利用濕度補償對光散射法測施工揚塵中PM10質量濃度進行校正

齊春雪QI Chun-xue；遲穎CHI Ying；張克順ZHANG Ke-shun

（中節(jié)能天融科技有限公司，北京 102200）

0 引言

揚塵是塵土在自然、人為等因素的影響下進入環(huán)境空氣的開放性污染源，它在總懸浮顆粒物的占比很大[1-3]。近年來由于我國經濟發(fā)展和產業(yè)建設加快，城市污染物TSP、PM10、PM2.5中施工揚塵成為其主要貢獻來源。目前國際上測量PM10質量濃度的方法主要有濾膜稱重法、β 射線法、震蕩天平法、光散射法等[4]。濾膜稱重法是國際上普遍認可方法，其優(yōu)點是誤差小，測量準確，數(shù)據(jù)可信度高等；缺點為不能實時在線監(jiān)測，時間分別率較低，需要大量的人為參與等。光散射法測定在近幾年應用比較廣泛，尤其在網(wǎng)格化微型空氣中的應用?；诠馍⑸浞ㄩ_發(fā)的產品其優(yōu)勢在于可實時監(jiān)測，時間分辨率快，體積小巧，成本低等特點，但也有其弊端，受環(huán)境影響較大，尤其是環(huán)境濕度的影響[5-8]。筆者擬通過大量的平行試驗研究光散射法與濾膜重量法的數(shù)據(jù)比對情況，檢驗兩種方法在測定施工揚塵中PM10質量濃度時的相關性指標，并嘗試利用濕度補償算法校正光散射法的測量結果，提高其測量的準確度。

1 儀器和方法

1.1 儀器

德國自動換膜采樣器（ComdeDerenda），額定流量1 m3·h-1，配備PM10切割器，流量精度24 小時內偏差小于2.0%，TR-Ⅵ-C 揚塵在線監(jiān)測設備（光散射法，集成北京華控興業(yè)大氣相對濕度傳感器，中節(jié)能天融科技有限公司），Mettler Toledo AT261 分析天平（感量為0.01 mg，瑞士Mettler Toledo 公司），Whatman 石英纖維濾膜，直徑47 mm，過濾效率不低于99.995%，型號1851-047，HM34C 型電子溫濕度計。

1.2 實驗方法

1.2.1 平行測試

測試地點為北京市通州區(qū)環(huán)球影城工地，自動濾膜采樣器和TR-Ⅵ-C 揚塵在線監(jiān)測設備各3 臺，直線間隔放置，四周無遮擋，兩種設備采樣口距地面均2m 以上，采樣口水平間距1m，同時運行。自動濾膜采樣器采集樣品周期為5h，TR-Ⅵ-C 揚塵在線設備為實時采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以計算每分鐘平均值的方式統(tǒng)計成分鐘數(shù)據(jù)保存，同時TR-Ⅵ-C 揚塵在線監(jiān)測設備可實時記錄測試期間的環(huán)境相對濕度數(shù)據(jù)，同樣數(shù)據(jù)以計算每分鐘平均值的方式統(tǒng)計成分鐘數(shù)據(jù)保存。為了更好的體現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確性和真實性，濾膜采樣器和TR-Ⅵ-C 揚塵在線監(jiān)測設備在正式開始之前均進行了校準。

1.2.2 濾膜稱重法的數(shù)據(jù)處理

采用重量差值法計算，前期準備工作需將待用的石英濾膜放置在干燥器中平衡24h，記錄稱重結果。采用PM10切割器采集樣品，采集結束后再將濾膜放回至干燥器中，再次平衡24 h 后稱重。計算前后兩次濾膜質量之差，讀取自動采樣器中記錄的標準狀況下的采樣體積，兩者相除的比值記為該時段環(huán)境空氣PM10的質量濃度。

1.2.3 數(shù)據(jù)校正

連續(xù)平行測試一周，選取15 組有效數(shù)據(jù)進行分析，稱重法每張濾膜樣品采集時間為5h；光散射法儀器數(shù)據(jù)保存時間間隔為1min，最終根據(jù)濾膜稱重法相對應時間計算光散射5h 平均值。依據(jù)以往長時間的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，TR-Ⅵ-C 揚塵在線監(jiān)測設備測量PM10質量濃度的結果需要按照濕度校正系數(shù)α 進行校正，校正系數(shù)α 按照公式（1）進行計算（針對TR-Ⅵ-C 揚塵儀器），最終的校正后的PM10測量數(shù)據(jù)按照公式（2）進行計算。

式中：α 為校正系數(shù)；RH 為大氣環(huán)境相對濕度。

式中: Cs為校正后光散射法測定的PM10質量濃度，ug·m-3，Cy為校正前光散射法測定的PM10質量濃度，ug·m-3。

1.3 統(tǒng)計學方法

①采用配對t 檢驗法對光散射法儀器進行相關性檢驗（即平行性）；

②按照公式計算校正后的光散射法測定值與濾膜稱重法測定值的相對偏差，以評估光散射法（校正后）的準確度；

③采用配對t 檢驗法對光散射法（校正后）與稱重法的成對樣本進行檢驗與相關性分析；

④采用假設檢驗法中的t 檢驗對校正前后的光散射法與稱重法的差異顯著性進行檢驗，證明光散射法經過校正前后與稱重法的差異性。

2 結果

2.1 光散射法測定結果分析

本研究共獲取25 組濾膜稱重法有效數(shù)據(jù)。選取兩者時間匹配成功數(shù)據(jù)，共獲得15 組平行樣本，平行樣占比為60%。采用配對t 檢驗法進行光散射法測定的儀器間相關性檢驗（即平行性），本研究中定義三臺TR-Ⅵ-C 揚塵在線監(jiān)測設備的名稱分別為1#、2#、3#。檢驗結果見表1、表2。

