山地城市空气质量监测点布设方法、介质、计算机设备

本发明属于科学技术领域，尤其涉及一种山地城市空气质量监测点布设方法、介质、计算机设备。

背景技术：

目前，山地城市是指修建于具有一定坡度起伏不平的地形之上，或处于复杂地形和自然环境条件之中，具有特定垂直梯度变化、地形地貌和空间布局特点的城市。

山地城市有着与平原城市显著不同的地形地貌和气象条件，大气污染扩散条件和城市功能区分布等也不尽相同，如重庆、攀枝花、贵阳、兰州等。山地城市不仅因气候气象特征包括风向风力、气温、降水量、日照强度、相对湿度等造成特殊的污染气象条件，还因地形地貌条件、生态环境以及其他因素将城市分割形成片区内相对独立的城市区域，使城市发展不能连成一片而形成多个独立组团，多个独立组团构成整个山地城市。山地立体化的下垫面阻挡风的流动，阻隔山地内外空气的热湿交换，使山地气候具有相对封闭性；地形的屏蔽作用使得冬季冷空气不易侵入，夏季热空气不易散出，强化山地城市的热岛效应。这些特征使得山地城市大气污染物难以得到有效的扩散，给山地城市的人居环境改善带来较大的难度。山地城市按照不同地貌可以分为丘陵型、河谷型、沟壑型等多种类型；按照不同空间结构可以分为集中紧凑型、组团型、带型等多种结构类型的山地城市。

环境空气监测的目的是如何用尽可能少的监测点位数据，完整、准确地反映某区域的整体环境空气质量，因此具有代表性的监测点位的选择是准确表征空气质量状况和环境污染程度的决定性因素。以往的环境空气质量监测点位布设方法、标准和技术规范，均是依据全国平原城市的特点制定的，而就山地区域空气质量监测点位布设的具体要求甚少。我国是一个多山的国家，山地面积约占全国国土面积的三分之二，山地城镇约占全国城镇总数的一半。山地城市有着与平原城市显著不同的地形地貌和气象特征，污染物扩散条件和城市功能区分布等也不尽相同，而现有的《环境空气质量监测规范》(试行)中环境空气质量监测网点位的设置部分暂未单独对山地区域空气质量监测点位的布设提出要求。为此，环保部设立2009年度公益性行业科研专项“山地区域空气质量监测点位布设技术研究”项目，目标是重点研究山地城市空气质量监测的优化布点技术方法，提出山地城市空气质量监测点位布设技术方法指南。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的《环境空气质量监测规范》(试行)中环境空气质量监测网点位的设置部分暂未单独对山地区域空气质量监测点位的布设提出要求。

解决以上问题及缺陷的难度为：山地城市有着与平原城市显著不同的地形地貌和气象特征，污染物扩散条件和城市功能区分布等也不尽相同，如何在某种尺度水平，尽可能消除采样监测数据获取中的系统误差，在相对同一基准下开展数据拟合分析、聚类比较，优化出代表性监测点位，是解决山地区域空气质量监测点位布设的关键难点。

解决以上问题及缺陷的意义为：该技术的提出，对解决山地区域和平原地区监测数据的可比性，保证空气监测点位代表性和数据真实可靠，从而提高数据分析的准确性、针对性，为环境管理提供技术支撑的目标明确性具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种山地城市空气质量监测点布设方法、介质、计算机设备。

本发明是这样实现的，一种山地城市空气质量监测点布设方法，所述山地城市空气质量监测点布设方法包括以下步骤：

步骤一，明确监测目的，确定监测区域范围，收集当地相关资料和数据；

该第一步主要明确研究应用区域或城市的基本情况，为开展监测实验和模型分析提供必要的历史数据。(调研基础数据)

步骤二，筛选合适的采样分析技术，在监测区域进行网格化布点监测并予以方法验证；

确定合适的实测技术，如本发明案推荐的被动采样监测方法，通过划分网格开展实验获取实测数据。(获取实测数据)

步骤三，利用聚类分析方法确定山地城市环境空气质量监测点位与数量；

此步骤是利用第二步实测数据进行统计法分析，聚类优化得到一组监测点位。(优化监测点位)

步骤四，选择calpuff空气质量模型进行空气污染物的区域网格化模拟，优化得出山地城市空气质量监测点位与数量；

此步骤是通过空气质量模型方法，以历史数据和气象参数等资料输入，根据模型嵌入的相关扩散参数条件等，优化计算得到一组监测点位。(验证优化点位)

步骤五，对比不同方法的点位优化结果，确定山地城市空气质量监测点位的优化布设方案。

将步骤三和步骤四分别获得的监测点位进行实际情况的综合分析，再进行最终的优化，确定最后的点位布设方案。(确定布点方案)

进一步，步骤一中，所述收集的当地相关资料和数据，包括：监测区域的地形地貌概况、气象特征、污染源清单、3～5年的大气污染物排放历史数据、各参数相关关系以及整体环境空气质量状况及其变化趋势。

进一步，步骤一中，所述明确监测目的，确定监测区域范围，收集当地相关资料和数据，包括：

(1)统计监测区域的废气污染源，对源类型进行分类；

(2)对历年的空气质量监测数据进行分析，结合同期的气象数据，获得历年来研究区域的空气质量变化趋势，评价山地城市的空气质量现状，并分析空气质量的未来发展变化规律。

进一步，所述源类型包括点源和面源。

进一步，步骤二中，所述筛选合适的采样分析技术，在监测区域进行网格化布点监测并予以方法验证，包括：

(1)根据当地相关研究资料和数据，筛选出符合当地经济水平、地理状况、人力物力情况的被动扩散采样技术，按照环境空气质量监测点位布设要求进行网格布点监测采样；

(2)在选择被动采样监测方法时，需要考虑采样便捷性、监测实验的频次、工作强度的重要考虑因素；

(3)被动采样所得到的数据可用于与同期城市环境空气质量自动监测点位数据的比对和验证，评价所选方法的可靠性。

进一步，步骤三中，所述利用聚类分析方法确定山地城市环境空气质量监测点位与数量，包括：

(1)利用城市空气质量网格挂片监测数据，选择将层次聚类和划分聚类法两种聚类分析方法相结合的方式，通过凝聚分层聚类确定最佳聚类数和初步聚类结果，然后采用k-means快速分类方法，对每一小类进一步进行聚类；

