大气环境监测(第二版)

**章 绪论 大气污染是人类面临的环境问题之一。要保持经济社会的可持续发展，就必须对大气污染进行控制和治理，使大气环境质量适合于人类的生存与发展。大气环境监测是指为了确定大气环境质量、大气污染现状及其变化趋势，对大气中各种污染因子的种类和浓度进行测定的过程。大气环境监测源于大气环境污染的出现，并随着大气环境的日益恶化而受到重视。 **节 大气环境监测的产生与发展 一、大气环境和大气环境质量 在环境科学中大气和空气这两个概念没有本质的区别，本书将这两个概念视为同义词。大气环境是指某个人群或整个人类赖以生存和发展的周围大气。大气是人类赖以生存和发展的重要环境要素之一，它为人们提供了生存、生活不可缺少的氧气。人类在生产和生活活动中与大气进行着物质和能量的交换，对大气施加影响。 大气环境质量是指在一定范围的大气中，大气环境的总体或某些组成要素对人群的生存、繁衍以及社会经济发展的适宜程度。大气环境质量包括大气环境综合质量和各种大气环境要素的质量。影响大气环境质量的因素既有物质因素也有能量因素。 二、大气环境监测的产生 大气环境监测是环境科学的一门分支学科，是进行大气环境研究的重要技术手段。大气环境监测是间断或连续地对大气中污染物的种类、浓度进行观测，分析其变化趋势以及对大气环境的影响。 人类从产生之日起，就开始了对地球大气环境的利用和影响。人类在漫长的进化和发展过程中，参与了大气环境的能量交换和物质循环，不断改变着地球大气环境。由此产生了一系列的大气环境问题。 在人类社会发展的早期，由于生产力低下，人类向大气中排放的污染物种类和数量都比较少，因此大气环境污染问题并不突出。工业革命后，由于机器的广泛使用，工业生产得以迅速发展，人类随之排放的污染物大量增加，造成了大气污染。20世纪70年代以前，“八大公害事件”中，有五件是大气污染事件，这些事件造成了成千上万的人发病或死亡。随着工业的高速发展，大气污染造成的灾害更加严重。光化学烟雾在美国、日本、德国、加拿大、澳大利亚、荷兰等许多国家屡有发生。面对大气环境质量的日趋下降，人类社会对大气环境质量关注程度逐步提高，大气环境监测科学就应运而生了。 三、大气环境监测的发展概况 在西方发达国家，大气环境监测工作开始于20世纪50年代。当时的监测方式是人工定时定点采样，然后把样品带回实验室进行化学分析，监测项目多为化学污染物。这一时期的大气环境监测处于被动监测阶段。从20世纪70年代开始，随着科学的发展，人们逐渐认识到影响大气环境质量的因素不仅是化学因素，还有噪声、光、热、电磁辐射、放射性等物理因素。因此，大气环境监测的手段除了化学的，还有物理的、生物的等。同时，监测范围也从点污染的监测发展到面污染以及区域性污染的监测，这一阶段称为主动监测阶段。从20世纪70年代初开始，一些发达国家相继建立了自动连续监测系统，并使用了遥感、遥测技术，监测仪器用电子计算机遥控，监测数据用有线和无线传输方式发送到监测中心控制室，进行集中处理。故可以在短时间内观察到空气中污染因子的浓度或强度的变化，预测预报未来的大气环境质量，这一阶段称为自动监测阶段。在这个阶段，有关国际组织建立了全球大气环境监测系统，开展了国际性大气污染监测。 中国于20世纪50年代开始了初步的大气环境监测工作。一方面卫生防疫部门和城市建设部门在一些城市开展了大气环境的卫生学调查及常规监测工作，另一方面针对工业企业的工作场所空气质量开展了职业卫生监测。这个阶段也属于人工采样和零散的被动监测。20世纪70年代中期，我国各地的环境保护机构相继建立，正式开展了大气污染监测工作，从此进入主动监测阶段。我国从20世纪90年代开始，在经济发达地区和省会城市逐步建立了大气环境连续自动监测系统，监测技术也得到了长足发展。