白城市颗粒物自动监测手工比对分析

安平平,王春旭

(吉林省生态环境监测中心,吉林 长春 130000)

随着生态环境监测网络的全面部署和开展,环境空气自动监测站点的数量不断优化和增加,覆盖区域更广,监测网络逐步细化,形成的数据平台在空气质量现状评价、预报预警和汇总统计分析工作中起着重要作用,保证连续自动监测系统数据的准确性更是重中之重。在2012 年发布并在2016 年1 月1 日全面实施的《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)中,首次将PM2.5纳入了空气质量控制目标。PM10和PM2.5作为基本项目,明确规定了两类功能区24 小时平均值以及年平均值的限值要求。由于颗粒物来源及组成复杂,现用的连续自动监测系统原理各不相同,且其质量控制不同于二氧化硫等气态污染物,可以通过标准气体进行相关溯源校准,准确监测难度相对较大。国内外现均采用手工监测方法与自动监测结果进行比对的方式,来判断自动监测结果的准确性。

现有很多地区都开展了颗粒物自动监测手工比对的监测和研究,但由于各地气候、气象、地理位置、经济状况和能源结构等各不相同,比对结果也存在明显的差异,为使研究结果贴近本地实际情况,比对监测的本地化十分必要。

本文通过2020 年8 月及10 月,在吉林省白城市开展颗粒物自动监测手工比对实验,对比对结果进行相关性分析和相对偏差分析。

1 比对监测实验

1.1 监测仪器与分析设备

本次比对使用的手工监测仪器为康姆德润达自动换膜采样器,型号为PNS16T,流量设定为16.7L/min,每批次采样前均进行气密性检测,并对流量、温度、压力进行核查,采样时段为每日0 时-23 时。使用47mm 聚四氟乙烯滤膜进行采样,称重设备使用康姆德润达AWS-1R 型自动称重系统,内配有百万分之一天平,舱室温度20±1℃,湿度50±1%RH,带有除静电装置,滤膜平衡时间为24 小时,两次称重取平均值作为称重结果。

自动监测设备为赛默飞世尔科技有限公司生产的5031i 颗粒物分析仪,原理为β 射线+动态加热法,流量为16.7L/min,运维公司每周对采样流量进行校准。

1.2 监测点位

监测点位选取位于白城市市民广场内空气自动监测站内。该站房为2019 年新建,采样口高度约为3.5m,手工采样器置于站房顶部,切割器与自动采样设备采样口处于水平位置,距离约1.5m。站点周围无高楼和明显污染源。

1.3 监测时间

在 2020 年有 8 月 7 日-20 日以及 10 月 10 日-23 日进行手工比对现场采样,获得数据对28 组。剔除因设备故障导致的无效数据对,共获得PM10有效数据对27 组,PM2.5有效数据对28 组。

图1 PM10、PM2.5 比对结果相关性分析

2 实验结果

2.1 相关性分析

为比对自动监测与手工监测结果的一致性,以手工监测结果为横坐标,自动监测结果为纵坐标,进行线性回归分析,并考察回归分析指标的符合性。PM10、PM2.5线性回归分析见图1。

HJ 655 为颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统安装和验收规范,该标准参比方法比对结果的相关性做出了具体规定,以此标准指标要求对本次实验相关性做出符合性评价,相关性指标及符合性结果见表1。

由表1 可知,除PM10斜率未满足要求外,其它指标均符合标准要求。

对PM10比对结果的相对偏差高值进行环境条件和气象情况调查发现,10 月21 日受蒙古沙尘影响,被判定为沙尘天气,剔除沙尘天气数据后,PM10回归分析结果比对见表2。

表2 PM10 回归分析结果比对

由表2 可以看出,剔除沙尘影响数据后,回归指标均发生变化,相关系数升高,斜率上升并达到规范要求,截距变小并接近0。

在回归方程中,斜率代表自动监测仪器的系统误差情况,剔除沙尘影响数据后,斜率接近1,表示自动监测仪器的系统误差很小；截距代表初始误差情况,其接近原点,表示初始误差极低。可见,在进行自动监测手工比对过程中,当受沙尘影响时,会使监测结果偏差变大。

2.2 相对偏差分析

以自动监测数据与手工监测数据得到的日均值的相对偏差、相对偏差的绝对值来表示比对结果,公式如下：

其中,RD：相对偏差(%)；ρC：自动监测结果,ug/m3；ρM：手工监测结果,ug/m3。

图2 不同PM10 浓度下自动和手工监测值相对偏差

图3 不同PM2.5 浓度下自动和手工监测值相对偏差

PM10比对得出的26 组数据对中,RD 范围-24.9%～30.8%,|RD|的平均值为13.1%。以手工监测结果与|RD|做图,见图2。

此次实验获得的PM10监测数值浓度偏低,因此将PM10监测结果划分为A 段(≤20ug/m3)、B 段(20-75ug/m3)和C段(＞75ug/m3)各区间的样本量分别为10、15 和1。各区间的浓度平均值分别为 12ug/m3、28ug/m3和 104ug/m3,|RD|平均值分别为16.4%、10.6%和5.8%,|RD|平均值排序为A 段＞B段＞C 段。可以看出,在A 段极低浓度区域内,相对偏差很分散且多为正偏差,表明自动监测数据大于手工监测,随着PM10浓度升高,|RD|有所降低。由于本次实验获得的C 段数据样本仅有1 个,因此对浓度段的|RD|平均值有待进一步研究。

PM2.5比对得出的28 组数据对中,RD 范围-12.5%～80.0%,|RD|的平均值为29.0%。以手工监测结果与|RD|做图,见图3。

本次实验获得的28 对数据中,PM2.5数据均低于35ug/m3,为观察监测结果与|RD|的关系,将PM2.5监测结果划分为A 段(≤10ug/m3)和B 段(10-35ug/m3)。各区间的样本量分别为21 和7。各区间的浓度平均值分别为5ug/m3和17ug/m3,|RD|平均值分别为31.9%和9.9%。可以看出,在A段浓度区域内,RD 分散且多为正值,表明在极低浓度时,自动监测数据多高于手工监测,随着PM2.5浓度升高,|RD|随之降低且趋于集中。由于本次实验获得的PM2.5浓度整体偏低,仅对低浓度区域的相对偏差变化情况进行分析,其它浓度区域仍有待进一步研究。

2.3 原因分析

在对PM10和PM2.5的相对偏差分析中,都出现了随颗粒物浓度升高,|RD|降低的现象,可能是由于颗粒物浓度处于较低水平,且浓度值均取整数进行计算,因为造成浓度越低,|RD|越高。在PM2.5的比对中,还出现了RD 为80%的极高值,它对应的数据对为(9,5)。

3 结束语

在对白城市颗粒物比对监测实验中,对PM10和PM2.5比对结果进行相关性分析,除PM10斜率外,其它指标均符合技术规范(HJ 533-2013)的要求。剔除沙尘影响数据后,PM10回归指标均出现向好变化且全部符合规范要求。当PM10和PM2.5监测结果处于较低浓度时,随颗粒物浓度逐渐升高,|RD|随之降低。