(2)聚类后的结果按照各点位所在区域的功能区划、地理位置因素进行综合分析，优化城市环境空气质量监测点位；

(3)优化后的结果还需要进一步验证，如果优化点位所测浓度能代表城市的平均浓度偏差在10％以内，则认定该优化点位方案合理。

进一步，步骤四中，所述选择calpuff空气质量模型进行空气污染物的区域网格化模拟，优化得出山地城市空气质量监测点位与数量，包括：

(1)利用calpuff空气质量模型系统，将研究区域进行受体网格化，模拟污染物浓度随时间的空间分布；

(2)采用网格受体聚类分析或等浓度线等方法进行代表性点位的选取，并依据不同山地城市特征对空气质量监测点位进行总体优化布局；

(3)考察所选监测点位平均浓度与区域的整体平均浓度是否较一致，偏差在10％以内。

进一步，步骤五中，所述对比不同方法的点位优化结果，确定山地城市空气质量监测点位的优化布设方案，包括：

(1)将网格实测数据聚类分析和calpuff模型模拟的优化结果进行对比；

(2)根据研究区域的实际情况，结合当地地形地貌、经济发展和功能区划因素最终确定山地城市环境空气质量监测点位的位置和数量。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的山地城市空气质量监测点布设方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的山地城市空气质量监测点布设方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的山地城市空气质量监测点布设方法，在调研评估空气质量监测点位布设技术方法的基础上，对山地区域空气质量监测点位布设的技术方法进行筛选，论证布点技术方法在山地城市的适用性；选择重庆市主城区和贵阳市两个典型山地型城市作为研究对象，采用现场实验、统计分析和空气质量模型模拟相结合的方法，通过对现场实验和模型模拟结果进行对比分析及反演验证，调整并完善山地城市空气质量监测点位布设技术方法；研究了重庆市主城区和贵阳市两个典型山地城市的环境空气质量监测点位，并提出相应的点位布设及优化方案。最后，在归纳总结典型山地城市研究案例的基础上，提出山地城市空气质量监测点位布设的相关程序，编制了《山地城市空气质量监测点位布设技术指南》(草案)。本发明得出山地城市空气质量监测点位布设的一般工作程序包括：(1)明确监测目的，确定监测区域范围，并收集当地相关研究资料和数据；(2)筛选出合适的采样分析技术，进行网格化布点监测并予以方法验证；(3)利用聚类分析方法研究山地城市空气质量监测点位与数量；(4)应用calpuff空气质量模型进行空气污染物的区域网格化模拟，研究山地城市空气质量监测点位与数量；(5)对比两种方法的点位优选结果，最终确定山地城市空气质量监测点位布设方案。同时，《山地城市空气质量监测点位布设技术指南》(草案)针对山地城市独有的地形地貌和气象特征，就空气监测点位布设方法、点位设置数量及运行评估等方面提出了建议。

环境空气质量监测布点优化的目的是用尽少量的监测点位即用尽可能少的人力、物力和财力，真实、客观、科学地反映山地城市大气污染物的时空分布和演变规律。本发明与实际工作紧密结合，针对性较强，在国内环境保护领域为首次系统性的研究，开发提出的监测布点和优化方法均应用于重庆市和贵阳市环境空气质量监测布点优化，并取得理想的效果。项目成果提交给环境保护部科技标准司，作为其组织编制我国山地城市环境空气质量监测布点优化相关规范的技术支撑，并通过环境监测技术业务、国家和地方各级环境保护规划、战略环境影响评价等工作，向我国山地城市各级环境保护部门积极推广应用。因此，本发明具有巨大的社会效益和经济效益。同时，本发明对解决山地区域和平原地区监测数据的可比性，保证空气监测点位代表性和数据真实可靠，从而提高数据分析的准确性、针对性，为环境管理提供技术支撑的目标明确性具有重要意义；同时，项目研究成果对于《环境空气质量监测规范》(试行)的补充完善具有重要参考价值和技术支撑作用。

本发明通过现场实验和模型模拟等技术方法，研究了重庆市主城区和贵阳市两个典型山地城市的环境空气质量监测点位，并提出相应的点位布设及优化方案。主要创新点：一是首次引进采用日本绿-蓝株式会社handysonox被动采样器开展山地城市网格布点监测实验，利用一个膜片同时测定so2、no2两种污染物。实验证明该方法能较好的反映污染物浓度水平，是一种比较可靠的大气污染监测方法，可作为主动观测方法的有效补充，单独用于区域污染浓度水平的快速评估。二是系统性的采用calpuff空气质量模型进行网格化模拟分析，用聚类分析与等浓度线两种方法开展重庆主城区和贵阳市空气质量监测点位布设与优化，并与利用网格布点挂片监测实验数据直接进行聚类分析后优化得出的点位方案进行比较验证，结果基本一致，证明了calpuff模型在山地复杂地形条件下的应用可靠性。三是将地统计学方法运用到污染物浓度数据的空间分布研究，采用arcgis软件geostatisicalanalyst地统计分析模块，对so2、no2实测浓度数据进行反距离权重插值、半变异分析和克里格插值，分析提出空气质量监测布点优化建议。地统计学既考虑到样本值的大小，又重视样本空间位置及样本间的距离，弥补了经典统计学忽略空间方位的缺陷。

