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    李培等:美国空气质量监测的经验与启示(附:美国空气污染治理过程)

    当前,中国大气污染形势十分严峻。在传统煤烟型污染尚未得到有效控制情况下,区域性复合型大气污染日益突出。2013年 1月份,中国出现大范围持续较长时间的雾霾天气,灰霾面积达 143万 km2,74个城市 PM2. 5平均超标率为68. 9%,最大日均值为 766 μg /m3[1]。2013年上半年,京津冀地区城市 PM2. 5平均浓度为 115 μg/ m3,区域内所有城市均未达到 PM2. 5年均值二级标准[2]。全国 PM2. 5污染普遍较重,而 PM10污染尚未根本解决,改善空气质量的任务艰巨。

    中国政府对大气环境保护工作高度重视。 2013年上半年,中央政治局常委会、国务院常务会议专题讨论大气污染防治行动计划,部署了大气污染防治十条措施,要求提高认识、抓住重点、综合施策、率先改善大气环境质量。2013年 9月 10日,国务院正式发布《大气污染防治行动计划》,提出 “经过五年努力,使全国空气质量总体改善 ”的奋斗目标,这为空气质量管理带来新的机遇,也对空气质量监测提出更高要求。作为空气质量管理体系的关键一环,准确的空气质量监测结果对于有效控制大气污染排放,制定和评估各项减排措施实施效果至关重要。

    在空气质量监测方面,美国起步较早,积累了丰富经验。在四十多年的大气治理过程中,美国由一个空气污染严重,甚至爆发空气污染公害事件的国家,变为了世界空气质量最好的地区之一。在此过程中,美国空气质量监测体系逐步发展和完善,在空气质量转变上起到了重要作用。借鉴美国先进经验,针对中国发展实际情况和大气污染特征,逐步提高中国空气质量监测能力,对中国改善大气环境质量十分必要。

    1美国空气质量监测发展历程

    20世纪 70年代,美国环保局 ( USEPA)开始组建和运行州和地方空气监测网络 ( State and Local AirMonitoring Stations,SLAMS)以及国家空气监测网络 ( National Air Monitoring Stations, NAMS),用于监测环境空气质量标准中的指标污染物,评估空气质量是否达到国家环境空气质量标准 ( National Ambient Air Quality Standard, NAAQs)[3]。目前,SLAMS发展到 4000多个监测点位,覆盖全国。NAMS是从 SLAMS选取代表性点位构成的子网络,现在包括 1 080多个监测点位。20世纪 80年代初期,USEPA开始对PM10进行监测。在 1997年颁布 PM2. 5的环境空气质量标准后,USEPA于 1999年将 PM2. 5纳入监测体系。如图 1所示,各污染物监测点位的数量在 1970—1975年期间迅猛增长,1975年以后,伴随空气质量的改善和监测需求的变化,总悬浮颗粒物( TSP)、铅、NO2和 SO2监测点位的数量锐减, CO监测点位数量相对稳定,O3监测点位的数量缓慢增加。1996年至今,PM2. 5监测点位从 0增长到1 000多个。美国的空气质量监测体系在空气质量管理需求的不断变化中,按照空气质量法律法规的相关要求逐渐发展和完善。

    2美国空气质量监测管理经验

    美国空气质量监测经验可以归纳为以下几点:系统谋划监测战略,合理布设监测网络,严格控制数据质量,开展污染组分分析,科学应用监测结果,积极推动公众参与。

    2. 1系统谋划监测战略。20世纪 90年代,USEPA认识到有效运行的空气质量监测体系是国家层面的战略问题,从而成立了国家监测指导委员会 ( National Monitoring Steering Committee,NMSC)监督和指导相关工作,其成员包括 USEPA空气质量计划与标准办公室、研究与开发办公室以及区域办公室的相关人员以及各州、地方和部落的代表。在 NMSC的指导下, 2001年到 2005年,USEPA发布了《国家空气质量监测战略 (草案 )》( Draft National Ambient Air Monitoring Strategy,以下简称《国家战略》)并几易其稿,旨在探索用最少的资源构建最优化的监测网络以达到最高科研价值并保护人体健康和环境 。2008年 12月,空气质量计划与标准办公室制定了《州、地方和部落大气管理机构的环境空气监测战略》( Ambient Air Monitoring Strategy for State,Local,and Tribal Air Agencies,以下简称《监测战略》),明确了美国空气质量监测当前和未来的战略目标包括 : ①实施多污染物协同监测方法 ; ②整合监测网络和项目; ③重新配置现有的标准污染物监测网络 ; ④通过合理的质量控制体系和监测技术规范确保监测数据质量 ; ⑤鼓励采用连续和高灵敏度方法以及最新的数据采集技术。