1979年，中国开始参与国际性大气污染监测工作。 大气环境监测技术的发展主要表现在以下几方面。 (1) 监测项目趋于合理全面。大气环境监测技术不仅重视目前的大气环境污染，而且着眼于未来的大气环境质量；不仅限于监测直接危害人体的污染因素，如有害化学物质、噪声和放射性物质等，而且加强了对影响全球大气环境质量的污染因素，如臭氧、酸雨、挥发性烃类、氯氟烃等的监测。 (2) 监测范围不断扩大。实行了跨国界、跨区域及全球范围的联合监测，例如，全球大气环境监测系统是针对人口集中的城市进行国际性大气污染监测。目前世界上有50多个国家加入了这个监测系统。一方面在其中35个国家的主要城市进行SO2和飘尘的监测，另一方面还通过参加国的大气环境白皮书和学术年会汇总NOx、CO等污染物的有关信息，将数据输入设在美国的合作中心的计算机，经统计处理后公开发布。这为掌握世界范围内城市大气污染状况和促进信息交流创造了条件。该系统目前正向着增加监测项目、扩大监测网等目标努力。 (3) 监测方法向立体化方向发展。大气环境监测技术发展十分迅速，并不断趋于完善。为了适应连续自动化监测系统的迅速发展，在采样方法上有很多改进。例如，为了测定CO2、CH4、O3、NOx、氯氟烃(CFCs)等的本底值，采样方法除了设置地面站外，还用飞机、船舶和气球立体移动采样，并且在移动采样过程中同时进行现场测定。用飞机采样可以测定污染物浓度随高度的变化。这些方法不但有可能连续地测得温室气体在一定空间的立体分布状况，还可以在样品未发生变化前就完成测定，因此具有其他方法难以替代的优点。另外，遥感探测技术得到了更多的应用和发展。1972年美国发射的**颗地球观测资源卫星搭载的扫描传感器，向世界各国提供了地表的多种分光图像。现在的地球观测卫星上搭载了多种传感器，如合成孔径雷达、微波辐射仪、激光雷达等，从而在提高分辨能力上有了很大的进步。当前，卫星观测数据不再局限于长期以来描述的表面二维图像信息，而是已经扩大到了对三维空间的大气成分和降水等的分析。未来的地球观测卫星，是要集中各国先进的传感器，进行全球观测，并且从地面平台向宇宙空间站发展。 另外，传统的大气环境监测在测定仪器方面也有了很大发展，主要表现为无须样品预处理的多污染物同步快速测定技术得到应用；多种仪器联机以适应连续自动化监测和遥测技求的需要；分析方法的灵敏度和选择性进一步提高等。总之，大气环境监测作为大气环境科学的一个重要组成部分，正以前所未有的速度蓬勃发展。 第二节 大气环境监测的目的与分类 一、大气环境监测的目的 对大气环境进行监测可以出于多种目的，总体而言主要有以下几方面。 (1) 根据大气环境质量标准，进行环境质量评价，判断大气环境质量是否符合相关大气质量标准。 (2) 收集大气环境本底数据，积累长期监测资料，为研究大气环境容量、实施污染物总量控制、达到环境质量目标管理、预测预报大气环境质量提供数据。 (3) 根据污染物种类及其浓度的时间空间变化，追踪污染源。 (4) 为制定大气环境法律法规、标准、大气环境污染综合防治对策提供科学依据。 二、大气环境监测的分类 大气环境监测可根据监测目的、监测对象等进行分类。按监测目的可分为以下四类。 (1) 监视性监测。监测大气中已知有害物质的浓度，确定大气环境污染状况及其发展趋势，评价污染控制措施的实施效果，判断污染物浓度是否超过大气环境质量标准的限值。这是大气环境监测的主要任务。 (2) 特定目的监测。包括事故性监测、仲裁监测、考核验证监测和咨询服务监测。 (3) 本底监测。本底值是指大气环境要素在未受污染的情况下，其中某种污染因子的浓度或强度。大气环境本底值的测定能为评价和预测区域性大气环境质量，研究污染物在大气中的迁移转化规律等提供依据。 (4) 研究性监测。