在归纳总结典型山地城市研究案例的基础上，提出山地城市空气质量监测点位布设的相关程序，编制了《山地城市空气质量监测点位布设技术指南》(草案)。并出版专著《山地城市空气质量监测点位布设技术与方法》，为全国各级山地城市从事环境空气质量监测的管理和技术部门提供参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的山地城市空气质量监测点布设方法流程图。

图2是本发明实施例提供的山地城市空气质量监测点位布设工作的原理图。

图3(a)-图3(b)是本发明实施例提供的日本绿-蓝株式会社handysonox被动采样器结构示意图。

图4是本发明实施例提供的重庆市主城区so2和no2等值线及优化点位分布示意图。

图5是本发明实施例提供的贵阳市城区so2和no2等值线及优化点位分布示意图。

图6是本发明实施例提供的山地城市空气质量监测点位布设的一般工作程序示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种山地城市空气质量监测点布设方法、介质、计算机设备，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的山地城市空气质量监测点布设方法包括以下步骤：

s101，明确监测目的，确定监测区域范围，收集当地相关资料和数据；

s102，筛选合适的采样分析技术，在监测区域进行网格化布点监测并予以方法验证；

s103，利用聚类分析方法确定山地城市环境空气质量监测点位与数量；

s104，选择calpuff空气质量模型进行空气污染物的区域网格化模拟，优化得出山地城市空气质量监测点位与数量；

s105，对比不同方法的点位优化结果，确定山地城市空气质量监测点位的优化布设方案。

本发明提供的山地城市空气质量监测点布设方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的山地城市空气质量监测点布设方法仅仅是一个具体实施例而已。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1

以往的环境空气质量监测点位布设方法、标准和技术规范，均是依据全国平原城市的特点制定的，而就山地区域空气质量监测点位布设的具体要求甚少。我国是一个多山的国家，山地面积约占全国国土面积的三分之二，山地城镇约占全国城镇总数的一半。山地城市有着与平原城市显著不同的地形地貌和气象特征，污染物扩散条件和城市功能区分布等也不尽相同，而现有的《环境空气质量监测规范》(试行)中环境空气质量监测网点位的设置部分暂未单独对山地区域空气质量监测点位的布设提出要求。为此，环保部设立2009年度公益性行业科研专项“山地区域空气质量监测点位布设技术研究”项目，目标是重点研究山地城市空气质量监测的优化布点技术方法，提出山地城市空气质量监测点位布设技术方法指南。

本发明在调研评估空气质量监测点位布设技术方法的基础上，对山地区域空气质量监测点位布设的技术方法进行筛选，论证布点技术方法在山地城市的适用性；选择重庆市主城区和贵阳市两个典型山地型城市作为研究对象，采用现场实验、统计分析和空气质量模型模拟相结合的方法，通过对现场实验和模型模拟结果进行对比分析及反演验证，调整并完善山地城市空气质量监测点位布设技术方法；研究了重庆市主城区和贵阳市两个典型山地城市的环境空气质量监测点位，并提出相应的点位布设及优化方案。最后，在归纳总结典型山地城市研究案例的基础上，提出山地城市空气质量监测点位布设的相关程序，编制了《山地城市空气质量监测点位布设技术指南》(草案)。本发明得出的山地城市空气质量监测点位布设的一般工作程序包括：(1)明确监测目的，确定监测区域范围，并收集当地相关研究资料和数据；(2)筛选出合适的采样分析技术，进行网格化布点监测并予以方法验证；(3)利用聚类分析方法研究山地城市空气质量监测点位与数量；(4)应用calpuff空气质量模型进行空气污染物的区域网格化模拟，研究山地城市空气质量监测点位与数量；(5)对比两种方法的点位优选结果，最终确定山地城市空气质量监测点位布设方案。同时，《山地城市空气质量监测点位布设技术指南》(草案)针对山地城市独有的地形地貌和气象特征，就空气监测点位布设方法、点位设置数量及运行评估等方面提出了建议。

环境空气质量监测布点优化的目的是用尽少量的监测点位即用尽可能少的人力、物力和财力，真实、客观、科学地反映山地城市大气污染物的时空分布和演变规律。本发明与实际工作紧密结合，针对性较强，在国内环境保护领域为首次系统性的研究，开发提出的监测布点和优化方法均应用于重庆市和贵阳市环境空气质量监测布点优化，并取得理想的效果。项目成果提交给环境保护部科技标准司，作为其组织编制我国山地城市环境空气质量监测布点优化相关规范的技术支撑，并通过环境监测技术业务、国家和地方各级环境保护规划、战略环境影响评价等工作，向我国山地城市各级环境保护部门积极推广应用。因此，项目研究具有巨大的社会效益和经济效益。

本发明对解决山地区域和平原地区监测数据的可比性，保证空气监测点位代表性和数据真实可靠，从而提高数据分析的准确性、针对性，为环境管理提供技术支撑的目标明确性具有重要意义；同时，本发明成果对于《环境空气质量监测规范》(试行)的补充完善具有重要参考价值和技术支撑作用。

实施例2

本发明在分析研究山地区域空气质量监测点位布设技术方法的基础上，选择重庆市主城区和贵阳市两个典型山地型城市作为研究对象，采用统计分析、数值模拟和现场实验相结合的方法，对山地区域空气质量监测点位布设的技术方法进行筛选，论证布点技术方法在山地城市的适用性；并通过对现场实验结果进行数理统计分析和数值模拟的对比分析，利用反演验证手段，调整并完善山地城市空气质量监测点位布设技术方法。最后，研究编制山地城市空气质量监测点位布设及优化的技术指南。该项目主要研究内容包括：