    2. 2合理布设监测网络

    1)以人体健康为原则。USEPA为各种污染物监测点位布设发布了指南。指南中要求监测网络设计首先要以保护人体健康为原则,根据人口分布划分空气污染监测单元。其次,针对区域污染物,监测网络的设置要能够明确反映其传输特征。各州至少有一个区域点位用于反映区域和州与州之间污染物的传输影响,例如,大区域内多在下风向布置站点。这些反映区域传输特征的监测数据将应用于传输模型和模式的估算和预测。

    2)优化基础网络。《监测战略》的首要战略目标是推动多污染物协同监测网络的建设。2008年起,USEPA通过优化 SLAMS网络构建国家核心污染物监测网 ( NCore)。2011年 1月,Ncore开始正式运行,共有 80个监测点位,包括 63个城区点位和 17个农村点位。表 1中列出了 NCore对监测指标的具体要求。为了满足监测要求,USEPA采用先进的连续和半连续监测技术。除了 CO、SO2和 NOy可以继续使用现在的分析仪器,其他指标均升级改造现有设施。( NOx包括 NO和 NO2,NOy包括 NOx及其氧化产物 )。

    3) 设置专项网络。USEPA针对特定的空气污染问题,建立了一系列的专项监测网络,包括 一是针对光化学污染,在臭氧超标地区设置光化学评估监测网络 ( Photochemical Assessment Monitoring Stations,PAMS),监测对象包括 O3以及 NOx、VOCs、碳氢化合物、羰基化合物等 60多种前体物和反应物的浓度[7]。该网络目前包括 23个区域的 78个监测点位。二是PM2. 5污染构建国家监测网络。该网络由组分趋势网络 ( Speciation Trend Network, STN)、SLAMS网络的部分站点,以及保护能见度的多部门监测计划(IMPROVE )的部分站点构成。 USEPA设计的国家 PM2. 5监测网络将包括1 500多个监测点位,详细构成如表 2所示。三是国家空气有毒物质趋势监测网络 ( National 始建设运行,最初用于评估酸雨计划、NOx配额交Air Toxics Trends Stations,NATTS),共有 27个监易计划以及清洁空气州际法案等减排计划对酸沉测点位,包括 20个城市点位和 7个乡村点位,每降变化趋势的影响。2010年后,所有 CASTNET个 NATTS监测站要监测 100多种污染物[8]。 中的臭氧监测站完成升级改造,满足了 NAAQs对4) USEPA清洁空气市场处建立清洁空气现指标污染物的数据质量要求,监测结果可以提交状和趋势网 ( Clean Air Status and Trends Network,到 USEPA的空气质量数据库并对外公布。 CASTNET),该网络共有 90个点位,监测酸雨污5)针对大气沉降造成的酸沉降、汞沉降和氨染物、沉降以及区域臭氧浓度。1991年该网络开沉降等问题,国家大气沉降计划( National Atmospheric Deposition Program)设计了几个专项网络,包括 :国家趋势网 ( National Trend Network, NTN),含 256个点位,每周采样一次,监测酸沉降;大气综合研究监测网 ( Atmospheric IntegratedResearch Monitoring Network,AIRMoN),含 7个点位,每天采样一次,监测酸沉降 ;汞沉降监测网 ( Mercury Deposition Network,MDN),含 108个点位,监测汞的干湿沉降 ;大气汞监测网 ( Atmospheric Mercury Network,AMNet),含 24个点位,监测汞的干沉降;氨监测网络 ( Ammonia Monitoring Network,AMoN),含 53个点位,被动采样监测环境空气中的氨浓度 ;与 CASTNET建立伙伴关系,开展氨的监测,对氮配额进行核算。