以上几类大气环境监测工作的监测对象是国家或地方政府环境保护部门规定的常规污染物。由于人类认识的限制，以及工农业生产和日常生活活动中向大气排放的污染物种类和数量都有增加的趋势，对于非常规监测的污染物在大气中的转化迁移，以及其对大气环境本身和生物是否具有潜在的危害等问题，都需要进行研究，以便更有效地控制大气污染。与之相对应的大气污染物监测就是研究性监测。 另外，根据监测对象的不同可把大气环境监测划分为化学污染物监测、放射性监测等。 第三节 大气环境监测技术概述 一、大气污染与大气环境监测的特点 (一) 大气污染的特点 虽然大气污染物种类繁多，来源千差万别，但这些因子所引起的大气污染还是具有以下几个共同的特点。 1. 时间分布性 大气污染的时间分布是指在同一个地点或同一区域范围的大气中，同一污染物的排放量或污染强度都是随着的时间变化而变化的。其首要原因是污染源排放污染物具有一定的周期性。例如，工厂向大气中排放污染物的总量和强度与生产过程有关，具有一定的周期性；城市中机动车流量在每天的早晨、中午、下午、夜晚是不同的，具有明显的周期性变化，从而造成机动车排放的大气污染物浓度表现出随时间变化的特点。此外，风力、风向、气温等气象条件也是随时间变化的，在污染物排放量不变的情况下，这些气象条件的改变直接影响了污染物在大气中扩散和稀释。污染物在大气中的化学稳定性也是影响因素之一。例如，大气中的硫酸盐粒子和硝酸盐粒子，主要是SO2、NO2的大气光化学反应产物，而气温等因素会影响光化学反应的速率，故大气中污染物的浓度具有季节性变化的特点。 2. 空间分布性 污染物的空间分布性是指进入大气环境的污染物浓度或污染因素强度，在某一固定时间随空间不同而变化的现象。这种现象的出现，首先与污染源种类及空间位置的分布不均匀性有关。一般来讲，大气中污染物的浓度随着与污染源的距离增大而降低，距离污染源越近浓度越高。此外，大气在水平方向和垂直方向上的对流，也可造成地面或空中不同位置大气中污染物浓度的显著变化，如污染源下风向的浓度要大于上风向。 3. 大气污染与污染因素强度的关系 大气中有害因子对人体和其他生物体引起毒害的浓度或强度，与大气环境本底值之间存在一个界限，称为阈值。当大气污染因子强度超过这一阈值后，才对大气环境造成污染。因此，对大气本底值进行测定，进而研究其阈值具有重要意义。 4. 污染物的综合效应 大气中存在着多种污染物。当多种污染物进入人体或其他生物体后，对机体的毒害作用表现为以下几种情况。 (1) 单独作用。混合污染物中仅是一种组分对机体中某一器官产生危害，而其他污染物不对其产生危害的，称为污染物的单独作用。 (2) 相加作用。混合污染物中两种组分对机体同一器官的毒害作用彼此相似，且偏向同一方向，污染物对机体的毒害相当于各种污染物毒害的总和，称为污染物的相加作用。例如，大气中二氧化硫和硫酸气溶胶、氯和氯化氢，当它们浓度较低时，其联合作用为相加作用。 (3) 相乘作用。混合污染物对机体的毒害作用超过各个组分毒害作用的总和，称为相乘作用。例如，二氧化硫和颗粒物、氮氧化物和一氧化碳就存在相乘作用。 (4) 拮抗作用。混合污染物中有两种或两种以上对机体的毒害作用彼此抵消大部分或一部分时，称为拮抗作用。 5. 大气环境污染的社会评价 有些具有潜在危害的污染因素，因其表现为慢性危害，往往不会引起人们的注意，而某些现实的、直接感受得到的污染因素容易受到社会的关注。例如，相对于灰霾，人体对恶臭气体的不良感受更为强烈，所以要求对后者的控制更为严格。因此，对大气环境污染的社会评价具有一定的主观色彩。 6. 污染物的形态、迁移和转化 污染物的形态是指大气污染物的化学组成和结构的表现形式。污染物的形态可以分为有机物与无机物、化合态与单质等。同种污染物的不同形态具有不同的毒性，如有机汞毒性大于无机汞。