大氣環(huán)境中PM2.5在線監(jiān)測及評價(jià)理論研究*

王玉田 張亞吉 苑媛媛 趙 煦 牛凱增

(燕山大學(xué)河北省儀器科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

大氣環(huán)境中PM2.5在線監(jiān)測及評價(jià)理論研究*

王玉田 張亞吉#苑媛媛 趙 煦 牛凱增

(燕山大學(xué)河北省儀器科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

基于光散射法研制了一種PM2.5在線監(jiān)測系統(tǒng)，運(yùn)用該系統(tǒng)對PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。鑒于PM2.5在空氣質(zhì)量評價(jià)中僅作為一個(gè)參考指標(biāo)，專門針對PM2.5的評價(jià)機(jī)制研究較少，將層次分析法與模糊評價(jià)法相結(jié)合，對一段時(shí)間內(nèi)PM2.5的濃度進(jìn)行評價(jià)，得到時(shí)段內(nèi)空氣PM2.5的質(zhì)量狀況。模糊評價(jià)法可很好地反映評價(jià)等級劃分的模糊性和連續(xù)性，層次分析法能夠?qū)?fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行定量處理，評價(jià)結(jié)果符合實(shí)際情況。

PM2.5測量 空氣質(zhì)量評價(jià) 光散射 層次分析 模糊評價(jià)

PM2.5是指空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于或等于2.5 μm的顆粒，為可吸入顆粒物。PM2.5的化學(xué)成分主要包括有機(jī)質(zhì)、可溶性物質(zhì)和微量元素等。由于PM2.5粒徑較小，被吸入人體后可直接進(jìn)入肺泡沉積，導(dǎo)致心與肺的相關(guān)疾病，PM2.5還會破壞染色體和DNA結(jié)構(gòu)導(dǎo)致基因突變。PM2.5的來源主要包括自然源和人為排放，其中人為排放是PM2.5的主要來源[1-4]。

PM2.5作為重要的空氣質(zhì)量參考指標(biāo)，在地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量信息中經(jīng)常實(shí)時(shí)發(fā)布?？諝赓|(zhì)量指數(shù)法是評價(jià)區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量的常用方法，該方法計(jì)算簡單，發(fā)布效率高，可以實(shí)現(xiàn)對空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。值得注意的是，在進(jìn)行空氣質(zhì)量指數(shù)評價(jià)時(shí)參考的是PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2和O3的平均質(zhì)量濃度，而PM2.5在多個(gè)地區(qū)已經(jīng)成為大氣環(huán)境污染的首要污染物，僅將其作為一個(gè)參考指標(biāo)評價(jià)空氣質(zhì)量已不滿足人們對PM2.5污染的了解需求。

我國對于PM2.5的監(jiān)測研究正處于起步階段，沒有足量的實(shí)測數(shù)據(jù)和完整的科學(xué)理論。本研究構(gòu)建一套PM2.5在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對PM2.5的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將模糊評價(jià)法和層次分析法相結(jié)合對PM2.5濃度進(jìn)行評價(jià)，得到PM2.5的污染狀況，為PM2.5污染水平的研究提供更多依據(jù)。

1 基于光散射法的在線監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 光散射法

測量空氣中污染物濃度的方法可分為采樣法和非采樣法，采樣法包括微量振蕩天平法、濾膜稱重法、β射線吸收法，非采樣方法包括黑度法、光散射法。光散射法在煙霧粉塵測量中具有測量時(shí)間短、測量精度高等特點(diǎn)[5]。光照射到空氣中的懸浮顆粒上發(fā)生散射，其當(dāng)顆粒物的性質(zhì)保持不變時(shí)，自身的質(zhì)量濃度和散射光強(qiáng)度成正比關(guān)系，利用轉(zhuǎn)換系數(shù)即可得到顆粒物的質(zhì)量濃度。光散射法結(jié)合了顆粒物相關(guān)參數(shù)和Mie散射理論，反推出顆粒物的質(zhì)量濃度，單個(gè)顆粒物的散射光強(qiáng)表達(dá)如式(1)所示。

(1)

式中：IS(θ)為單個(gè)顆粒物在θ方向的散射光強(qiáng)，cd；θ為散射角；d為顆粒物直徑，μm；λ為入射光波長，μm；m為折射率；I為入射光強(qiáng)，cd。

當(dāng)有N個(gè)顆粒物時(shí)，散射光強(qiáng)表達(dá)如式(3)所示。

(2)

(3)