    4)评估和更新。为了适应空气质量管理的新变化和新需求, USEPA不定期的评估监测网络,为监测网络的发展提供数据支持。2000年,USEPA对指标监测网络进行整体评估,评估的三大核心内容包括: ①每个点位的达标情况 ; ②根据浓度、不确定性、与 NAAQs的差距、区域代表性和人口代表性这五项指标综合评分定级 ; ③回顾五年或者十年污染物浓度变化趋势。结果表明只有 PM2. 5和 O3是全国性的污染问题,其他几项指标污染物仅有极少地区超标。评估认为,应大规模削减 PM10、CO、NO2以及 SO2的监测点位,显著减少 PM2. 5的监测点位,微量减少 O3的监测点位,具体情况如表 3所示。

    2006年,EPA根据《国家战略》修订了空气质量监测相关的法规[40 CFR 58. 10 ( e)],并编制了《环境空气监测网络评估指南》( Ambient Air Monitoring Network Assessment Guidance),要求州与地方监测机构每五年向 USEPA提交一次空气质量监测系统的评估报告,用于判断网络是否达到监测要求、是否需要增设新站点、是否需要关停现有站点,以及是否有必要在监测网络中采用新技术,为监测网络定期评估和更新提供了法律依据。法规要求相关机构 2010年开始进行第一轮监测网络评估。

    2. 3开展污染物化学组分分析。美国对化学组分的监测技术日趋成熟,监测结果为解释大气中各种污染物浓度水平成因提供支持,并为各种减排和空气质量管理措施提供决策依据。综合分析化学组分数据和气象条件数据,有助于初步判断区域污染物来源,一定程度上识别出本地源和区域污染物传输的分担率。目前 EPA每月选择一次国家监测网络 ( NAMS)中代表性点位和监测数据超标的点位,进行样品的组分分析。颗粒物的组分分析内容包括有机碳,黑碳、硫酸根、硝酸根、铵、各种元素。另外还监测六类空气有毒物质,包括挥发性有机物、六价铬、多环芳香族碳氢化合物、二恶英及呋喃、多氯化联苯、羰基化合物。

    2. 4全面系统控制数据质量

    1)组建专门机构。为了评估和改进环境空气质量监测项目的数据质量,EPA空气质量规划与标准办公室筹建了环境空气数据质量保证工作组,负责开发质量保证体系总体框架,包括政策、目标、原则、组织机构、责任以及实施计划。州、地方和部落的相关监测机构负责开发和实施质量保证体系。工作组指派专人负责具体的监测网络,包括 NCore、STN、 NATTS以及 PAMS。

    2)制定法规和规范。《美国联邦法规法典》第 40编第 58部分 “环境质量监督 ”附录 A(40 CFR Part 58 )以及大气污染测量系统数据保证手册第二卷阐述了基本要求。此外,每个监测网还专门编制了空气质量监测手册,具体规范数据质量目标的完整性、校准、内部和外部质量控制、评价和纠错、数据上报、数据回顾、验证、校正以及与数据质量目标对照,并根据实际情况对监测技术质量控制和质量保证规范手册进行修订。

    3)开展专项行动。工作组针对监测数据的质量保证开展了三大专项行动 : ①国家绩效评估计划,是由空气质量规划与标准办公室以及国家环境研究实验室合作对监测数据进行第三方评估,评估内容包括 :监测站点特征和监测网络评述,技术系统的审计和绩效评估。具体实施的项目包括 : PM2. 5绩效评估项目,国家绩效审计项目,NATTS监测网络水平测试项目,认证项目,标准参考物项目,NATTS气瓶认证项目。②数据质量评估与报告制度,提供质量保证信息用以判断数据质量目标和测量质量目标是否达成,该计划主要依托标准污染物的准确和偏差数据评估工作来开展。③环境空气质量保证培训计划,面向EPA内部人员及系统外的监测人员举办培训班。

    2. 5科学应用监测结果。在 USEPA设计的美国空气质量管理体系框架中,空气质量监测是评估法律法规实施效果的关键环节,也是制定控制措施的重要依据,如图 2所示。健康相关的流行病学、生物医学统计究、环境健康究和毒理学研究等。同时,美国也将监测数据用于验证已有排放源清单和模型,并基于监测数据预测减排措施的具体效果。