(1)调研全国城市环境空气质量监测点位布设的数量、类型及调整，分析研究山地城市空气质量监测点位布设的技术方法，并对其进行筛选和优化组合。

(2)采用网格法布设监测点位，利用被动扩散监测技术测定环境空气中so2和no2，应用聚类分析法、地统计学法、等浓度线法和calpuff空气质量模型模拟等方法研究重庆市和贵阳市环境空气监测点位的布设与优化。

(3)严格按照空气监测点位设置的技术要求，提出重庆市和贵阳市环境空气质量监测点位布设与优化方案，并验证所选方法和点位布设方案的科学可行性。

(4)根据研究方法和结论，提出山地城市空气质量监测点位布设的相关程序，编制《山地城市空气质量监测点位布设技术指南》。

本发明通过现场实验和模型模拟等技术方法，研究了重庆市主城区和贵阳市两个典型山地城市的环境空气质量监测点位，并提出相应的点位布设及优化方案。在归纳总结典型山地城市研究案例的基础上，提出山地城市空气质量监测点位布设的相关程序，编制了《山地城市空气质量监测点位布设技术指南》。并出版专著《山地城市空气质量监测点位布设技术与方法》，为全国各级山地城市从事环境空气质量监测的管理和技术部门提供参考。

本发明得出山地城市空气质量监测点位布设的程序步骤(即山地城市空气质量监测点位布设技术指南)如下：

(1)确定研究区域范围，并收集当地相关研究资料和数据

在要对山地城市空气质量监测点位布设之前，收集当地地形、气象、污染源及历史空气质量数据等相关资料，掌握研究区域的自然地理概况和社会经济发展规划，为确定监测点位提供一定的筛选机制。同时，统计研究区域的废气污染源，对源类型进行分类(点源和面源)，为利用模型模拟提供一定数据基础；对历年的空气质量监测数据进行分析，结合同期的气象数据，获得历年来研究区域的空气质量变化趋势，评价山地城市的空气质量现状，并分析空气质量的未来发展变化规律。

(2)筛选合适的采样分析技术，在研究区域进行网格化布点监测并予以方法验证

根据当地相关研究资料和数据，筛选出符合当地经济水平、地理状况、人力物力等诸多情况的被动扩散采样技术，按照环境空气质量监测点位布设要求进行网格布点监测采样。在选择被动采样监测方法时，需要考虑采样便捷性，由于被动监测实验主要用于在城市内通过网格布点后进行大量挂片式监测，以获取城区各地点的环境空气质量水平，因此监测实验的频次、工作强度等成为方法选择的重要考虑因素。同时，被动采样所得到的数据可用于与同期城市环境空气质量自动监测点位数据的比对和验证，评价所选方法的可靠性。

(3)利用聚类分析方法研究山地城市环境空气质量监测点位与数量

利用城市空气质量网格挂片监测数据，选择将两种聚类分析方法(层次聚类和划分聚类法)相结合的方式，首先通过凝聚分层聚类确定最佳聚类数和初步聚类结果，然后采用k-means快速分类方法，对每一小类进一步进行聚类。聚类后的结果按照各点位所在区域的功能区划、地理位置等因素进行综合分析，用于优化城市环境空气质量监测点位。优化后的结果还需要进一步验证，如果优化点位所测浓度能代表城市的平均浓度(偏差在10％以内)，则认定该优化点位方案合理。

(4)选择calpuff空气质量模型进行空气污染物的区域网格化模拟，优化得出山地城市空气质量监测点位与数量

利用calpuff空气质量模型系统，将研究区域进行受体网格化，模拟污染物浓度随时间的空间分布。采用网格受体聚类分析或等浓度线等方法进行代表性点位的选取，并依据不同山地城市特征对空气质量监测点位进行总体优化布局，同时还需要考察所选监测点位平均浓度与区域的整体平均浓度是否较一致，偏差在10％以内。

(5)对比不同方法的点位优化结果，确定山地城市空气质量监测点位的优化布设方案

将网格实测数据聚类分析和calpuff模型模拟的优化结果进行对比，再根据研究区域的实际情况，结合当地地形地貌、经济发展、功能区划等诸多因素最终确定山地城市环境空气质量监测点位的位置和数量。

实施例3

1、为规范环境空气质量监测工作，原国家环境保护总局于2007年发布了《环境空气质量监测规范(试行)》(以下简称《规范》)。《规范》对环境空气质量监测网的设计和监测点位设置要求、区域监测点位数量确定，监测网络的设置与调整，以及空气质量监测的管理方面都作了相关规定。《规范》适用于国家和地方各级环境保护行政主管部门为确定环境空气质量状况，防治空气污染所进行的常规例行环境空气质量监测活动。《规范》明确提出了监测网络的总体目标和监测要求，以及规定了监测点位布设方法和标准，对于我国平原型城市和山地型城市的环境空气质量监测点位布设工作具有普遍适用性。

2、山地城市及其特征

山地城市是指修建于具有一定坡度起伏不平的地形之上，或处于复杂地形和自然环境条件之中，具有特定垂直梯度变化、地形地貌和空间布局特点的城市。

山地城市有着与平原城市显著不同的地形地貌和气象条件，大气污染扩散条件和城市功能区分布等也不尽相同，如重庆、攀枝花、贵阳、兰州等。山地城市不仅因气候气象特征包括风向风力、气温、降水量、日照强度、相对湿度等造成特殊的污染气象条件，还因地形地貌条件、生态环境以及其他因素将城市分割形成片区内相对独立的城市区域，使城市发展不能连成一片而形成多个独立组团，多个独立组团构成整个山地城市。山地立体化的下垫面阻挡风的流动，阻隔山地内外空气的热湿交换，使山地气候具有相对封闭性；地形的屏蔽作用使得冬季冷空气不易侵入，夏季热空气不易散出，强化山地城市的热岛效应。这些特征使得山地城市大气污染物难以得到有效的扩散，给山地城市的人居环境改善带来较大的难度。