式中：W為顆粒物質(zhì)量濃度，μg/m3；ρ為顆粒物密度，mg/m3。

在固定測試裝備中，入射光強(qiáng)I、入射光波長λ、顆粒物直徑d、密度ρ、折射率m、散射角θ均視為定值，則可得散射光強(qiáng)與顆粒物質(zhì)量濃度的關(guān)系。該方法可實(shí)現(xiàn)PM2.5的實(shí)時(shí)在線非接觸監(jiān)測，直接得到測量數(shù)據(jù)。

1.2 測量原理

目前國內(nèi)外還未研制出專門測量PM2.5質(zhì)量濃度的傳感器，只能將測量小顆粒物的粉塵傳感器近似看作測量PM2.5的敏感元件。敏感元件要具備靈敏度高、穩(wěn)定性可靠等特點(diǎn)，最終選擇GP2Y1010AU0F粉塵傳感器為敏感原件，其可測量0.8 μm以上的微小粒子，具有極低的電流消耗(最大20 mA，典型11 mA)，敏感元件的工作原理如圖1所示。發(fā)光二極管(LED)發(fā)出的光照射到細(xì)顆粒物后發(fā)生散射，光學(xué)接收器(PD)接收散射光，把光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖，在顆粒物性質(zhì)保持一定的前提下，經(jīng)過電路的放大、識別，利用顆粒物光強(qiáng)與質(zhì)量濃度的轉(zhuǎn)換關(guān)系就可得到顆粒物濃度。

圖1 敏感元件工作原理Fig.1 Operating principle of sensor

根據(jù)圖1有：

V1=I1R1

(4)

式中：V1為輸出電壓，V；I1為流經(jīng)PD的電流，A；R1為電阻，Ω。

脈沖驅(qū)動控制LED發(fā)出光強(qiáng)，PD將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，流過PD的電流與散射光強(qiáng)呈線性關(guān)系，如式(5)所示。

I1=kI(θ)

(5)

式中：k為直線斜率。

敏感元件中LED的驅(qū)動周期為10 ms，脈沖寬度為0.32 ms，取樣時(shí)間為0.28 ms。結(jié)合式(3)、式(4)、式(5)即可得到輸出電壓V1與顆粒物質(zhì)量濃度W的關(guān)系。將該設(shè)備放在不同粉塵情況的場所中，記錄V1與W的數(shù)據(jù)，繪制兩者關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 顆粒物質(zhì)量濃度與輸出電壓的關(guān)系Fig.2 Relationship between particulates concentration and the output voltage

由圖2可見，當(dāng)顆粒物質(zhì)量濃度在500 μg/m3以內(nèi)時(shí)，V1與W基本呈線性相關(guān)，關(guān)系式見式(6)，因此可根據(jù)LED輸出電壓反推出顆粒物質(zhì)量濃度。

W=(0.17×V1-0.1)×1 000

(6)

PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)的核心為敏感元件，在當(dāng)前PM2.5監(jiān)測領(lǐng)域，部分PM2.5監(jiān)測儀采用激光粉塵傳感器，激光粉塵傳感器和紅外粉塵傳感器的測量精度相差不大，激光粉塵傳感器的光源為激光LED，因此結(jié)構(gòu)和電路復(fù)雜，價(jià)格較高；紅外原理的粉塵傳感器技術(shù)較成熟，光源為紅外LED光源，結(jié)構(gòu)和電路相對簡單，價(jià)格合理，更具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 模糊層次分析法

2.1 層次分析法

模糊層次分析法是將層次分析法和模糊評價(jià)法相結(jié)合，采用層次分析法來確定評價(jià)指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值,使用模糊評價(jià)法對涉及的模糊指標(biāo)進(jìn)行評定[6-7]。層次分析法確定權(quán)重系數(shù)有以下4個(gè)步驟：

(1) 建立遞階層次模型

一個(gè)有層次的結(jié)構(gòu)模型需要3個(gè)層次：最高層、中間層(準(zhǔn)則層)、最底層(方案層)。建立各層次的因素集U，令U=(U1，U2，…，Un)。

(2) 構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣中元素的取值一般選用1～9標(biāo)度法，標(biāo)度取值及定義如表1所示。根據(jù)表1中判斷矩陣標(biāo)度定義，對評估因素集中的因素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造n階判斷矩陣P[8-9]。

表1 判斷矩陣標(biāo)度取值及定義1)