表1 成對樣本相關系數(shù)（TR-Ⅵ-C）

表2 成對樣本檢驗（TR-Ⅵ-C）

從成對樣本檢驗結果來看，p 值即sig＜0.05，說明1#、2#、3#之間有線性相關關系，即無線性相關的可能性要遠小于0.05。結合兩個結果來看，說明在有線性相關的同時，數(shù)據(jù)間相關性顯著，證明儀器間精密度即平行性好。

2.2 校正后比對分析

濾膜稱重法和光散射法（校正后）測定的PM10數(shù)據(jù)分析情況見表3、表4。光散射法和稱重法的平均相對偏差為（-6.441064332 ±26.73803974）% ，相 對 偏 差 范 圍 為-41.98510197%至60.30295047%，同時采用配對t 檢驗法進行光散射法與稱重法的成對樣本檢驗與相關性分析。

表3 濾膜稱重法和光散射法（校正后）統(tǒng)計量

表4 濾膜稱重法和光散射法（校正后）相關系數(shù)

從樣本統(tǒng)計量來看，樣本數(shù)據(jù)即稱重法與光散射法（校正后）的均值無顯著差異。而從樣本相關系數(shù)表中可以看出，兩組數(shù)據(jù)線性相關性系數(shù)為0.891（校正前相關系數(shù)為0.692），且sig=0.000，說明兩組數(shù)據(jù)相關性較高且顯著性高，即兩組數(shù)據(jù)的趨勢是一樣的。

2.3 相對濕度的影響

統(tǒng)計大氣相對濕度，并對光散射法進行校正，根據(jù)公式（1）計算濕度校正系數(shù)α，再對光散射法測定的原始結果進行校正。大氣相對濕度、濾膜重量法、光散射法（校正）、光散射法（原始）之間的關系見圖1。

從圖1 中可以看出光散射法測定的數(shù)據(jù)偏離增大和相對濕度的增大呈正相關，而校正后光散射法與重量法測定值的偏離顯著減小，兩者之間的線性相關性顯著提高。再研究發(fā)現(xiàn)通過假設檢驗法中的雙側t 檢驗，對光散射法（校正后）與濾膜稱重法的差異顯著性檢驗的計算中得出，（顯著性水平α=0.05），證明在置信區(qū)間95%內兩種方法所得出的數(shù)據(jù)無顯著差異；而在對光散射法（校正后）與濾膜稱重法的差異顯著性檢驗的計算中得出，，（顯著性水平α=0.05），證明在置信區(qū)間95%內兩種方法所得出的數(shù)據(jù)差異顯著，同時線性相關性從r=0.692（原始）提高至r=0.892（校正后），上述結果均提示濕度校正后的光散射法與重量法的數(shù)據(jù)一致性明顯提高，補償算法有效。

3 結論

濾膜稱重法是目前國際上公認的、準確的PM10測定方法，所以本文以濾膜稱重法測量數(shù)據(jù)作為校正和參比的基準[9]，很多的研究文獻表明光散射法測定的數(shù)據(jù)在高濕度的情況下測定結果偏高，在相對濕度5%-95%范圍內不斷增加，尤其是相對濕度大于60%時偏離更加明顯，大于80%時光散射測量數(shù)據(jù)可高出2 倍以上[10-13]，主要是由于環(huán)境濕度對光散射法儀器的影響，造成顆粒物中的親水性成分吸水后凝結[14]，引起顆粒物平均尺寸增加，進而導致顆粒物散射光能力增強。從本研究的測試結果來看，基于光散射法開發(fā)的儀器設備雖然具有反應迅速靈敏、輕巧便攜、穩(wěn)定性及平行性好等優(yōu)勢，但是實驗數(shù)據(jù)表明在不做任何物理除濕和補償算法模型校正的情況下數(shù)據(jù)偏離較大（原始r=0.692），不能真實的反應空氣污染狀況[15-16]，而經過補償算法模型校正后可顯著提高兩者的相關性指標（r=0.892），校正后的結果是可滿足一些城市出臺的關于散射法測定環(huán)境空氣質量的標準（如上海，r≥0.85）。同時在光散射法監(jiān)測設備的質控措施方面，本文研究者也發(fā)現(xiàn)不同批次生產的光散射法監(jiān)測設備校正模型公式略有不同，筆者分析原因可能是由于設備在出廠標定過程中環(huán)境濕度差異較大造成的，為了確保不同批次的設備平行性指標滿足要求，建議標定過程在恒濕（RH＜50%）環(huán)境下進行?；谝陨戏治鲅芯?，光散射法測定施工揚塵中PM10質量濃度可以利用濕度補償模型進行校正，校正后相比校正前可顯著提高數(shù)據(jù)測量的準確性，可以更真實的反應施工場地揚塵污染的狀況。