山地城市按照不同地貌可以分为丘陵型、河谷型、沟壑型等多种类型；按照不同空间结构可以分为集中紧凑型、组团型、带型等多种结构类型的山地城市。

3、山地城市空气质量监测点位的布设

3.1山地城市空气质量监测点位布设原则

(1)目的性原则

针对山地城市特点建设监测网络，其监测结果要代表整个山地城市的环境空气质量整体状况和变化趋势。

(2)层次性原则

我国行政管理层次分明，各行政级别政府根据辖区的环境管理需要等确定组建适用于山地城市的空气质量监测网络。

(3)代表性原则

空气质量监测网络必须具有明确的代表性，包括空间代表性、时间代表性、污染物浓度代表性及特殊需要属性的代表性等，才能保证监测的结果能真实、客观、科学地评价监测区域的空气质量。

(4)完整性原则

完整性包括地理空间完整性和时间完整性。空气质量监测布点必须覆盖整个监测规划区域，能全面代表监测区域空气质量的特征，且能完整表征整个评价时段内(如年度)的空气质量状况。

(5)可行性原则

监测点位布设和优化方案要以可行性为基础，将需要和可行相结合，即要综合考虑经济与技术可达性。

(6)行政区划原则

由于我国行政管理的特殊性，为了满足各级行政管理的要求，需要考虑在区域的每个行政单元布设一个或一个以上的监测点。

3.2山地城市空气质量监测点位布设工作步骤

(1)明确监测目的，确定监测区域范围，并收集当地相关研究资料和数据

收集当地相关研究资料和数据，包括监测区域的地形地貌概况、气象特征、污染源清单、大气污染物排放历史数据(3～5年)、各参数相关关系以及整体环境空气质量状况及其变化趋势。

(2)筛选出合适的采样分析技术，进行网格化布点监测并予以方法验证

根据所收集的相关资料，筛选出符合经济技术条件、具有可行性的被动扩散采样技术，按照环境空气质量监测点位布设要求进行网格布点监测实验。在选择被动采样监测方法时主要考虑采样是否便捷，监测频次和工作强度是否合理。将被动监测实验结果与同期环境空气自动监测数据进行比对，用于验证所选方法是否科学可靠。

(3)利用聚类分析方法研究山地城市空气质量监测点位与数量

采用聚类分析方法研究得出山地城市环境空气质量监测点位，即利用布点监测实验数据，采用层次聚类和划分聚类法相结合，通过分层聚类方式确定最佳聚类数，再采用划分聚类法，对每一小类进一步聚类。若聚类优选点位所测浓度能代表城市的平均浓度(偏差在10％以内)，则认定该点位优选方案合理。

(4)应用calpuff空气质量模型进行空气污染物的区域网格化模拟，研究山地城市空气质量监测点位与数量

利用calpuff空气质量模型将整个监测区域按实测尺度进行受体网格化，模拟污染物浓度的时空分布。采用受体点模拟数据聚类分析或等浓度线等方法进行代表性点位的选取，并依据经济技术可达性对空气质量监测点位进行总体优化布局。同时考察所选监测点位平均浓度与区域的整体平均值是否较一致(偏差小于10％)。

(5)对比两种方法的点位优选结果，最终确定山地城市空气质量监测点位布设方案

将聚类分析和calpuff模型模拟的点位优选结果进行对比，再根据监测区域的实际情况，结合当地地形地貌、经济发展水平、行政管理需求等诸多因素，最终确定山地城市空气质量监测点位的数量和位置。

山地城市空气质量监测点位布设工作的一般步骤如图2所示。

3.3山地城市空气质量监测点位布设建议

针对山地城市独有的地形地貌和气象特征，在此提出如下建议作为《规范》关于城市空气质量监测点位布设技术要求的补充。

(1)充分考虑山地城市地形和气象特征

相对于平原城市，山地城市地表高低起伏，不同高度上污染物浓度受微气象条件的影响而有所不同，但在近地面100米以内的高度上，并无明显时空变化规律，因此近地面点位设置更多考虑工作便利、后勤保障条件可靠等；受地形的影响，山地城市近地面没有明确的主导风向，可在高空200米的主导风向上游和下游布设监测点位，同时城市独立组团面积在16～30km²应该单独增加1个监测点位。

(2)为更全面了解山地城市大气污染源分布，要综合评估各污染源，按点源、线源和面源分别调查其污染物排放总量、单位面积排放强度以及随时间变化趋势。

(3)推荐被动监测实验和空气质量模型模拟相结合的方法，以此确定大气污染物浓度的最大值、最小值和平均值及其对应点位，并采用聚类分析的方法确定监测点位的数量。

(4)采用人口分布法、聚类分析法、面积权重法等方法并结合环境管理的需求确定空气监测点位的数量及位置。点位数量应同时满足《规范》和本指南的要求，即山地城市设置的监测点位数量应按《规范》规定数量或本指南方法所确定的数量二者中的最大值选取。

(5)监测网络评估

通过运行一段时间(建议1年)来验证各监测点位的空间代表性，以此评估全部空气监测点位的科学性。

实施例4

1、发明概述

本发明在调研评估空气质量监测点位布设技术方法的基础上，对山地区域空气质量监测点位布设的技术方法进行筛选，论证布点技术方法在山地城市的适用性；选择重庆市主城区和贵阳市两个典型山地型城市作为研究对象，采用现场实验、统计分析和空气质量模型模拟相结合的方法，通过对现场实验和模型模拟结果进行对比分析及反演验证，调整并完善山地城市空气质量监测点位布设技术方法；研究了重庆市主城区和贵阳市两个典型山地城市的环境空气质量监测点位，并提出相应的点位布设及优化方案。最后，在归纳总结典型山地城市研究案例的基础上，提出山地城市空气质量监测点位布设的相关程序，编制了《山地城市空气质量监测点位布设技术指南》(草案)。本发明得出山地城市空气质量监测点位布设的一般工作程序包括：(1)明确监测目的，确定监测区域范围，并收集当地相关研究资料和数据；(2)筛选出合适的采样分析技术，进行网格化布点监测并予以方法验证；(3)利用聚类分析方法研究山地城市空气质量监测点位与数量；(4)应用calpuff空气质量模型进行空气污染物的区域网格化模拟，研究山地城市空气质量监测点位与数量；(5)对比两种方法的点位优选结果，最终确定山地城市空气质量监测点位布设方案。