    2. 6积极推动公众参与。美国通过AIRNow网站公布全国各地实时的空气质量监测数据,信息发布渠道畅通。美国各州每年都向 USEPA提交年度监测网计划,在提交之前必须至少公示 30天,公众可在公示期间对监测计划提出问题和建议。此外,美国在数据质量保证方面开展了对公众的教育和宣传,以充分发挥公众对数据质量的监督作用。

    3对中国空气质量监测的启示

    自 2012年 2月《环境空气质量标准( GB 3095—2012)》发布后,中国空气质量监测能力不断提高,监测网络迅速发展。日前,国务院发布的《大气污染防治行动计划》提出,“要将空气质量监测站点建设及其运行和监管经费纳入各级财政预算予以保障 ”,从资金来源方面解决了空气质量监测发展面临的瓶颈。然而,随着中国大气治理工作的不断深入,空气质量管理的要求逐渐提高,中国空气质量监测管理存在的问题日益凸显。美国空气质量监测经验对中国相关管理工作的几点启示如下 : 1)制定国家和重点地区监测战略计划。着眼于中国空气污染特点以及空气质量管理目标新形势,总结 “十二五 ”的经验教训,预测 “十三五 ”的发展趋势,重视新一阶段的环境空气质量监测顶层设计,制定国家和重点地区监测战略计划。加强对国家环境监测网的调查研究,识别中国空气质量监测基础性和前沿型问题,抓住监测过程中的重点环节,优化国家网络功能布局,做好环境质量监测技术储备。2)加强区域传输监测。2012年底颁发的《重点区域大气污染防治 “十二五 ”规划》要求创新区域管理机制,提升联防联控管理能力。国务院新发布的大气污染防治十条措施中明确要求 “建立环渤海包括京津冀、长三角、珠三角等区域联防联控机制 ”。然而,目前中国空气质量监测管理和站点设置主要以行政区划为单元,缺乏反映地区大气传输情况的监测数据,不利于掌握污染物扩散特征。在监测点位设计时,应综合考虑人口分布、污染物区域传输特征、生产生活及地理、气象条件,为联防联控具体措施的制定和执行打下基础,并实现区域内监测数据共享。3)构建专项监测网络。中国已参与了部分专项监测网络,例如东亚酸沉降监测网,但仍需要整合监测力量抓住重点,有的放矢。根据中国区域性复合型大气污染特征,应针对影响空气质量的重点环境问题设立专项监测网络。例如,在人口密度高、污染严重的城市区域,建立光化学烟雾监测网;在重点城市和区域开展氨沉降试点监测,取得经验后再形成专项监测网 ;在农村区域建立酸沉降监测网、汞沉降监测网络等。同时,加强科研机构与监测站的联系,整合监测资源和科研力量,充分利用监测数据开展重点环境问题的大气环境科学研究,基于大气污染形成机理为空气质量管理提供科学支持。4)开展污染物化学组分分析。对污染物化学组分的监测有助于了解各种污染物浓度水平成因,结合气象影响因素后,有助分析污染来源。因此,在一些较发达地区,条件允许的情况下,可以开展对 PM2. 5化学组分监测。5)提升数据质量控制水平。结合年度专项检查,推动全国监测站新标准和规范的贯彻落实,做好国家空气质量监测网络化质控平台建设,以及国家网空气自动监测质量核查和实验室能力考核等工作,不断提高监测数据的规范性和可比性,保证数据质量。6)加强地方监测能力建设。目前地方省市环境空气监测能力较弱或尚未具备监测能力,技术人员的技术能力与新标准实施的要求仍有差距,需要通过技术培训予以提高。国家应组织专家队伍为地方监测工作提供技术支持和咨询服务,并将监测人员专业培训日常化标准化,帮助地方逐步提高监测能力,为国家环境空气质量监测网络的高效、优质运行提供技术人员保障。7)保证监测信息公开透明。通过各种媒体开辟信息公开渠道,及时准确地发布指标污染物的监测数据。加强对公众的宣传和教育,普及空气质量监测知识,更好地发挥公众的监督作用。


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