注：1)與其他因素相比，其他因素更重要時(shí)，標(biāo)度取值根據(jù)重要程度取相應(yīng)倒數(shù)。

(3) 確定權(quán)重

采用層次分析法確定權(quán)重系數(shù)，本質(zhì)上是計(jì)算判斷矩陣的特征向量和最大特征值。首先，計(jì)算判斷矩陣P中第i行各元素的乘積Mi；其次，計(jì)算Mi的n次方根得Wi，則向量W=[W1,W2,…,Wn]T歸一化處理即為所求特征向量，即判斷矩陣中各元素的權(quán)重；最后，計(jì)算判斷矩陣P的最大特征值[10]，各參數(shù)計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

(9)

式中：(PW)i為向量PW中的第i個(gè)元素。

(4) 一致性檢驗(yàn)

為提高權(quán)重評價(jià)的可靠性，必須對判斷矩陣作一致性檢驗(yàn)，故引入一致性指標(biāo)CI。

CI=(λmax-n)/n-1

(10)

多階判斷矩陣還需引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，RI值的確定如表2所示。

一致性比率CR計(jì)算如下：

CR=CI/RI

(11)

當(dāng)CR<0.10時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調(diào)整[11]。

2.2 模糊評價(jià)法

由于本研究是對一個(gè)采樣點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)的PM2.5進(jìn)行評價(jià)，故采用一級模糊評價(jià)分析方法。一級模糊評價(jià)步驟如下：

(1) 建立因子集

因子集是綜合評價(jià)中各評價(jià)因素所組成的集合，一級模糊評價(jià)中并不涉及其他指標(biāo)層，在對一個(gè)時(shí)間段內(nèi)多個(gè)時(shí)刻的PM2.5濃度進(jìn)行評價(jià)時(shí)，因子集就是參與評價(jià)的各個(gè)時(shí)刻PM2.5濃度。一般設(shè)因子集為Z，Z=(z1,z2,…,zn)。計(jì)算中還需確定因子集中各因子的權(quán)重，設(shè)各因子權(quán)重向量為A，A=(a1,a2,…,an)，其中：

(12)

(2) 建立評價(jià)集

評價(jià)等級是用來評價(jià)各個(gè)因素的模糊概念，評價(jià)等級個(gè)數(shù)通常不超過9而大于4，且取奇數(shù)的情況較多。設(shè)有x個(gè)評價(jià)等級，評價(jià)集一般表示為V=(v1,v2,…,vx)。

(3) 確定單因素評價(jià)矩陣

對因子集中的某個(gè)單因素作單因素評價(jià)，一般采用專家調(diào)查法對各指標(biāo)進(jìn)行評分，根據(jù)評分結(jié)果構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R(見式(13))，rij計(jì)算方法見式(14)：

(13)

rij=yij/y

(14)

式中：y為專家的總?cè)藬?shù)；yij為y個(gè)專家中選擇zi隸屬于vj的人數(shù)。

(4) 確定模糊子集B

當(dāng)因子權(quán)重向量A和單因素評價(jià)矩陣R已知時(shí)，對R作模糊線性變換，可把A變成評價(jià)集V上的模糊子集B。

B=A*R=(b1,b2,…,bx)

(15)

式中：*為廣義模糊合成運(yùn)算符號。

表2 判斷矩陣的RI值

2.3 最大隸屬度原則

(16)

(17)

表3 最大隸屬度原則的有效性判斷

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取

利用前文構(gòu)建的PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)測定PM2.5實(shí)時(shí)濃度，選定某市上午10:00—11：00時(shí)段，每隔10 min記錄1次，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)讀取5個(gè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測結(jié)果如表4所示。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的評價(jià)

由層次分析法的相關(guān)概念，以表4中不同時(shí)刻的平均值建立因素集，根據(jù)表1中判斷矩陣的標(biāo)度及其定義，對各時(shí)刻濃度相對重要性進(jìn)行主觀比較，得到判斷矩陣P(見式(18))，由式(7)、式(8)計(jì)算得到權(quán)重計(jì)算的相關(guān)參數(shù)，結(jié)果如表5所示。

(18)

根據(jù)表2確定的RI值，由式(9)、式(10)、式(11)可得一致性檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，如表6所示。由表6可見，判斷矩陣一致性比率CR<0.10，具有滿意的一致性，無需調(diào)整。