本发明与实际工作紧密结合，针对性较强，研究得出的技术方法成熟，安全可靠，适用于山地类型城市的空气质量监测点位布设与优化工作，在国内为该领域首次系统性的研究。出版专著《山地城市空气质量监测点位布设技术与方法》，为全国各级山地城市从事环境空气质量监测的管理和技术部门提供参考。《山地城市空气质量监测点位布设技术指南》(草案)针对山地城市独有的地形地貌和气象特征，就空气监测点位布设方法、点位设置数量及运行评估等方面提出了建议，对于《环境空气质量监测规范》(试行)的补充完善和《环境空气质量监测点位布设技术规范(试行)》(hj664-2013)的编制起到重要参考价值和技术支撑作用。

2、详细科学技术内容

本发明在分析研究山地区域空气质量监测点位布设技术方法的基础上，选择重庆市主城区和贵阳市两个典型山地型城市作为研究对象，采用统计分析、数值模拟和现场实验相结合的方法，对山地区域空气质量监测点位布设的技术方法进行筛选，论证布点技术方法在山地城市的适用性；并通过对现场实验结果进行数理统计分析和数值模拟的对比分析，利用反演验证手段，调整并完善山地城市空气质量监测点位布设技术方法。最后，本发明编制山地城市空气质量监测点位布设及优化的技术指南。该项目主要研究内容包括：

(一)调研全国城市环境空气质量监测点位布设的数量、类型及调整，分析研究山地城市空气质量监测点位布设的技术方法，并对其进行筛选和优化组合。

调研分析了欧美发达国家和我国环境空气监测网络设计规范，研究了我国环境空气质量监测网络设计思路与发展现状，对空间相关分析法、法规模式法、等浓度线法、系统选择法等目前空气质量监测网的主要设计方法进行了分析评估。详细分析了重庆和贵阳两个典型山地城市的地理气候特征，提出布点优化应综合考虑污染源和工业的分布、大气污染物的浓度分布、超标情况、人口密度和监测类型等基本原则。对聚类分析法、因子分析法、相关性分析法、物元分析法、bp人工神经网络法、shannon信息指数法、多目标规划法、综合法等空气质量监测布点技术与优化方法进行了分析筛选，综合考虑以上各种方法的分析处理过程和适用性，根据已有大量网格布点实测和历年监测数据的基础，选择聚类分析法对网格监测数据进行空气监测点位布设的优化分析。

通过对calpuff模型、cmaq模型、adms模型三种空气质量模型进行评估与比选，由于calpuff考虑了复杂地形条件的模拟，设置了复杂地形运算法则，能够适合山地区域复杂地形、复杂气象条件的模拟。同时应用案例也表明，calpuff具有模式易于掌握，计算量相对较小，特别是能够模拟复杂地形的影响，因而很适合作为山地城市空气质量模拟研究。综合考虑课题需求、模式特点，虽然calpuff在风场模拟、扩散模式、化学反应、污染物种类各方面都不是最先进的模式，但其适用面广泛、准确模拟惰性大气物质的扩散以及包含的复杂地形算法，因而优先选择calpuff模型作为本课题研究的空气质量模型。

(二)采用网格法布设监测点位，利用被动扩散监测技术测定环境空气中so2和no2，应用聚类分析法、地统计学法、等浓度线法和calpuff空气质量模型模拟等方法研究重庆市和贵阳市环境空气监测点位的布设与优化。严格按照空气监测点位设置的技术要求，提出重庆市和贵阳市环境空气质量监测点位布设与优化方案，并验证所选方法和点位布设方案的科学可行性。

(1)被动监测实验方法

由于被动监测实验主要用于在城市内通过网格布点后进行大量铺片式监测，以获取城区各区域的环境空气质量水平，监测实验的频次、工作强度等成为方法选择的重要考虑因素。通过研究考察多层滤膜法被动采样、碱片法测定硫酸盐化速率、被动采样管等几种野外监测实验方法，各种方法均能轻松便捷的实现空气质量的被动监测，且均具有非常好的代表性，综合分析各种被动监测实验技术的各项特点，选择了日本绿蓝公司生产的被动监测技术。主要原因是该方法仅采用一个膜片就可同时吸收环境空气中的so2、no2两种污染物，单次监测频次可控制在10天至3个月不等，同时膜片试剂能通过自行配置实现，具有监测数据准确可靠、价格便宜、体积小、不需要电源、适合区域性布点采样和测定等等优势。

监测实验采用日本绿-蓝株式会社handysonox被动采样器，被动采样器是利用分子扩散法原理，用吸收液浸泡滤膜然后暴露在大气中进行采样。采样滤膜由30％tea+10％甘油进行浸泡制作而成，采样器暴露采样时，吸收液中tea与空气中so2、no2发生化学反应生成so3^2-、no2^-，利用离子色谱仪定量测定样品中so4^2-，no2^-(由于so3^2-不稳定，添加h2o2使so3^2-氧化成so4^2-)，从而计算得出空气中so2、no2的浓度。

