《规范》要求，区域点应该与污染源保持在20 km以上的距离，背景点可以放大到50 km以上。同时，这两类监测布点所设定的具体位置周边不能受到外界或人为因素的过度干扰。

1.2.3 污染监控点的基本要求

污染监控点需按照污染物的成分、浓度、对环境及人体的危害、排放强度等设置，特别要关注的是主导风向，旨在最大程度地捕捉污染源特征。同时，根据污染形成的季节性或周期性特点，可灵活地增加或减少污染监控点。

1.2.4 路边闪通点的基本要求

路边闪通点按照一段闪通空间内车流量大小、周边人口密集程度、建筑物分布情况等综合信息进行设置，具体位置一般在闪通空间的下风侧。

1.3 大气环境监测布点的选址原则

1.3.1 坚持整体性原则

为了保障监测的实时性与精准度，在进行大气环境监测布点的过程中必须要坚持整体性原则，尤其是在“城市点”的选址上，工作人员需要从全局角度考虑环境特征、空间布局、影响要素等。

1.3.2 坚持代表性原则

污染物排放的时间、影响的空间大小、浓度、毒害性等，监测布点的代表性表现得越突出，对于大气环境监测及治理的效用就越高。

1.3.3 坚持前瞻性原则

为了保障监测结果的连续性，一般情况下是不会更改位置的。这就需要坚持前瞻性原则，所设置的大气环境监测布点应满足未来需求。

2 大气环境监测布点方法研究

大气环境监测布点的功能中，既要满足实时监测的需要，同时又要能够准确、系统、全面地反映大气污染的规律，所提供的数据具有预测价值，可用于指导大气环境治理的趋势[6]。以下结合“城市点”展开研究，分析大气环境监测布点的可行方法。

2.1 网格布点法

从环境工程学角度出发，网格布点法是大气环境监测中的一种常用方法，且非常适合“城市点”的筛选。以城市空间为基础，在大致选定的大气环境检测区上划分出网格，网格要求均匀分布、距离相等，且将网格中心的位置作为监测布点。如果在网格上选定的“中心位置”在现实中无法实现，如位于闪通主干道上、建筑位置上等，可以选择网格的直角线位置，旨在保障布点的代表性。

2.2 聚类分析法

聚类分析法的实用性高、适用范围广，在大气环境监测布点方面发挥了重要作用。所谓“聚类”，简单地可以理解为按照相似度将一组对象划分成若干类，在聚类完成后，改组对象呈现出的变化有两个，其一是同一类对象中，数据的相似度比较高。其二，不同类的数据对象则表现出大相径庭[7]。不难看出，聚类分析法的关键在于找到一组最合理的观测值，或者称之为不同指标之间相似程度的“统计量”。将聚类分析法导入到大气环境监测中，得到的数据主要有“网格点实测数据”“监测数据”及“模拟数据”，以模拟数据作为观测值，寻求网格点实测数据与监测数据的最小距离点。

2.3 多目标规划法

多目标规划法是目前大气环境监测布点方法中较为优秀的一种，该方法最契合大气环境监测布点选址的现实逻辑。其基本原理是，在特定的约束条件下（如城市空间范围、人口分布等）保障多个目标均处在最优化状态，例如保障实际监测点数量最少的前提下，获得最精准、最全面的大气污染监测信息。相对应的，这意味着利用多目标规划法需要考虑多重影响因素，例如在典型的工业城市空间中，需要考虑人口稠密区域的位置、污染物浓度峰值出现的时空规律、污染物超标的集中区域、城市闪通等。但事实上，这并不会增加大气环境监测布点的工作量，利用运筹学、数学知识可以迅速解决目标最优化的问题，即在决策大气环境监测布点的具体地址时，决策者只需要考虑目标的互补性及对立性即可，通过列出数学模型即可解决复杂的分析问题。假定在大气环境监测布点选址过程中，需要面临m个目标函数，则用gi（x）hj（x）作为i和j个约束函数。此外，“经验法”“统计法”“模型法”等也被广泛运用在大气环境监测布点中。