利用模糊評價(jià)法確定多個(gè)時(shí)間點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的濃度指標(biāo)。首先，確定準(zhǔn)則層因素集Z，Z中的因子為監(jiān)測期間各時(shí)間點(diǎn)PM2.5質(zhì)量濃度平均值，則Z=(57.80,57.78,57.78,57.76,57.76,57.74,57.70)；由式(12)計(jì)算得到Z中各因子的權(quán)重A=(0.069,0.129,0.069,0.346,0.129,0.129,0.129)。其次，確定評價(jià)集。本研究設(shè)置評價(jià)等級數(shù)為5，即評價(jià)集V=(v1,v2,v3,v4,v5)，對應(yīng)的評價(jià)等級評分標(biāo)準(zhǔn)分別為優(yōu)(v1)，良(v2)，輕度污染(v3)，重度污染(v4)，嚴(yán)重污染(v5)。

表4 監(jiān)測數(shù)據(jù)

表5 多時(shí)間點(diǎn)權(quán)重計(jì)算相關(guān)參數(shù)

表6 一致性檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用專家調(diào)查法，根據(jù)已設(shè)定的評價(jià)集，請20名專家對各個(gè)時(shí)刻的空氣質(zhì)量進(jìn)行評分，則y值為20，記錄各時(shí)刻選擇zi隸屬于vj的專家人數(shù)，由式(14)可得到指標(biāo)層的單因素評價(jià)矩陣R。

(19)

在模糊評價(jià)綜合算法中選用(·，+)模型，則B=A*R=(0.41，0.59，0，0，0)，B中最大元素為b2，值為0.59。根據(jù)最大隸屬度原則，評價(jià)結(jié)果屬于v2等級，即為良。

3.3 評價(jià)結(jié)果檢驗(yàn)與分析

對最大隸屬度原則進(jìn)行有效性判斷，計(jì)算最大隸屬度原則的改進(jìn)判斷方法，根據(jù)式(16)、(17)計(jì)算判斷結(jié)果有效性，如表7所示。

表7 有效性計(jì)算結(jié)果

由于α=0.595，根據(jù)表3可知計(jì)算結(jié)果比較有效，不需要再進(jìn)行調(diào)整。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該市當(dāng)天10：00—11：00的時(shí)間段內(nèi)，PM2.5污染狀況為良。該方法考慮了污染等級劃分的模糊性，可應(yīng)用于任意時(shí)間段內(nèi)空氣PM2.5的質(zhì)量評價(jià)，評價(jià)結(jié)果符合實(shí)際情況，實(shí)用性強(qiáng)。

4 結(jié) 語

(1) 研究了大氣環(huán)境中PM2.5在線監(jiān)測系統(tǒng)與評價(jià)理論，能夠?qū)崿F(xiàn)對PM2.5質(zhì)量濃度的實(shí)時(shí)測量和對測量結(jié)果的綜合評價(jià)，確定其空氣狀況。

(2) 在PM2.5的評價(jià)中，層次分析法能將復(fù)雜的系統(tǒng)分解，將思維過程數(shù)學(xué)化、系統(tǒng)化，模糊評價(jià)法充分考慮到污染程度等級劃分的模糊性，將層次分析法與模糊評價(jià)法相結(jié)合，采用模糊層次分析法對PM2.5濃度進(jìn)行評價(jià)，更符合實(shí)際。

(3) 以某市10：00—11:00時(shí)段PM2.5實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，運(yùn)用所提出的評價(jià)方法對空氣PM2.5的質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)，對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，最后得到該環(huán)境中PM2.5的評價(jià)結(jié)果為良。

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StudyonatmospherePM2.5onlinemonitoringandevaluationtheory

WANGYutian,ZHANGYaji,YUANYuanyuan,ZHAOXu,NIUKaizeng.

(MeasurementTechnologyandInstrumentKeyLabofHebeiProvince,YanshanUniversity,QinhuangdaoHebei066004)

Based on light scattering method,a PM2.5online monitoring system was established. The system was applied to monitor PM2.5concentration in real-time. Considering PM2.5was only a reference indicator in the air quality index method,and few studies devoted to PM2.5evaluation mechanisms,this paper proposed fuzzy analytic hierarchy process,which combined fuzzy evaluation method with analytic hierarchy process,to evaluate PM2.5concentrations in a period of time. Fuzzy evaluation method could reflect the fuzziness and continuity between the evaluation level,and analytic hierarchy process could deal with complex systems quantitatively. The case analysis showed that the evaluation results of fuzzy analytic hierarchy process accords with actual conditions

PM2.5measurement; air quality evalution; light scattering; analytic hierarchy; fuzzy evaluation

王玉田,男,1952年生，博士,教授,主要從事光電子學(xué)與激光技術(shù)研究。#

。

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61471312)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.F2015203240)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2016.12.001

編輯:丁 懷 (

2016-06-20)