日本绿-蓝株式会社handysonox被动采样器结构示意图如图3所示。

监测实验点位的选择遵循选择性加密网格布点方法，即按照大气环境污染水平、人口密度、工业布局等在城市中心区、人口密集区多布点，在城市边缘、人口较稀少的区域少布点。

采用这种方法首先将重庆主城建成区按4km×4km划分网格，然后再在中心区域加密为2km×2km的网格(扣除河流、山体占地)。划分网格还侧重考虑到重庆市主城区的典型山地特征因素，即城区内分布着几个相对独立的组团，组团内城市建设基本按照山地地势分布，组团内功能区分布较为齐全，在重点组团区域内单独划分网格，同时为了解不同坡度和海拔高度空气质量的分布，选择了一个有代表性的区域进行了高度挂片实验，以研究山地城市不同坡度的空气质量特征；城市区域内不同高度的空气质量利用高层建筑不同楼层进行监测实验。根据上述网格布点原则，将重庆市主城501平方千米建成区进行了网格划分，共设置大小网格117个。按照网格布点监测方案和实际工作情况，重庆市环境监测中心对35个4千米×4千米网格进行了监测，其中对18个网格进行加密监测，共设监测点59个(包含现有空气质量自动监测点位)。贵阳市环境监测中心站依据贵阳全市行政区划：城区(云岩区、南明区、小河区)，郊区(花溪区、乌当区、白云区)和“一市三县”(清镇市、修文县、息烽县、开阳县)进行了空气质量的监测布点，共设置监测点53个。重庆市主城区挂片监测实验共进行7次，贵阳市挂片监测实验共进行10次，每次挂片监测周期约为1个月。

(2)重庆市空气质量监测布点与优化

采用calpuff空气质量模型进行网格化模拟分析，聚类分析与等浓度线两种方法得出的重庆主城区空气质量监测点位优化结果基本一致，共确定优化后的监测点位15个；与利用网格布点挂片监测实验数据直接进行聚类分析后优化得出的点位方案相比，前者包含后者大部分点位，且更为全面、科学，布局合理。前后两者具有相互检验的关系，表明所选方法均适用于空气质量监测点位的优化。

根据挂片监测数据的聚类分析与点位筛选，地统计学方法分析，以及calpuff空气质量模型的模拟分析与优化验证，比较各种方法的点位优化分析结果，对各点位所在区域的功能区划、地理位置等因素进行综合分析，最终确定重庆主城区空气质量监测点位的优化方案为calpuff模拟分析筛选出的15个监测点位，即天生、虎溪、白市驿、唐家沱、高家花园、礼嘉、茶园、空港、人和、鱼新街、杨家坪、南坪、宗申服务中心、新山村和解放碑。

重庆市主城区so2和no2等值线及优化点位分布示意图如图4所示。

(3)贵阳市空气质量监测布点与优化

采用calpuff空气质量模型进行网格化模拟分析，聚类分析与等浓度线两种方法得出的贵阳市城区空气质量监测点位优化结果基本一致，共确定优化后的监测点位10个；与利用网格布点挂片监测实验数据直接进行聚类分析后优化得出的点位方案相比，前者包含后者大部分点位，且更为全面、科学，布局合理。前后两者具有相互检验的关系，表明所选方法均适用于空气质量监测点位的优化。

根据挂片监测数据的聚类分析与点位筛选，以及calpuff空气质量模型的模拟分析与优化验证，比较各种方法的点位优化分析结果，对各点位所在区域的功能区划、地理位置等因素进行综合分析，最终确定贵阳市城区空气质量监测点位的优化方案为calpuff模拟分析筛选出的10个监测点位，即花溪区(花溪西社)、乌当区(乌当区政府)、鸿边门、马鞍山、太慈桥、市环保局、白云区第二医院、冶金厅、金阳新区和小河区(小河区政府)。

贵阳市城区so2和no2等值线及优化点位分布示意图如图5所示。

(三)根据研究方法和结论，提出山地城市空气质量监测点位布设的相关程序，编制《山地城市空气质量监测点位布设技术指南》(草案)。

项目研究得出山地城市空气质量监测点位布设的程序步骤(即山地城市空气质量监测点位布设技术指南)如下：

(1)确定研究区域范围，并收集当地相关研究资料和数据

在要对山地城市空气质量监测点位布设之前，收集当地地形、气象、污染源及历史空气质量数据等相关资料，掌握研究区域的自然地理概况和社会经济发展规划，为确定监测点位提供一定的筛选机制。同时，统计研究区域的废气污染源，对源类型进行分类(点源和面源)，为利用模型模拟提供一定数据基础；对历年的空气质量监测数据进行分析，结合同期的气象数据，获得历年来研究区域的空气质量变化趋势，评价山地城市的空气质量现状，并分析空气质量的未来发展变化规律。

(2)筛选合适的采样分析技术，在研究区域进行网格化布点监测并予以方法验证

根据当地相关研究资料和数据，筛选出符合当地经济水平、地理状况、人力物力等诸多情况的被动扩散采样技术，按照环境空气质量监测点位布设要求进行网格布点监测采样。在选择被动采样监测方法时，需要考虑采样便捷性，由于被动监测实验主要用于在城市内通过网格布点后进行大量挂片式监测，以获取城区各地点的环境空气质量水平，因此监测实验的频次、工作强度等成为方法选择的重要考虑因素。同时，被动采样所得到的数据可用于与同期城市环境空气质量自动监测点位数据的比对和验证，评价所选方法的可靠性。

(3)利用聚类分析方法研究山地城市环境空气质量监测点位与数量

利用城市空气质量网格挂片监测数据，选择将两种聚类分析方法(层次聚类和划分聚类法)相结合的方式，首先通过凝聚分层聚类确定最佳聚类数和初步聚类结果，然后采用k-means快速分类方法，对每一小类进一步进行聚类。聚类后的结果按照各点位所在区域的功能区划、地理位置等因素进行综合分析，用于优化城市环境空气质量监测点位。优化后的结果还需要进一步验证，如果优化点位所测浓度能代表城市的平均浓度(偏差在10％以内)，则认定该优化点位方案合理。