3 大气环境监测布点的优化策略

3.1 大气环境监测布点选址的优化策略

立足具体的城市空间中，在哪里选择监测点是首先要解决的问题。根据多目标规划法分析，可以分成三个步骤：首先，要针对城市展开实地调查，掌握城市空间布局、地形材料、气象数据、污染源分布等基础信息。其次，确定具有代表性的污染源，再结合“基础信息”划分出子目标体系（包括经济子目标、环境子目标、社会子目标等），明确子目标权重。

3.2 多目标规划下的监测布点优化

在优化大气环境监测布点选址之后，要进一步对监测点本身展开优化，即构建目标函数与约束条件，以确保所监测的大气环境数据具有代表性。在多目标规划下子目标设置为“经济子目标”“环境子目标”和“社会子目标”三类，那么监测布点优化的“总目标函数”，就是三个子目标同时满足约束条件，所得到的的总目标函数值最大，公式为Z代表的就是“总目标函数值”，Zij中的i表示网格，j代表该位置（监测点）的第j个子目标无量纲化后的标准值。

3.3 子目标优化策略

利用多目标规划法进行大气环境检测分布点优化，最终的落脚点是“子目标优化”，在城市点中设定的子目标分别为环境子目标、经济子目标和社会子目标。

3.3.1 环境子目标优化

环境子目标的主要指标有三个，即为优化对象。其中，大气环境综合损失率所反映的结果，其本质是“污染物对环境质量的损害程度”，可以用来判断一定区域内的环境质量。很显然，大气环境污染中的要素不止一种，对于大气环境治理工作而言，需要抓住“主要矛盾”，即明确哪一种污染物对大气环境的危害程度最大，然后有限治理，以达到优化子目标的目的。假设众多污染物中第i种影响最大，其计算方式为该公式中Ci表示一组污染物中第i种的浓度，ai和bi则是待定参数，取决于该污染物的化学及物理特性；受污染影响程度、公众投诉量等可灵活设定的指标体系，越是靠近污染源的位置，对大气环境的影响就越大、分数也就越高。相对应的，公众对某一现象（如空气刺激性、某个方向的污染源等）投诉越多、分值就越高。

3.3.2 经济子目标优化

优化经济子目标的主要手段是以一个城市的人均年收入为参照，判断城市人口对于大气环境监测投入的态度。许多研究都表明，当人均收入较高的情况下，人们的环保意识相对更强，考虑自身健康的需求，更愿意支付一定的成本用来改善生态环境。经济子目标的具体优化方式，需要结合城市网格分区的人口平均年收入，通过划分不同城市空间的收入水平，决定在不同空间内设置监测点的数量与位置。

3.3.3 社会子目标优化

优化社会子目标主要依据总人口数和用地类型两个指标。显而易见，“社会效益”关注的是大多数人的公共利益（即“环境权益”），因此监测点选取优化的基本诉求，就是能够最大程度地提高服务人口的数量，尤其是在一个城市空间中人口聚集的位置，如社区、学校等。在其他条件相同的情况下，有限选择人口稠密地区设置监测点。同时，用地类型也是值得关注的，在全面工业化进程中，几乎每个城市都有工业区、资源区等存在，“工业用地”区域产生大气环境污染的概率更高，因此在相同条件下，有限地在城市空间中分布工业要素的位置设置监测点。

4 结语

综上所述，加强大气环境治理是推进生态文明建设的重要途径之一。从现实维度出发，城市作为人口稠密空间对于大气环境的敏感度很高，大气污染显然已经成为制约城市生态、文化、经济等各项事业发展的主要因素之一。加强大气环境治理、促进空气质量改善是“十四五规划”和2035年远景目标纲要环境保护方面的明确要求，也是我国推行生态文明战略及践行“两山论”的应有之义，而大气环境监测布点作为提供决策依据的重要手段，应该直接纳入到生态环境保护的必要环节中。