(4)选择calpuff空气质量模型进行空气污染物的区域网格化模拟，优化得出山地城市空气质量监测点位与数量

利用calpuff空气质量模型系统，将研究区域进行受体网格化，模拟污染物浓度随时间的空间分布。采用网格受体聚类分析或等浓度线等方法进行代表性点位的选取，并依据不同山地城市特征对空气质量监测点位进行总体优化布局，同时还需要考察所选监测点位平均浓度与区域的整体平均浓度是否较一致，偏差在10％以内。

(5)对比不同方法的点位优化结果，确定山地城市空气质量监测点位的优化布设方案

将网格实测数据聚类分析和calpuff模型模拟的优化结果进行对比，再根据研究区域的实际情况，结合当地地形地貌、经济发展、功能区划等诸多因素最终确定山地城市环境空气质量监测点位的位置和数量。

山地城市空气质量监测点位布设的一般工作程序如图6所示。

3、发现、发明及创新点

本发明通过现场实验和模型模拟等技术方法，研究了重庆市主城区和贵阳市两个典型山地城市的环境空气质量监测点位，并提出相应的点位布设及优化方案。主要创新点：一是首次引进采用日本绿-蓝株式会社handysonox被动采样器开展山地城市网格布点监测实验，利用一个膜片同时测定so2、no2两种污染物。实验证明该方法能较好的反映污染物浓度水平，是一种比较可靠的大气污染监测方法，可作为主动观测方法的有效补充，单独用于区域污染浓度水平的快速评估。二是系统性的采用calpuff空气质量模型进行网格化模拟分析，用聚类分析与等浓度线两种方法开展重庆主城区和贵阳市空气质量监测点位布设与优化，并与利用网格布点挂片监测实验数据直接进行聚类分析后优化得出的点位方案进行比较验证，结果基本一致，证明了calpuff模型在山地复杂地形条件下的应用可靠性。三是将地统计学方法运用到污染物浓度数据的空间分布研究，采用arcgis软件geostatisicalanalyst地统计分析模块，对so2、no2实测浓度数据进行反距离权重插值、半变异分析和克里格插值，分析提出空气质量监测布点优化建议。地统计学既考虑到样本值的大小，又重视样本空间位置及样本间的距离，弥补了经典统计学忽略空间方位的缺陷。

在归纳总结典型山地城市研究案例的基础上，提出山地城市空气质量监测点位布设的相关程序，编制了《山地城市空气质量监测点位布设技术指南》(草案)。并出版专著《山地城市空气质量监测点位布设技术与方法》，为全国各级山地城市从事环境空气质量监测的管理和技术部门提供参考。

4、与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较(包括主要参数、效益、市场竞争力等方面)

欧美发达国家从上世纪六七十年代以来就针对如何设计高效、有代表性的环境空气质量监测点位展开了大量的研究，经过30多年的不断探索，目前美国和欧盟都已拥有一套相对系统、适合自身监测需求的环境空气质量监测点位设置标准，并随着污染形势的变化不断修正。如美国、欧洲和日本等发达国家，目前都已建立了围绕光化学烟雾污染和气溶胶污染为主的区域空气质量监测网络。这些网络站点的布局都采取了一系列的优化技术来确定，包括使用统计分析如相关分析和聚类分析的技术或多目标优化等数学方法。近年来，我国也开展了空气质量监测网络的优化方法与技术研究，但目前只局限于城市尺度的监测网络优化，且监测网络类型比较单一，监测项目主要以常规大气污染物pm10、pm2.5、so2和no2为主，而对于区域空气质量监测网络布点优化方法的研究较少，尚没有建立规范的区域空气质量监测网络优化布点的方法体系与标准。

本发明与实际工作紧密结合，针对性较强，在国内环境保护领域为首次系统性的研究，达到用尽少量的监测点位即用尽可能少的人力、物力和财力，真实、客观、科学地反映山地城市大气污染物的时空分布和演变规律，也即环境空气质量监测布点优化的目的。该项目研究得出的技术方法成熟，安全可靠，适用于山地类型城市的空气质量监测点位布设与优化工作，对解决山地区域和平原地区监测数据的可比性，保证空气监测点位代表性和数据真实可靠，从而提高数据分析的准确性、针对性，为环境管理提供技术支撑的目标明确性具有重要意义。

5、本发明以重庆市和贵阳市为典型山地城市为研究对象，开发和提出的监测布点和优化方法均应用于重庆市和贵阳市环境空气质量监测布点优化，并取得理想的效果。在重庆和贵阳两地急需解决的环境监测技术问题和环保重大决策中急需回答的科学与政策问题方面，研究工作发挥了重要作用。

本发明获得的成果提交给环境保护部科技标准司，作为其组织编制我国现阶段山地城市环境空气质量监测布点优化规范的技术支撑，通过环境监测技术业务、国家和地方各级环境保护规划、战略环境影响评价等工作，向我国山地城市各级环境保护部门积极推广应用本项目成果，以引导或指导山地城市各级环境监测站合理科学地进行自动监测点位的调整和优化。同时，项目研究成果对于《环境空气质量监测规范》(试行)的补充完善和《环境空气质量监测点位布设技术规范(试行)》(hj664-2013)的编制起到重要参考价值和技术支撑作用。因此，项目研究具有巨大的社会效益和经济效益。

本发明的开发和提出的监测布点和优化方法应用于重庆市和贵阳市环境空气质量监测布点优化，确定的城市空气质量监测点位作为国控空气质量评价点位，客观准确的反映了两个城市的空气质量水平和发展变化趋势，在大气污染防治和空气质量持续改善工作中发挥了重要作用。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。