齐春雪QI Chun-xue；迟颖CHI Ying；张克顺ZHANG Ke-shun

（中节能天融科技有限公司，北京 102200）

0 引言

扬尘是尘土在自然、人为等因素的影响下进入环境空气的开放性污染源，它在总悬浮颗粒物的占比很大[1-3]。近年来由于我国经济发展和产业建设加快，城市污染物TSP、PM10、PM2.5中施工扬尘成为其主要贡献来源。目前国际上测量PM10质量浓度的方法主要有滤膜称重法、β 射线法、震荡天平法、光散射法等[4]。滤膜称重法是国际上普遍认可方法，其优点是误差小，测量准确，数据可信度高等；缺点为不能实时在线监测，时间分别率较低，需要大量的人为参与等。光散射法测定在近几年应用比较广泛，尤其在网格化微型空气中的应用。基于光散射法开发的产品其优势在于可实时监测，时间分辨率快，体积小巧，成本低等特点，但也有其弊端，受环境影响较大，尤其是环境湿度的影响[5-8]。笔者拟通过大量的平行试验研究光散射法与滤膜重量法的数据比对情况，检验两种方法在测定施工扬尘中PM10质量浓度时的相关性指标，并尝试利用湿度补偿算法校正光散射法的测量结果，提高其测量的准确度。

1 仪器和方法

1.1 仪器

德国自动换膜采样器（ComdeDerenda），额定流量1 m3·h-1，配备PM10切割器，流量精度24 小时内偏差小于2.0%，TR-Ⅵ-C 扬尘在线监测设备（光散射法，集成北京华控兴业大气相对湿度传感器，中节能天融科技有限公司），Mettler Toledo AT261 分析天平（感量为0.01 mg，瑞士Mettler Toledo 公司），Whatman 石英纤维滤膜，直径47 mm，过滤效率不低于99.995%，型号1851-047，HM34C 型电子温湿度计。

1.2 实验方法

1.2.1 平行测试

测试地点为北京市通州区环球影城工地，自动滤膜采样器和TR-Ⅵ-C 扬尘在线监测设备各3 台，直线间隔放置，四周无遮挡，两种设备采样口距地面均2m 以上，采样口水平间距1m，同时运行。自动滤膜采样器采集样品周期为5h，TR-Ⅵ-C 扬尘在线设备为实时采集数据，数据以计算每分钟平均值的方式统计成分钟数据保存，同时TR-Ⅵ-C 扬尘在线监测设备可实时记录测试期间的环境相对湿度数据，同样数据以计算每分钟平均值的方式统计成分钟数据保存。为了更好的体现数据的准确性和真实性，滤膜采样器和TR-Ⅵ-C 扬尘在线监测设备在正式开始之前均进行了校准。

1.2.2 滤膜称重法的数据处理

采用重量差值法计算，前期准备工作需将待用的石英滤膜放置在干燥器中平衡24h，记录称重结果。采用PM10切割器采集样品，采集结束后再将滤膜放回至干燥器中，再次平衡24 h 后称重。计算前后两次滤膜质量之差，读取自动采样器中记录的标准状况下的采样体积，两者相除的比值记为该时段环境空气PM10的质量浓度。

1.2.3 数据校正

连续平行测试一周，选取15 组有效数据进行分析，称重法每张滤膜样品采集时间为5h；光散射法仪器数据保存时间间隔为1min，最终根据滤膜称重法相对应时间计算光散射5h 平均值。依据以往长时间的测试数据统计分析，TR-Ⅵ-C 扬尘在线监测设备测量PM10质量浓度的结果需要按照湿度校正系数α 进行校正，校正系数α 按照公式（1）进行计算（针对TR-Ⅵ-C 扬尘仪器），最终的校正后的PM10测量数据按照公式（2）进行计算。

式中：α 为校正系数；RH 为大气环境相对湿度。

式中: Cs为校正后光散射法测定的PM10质量浓度，ug·m-3，Cy为校正前光散射法测定的PM10质量浓度，ug·m-3。

1.3 统计学方法

①采用配对t 检验法对光散射法仪器进行相关性检验（即平行性）；

②按照公式计算校正后的光散射法测定值与滤膜称重法测定值的相对偏差，以评估光散射法（校正后）的准确度；

③采用配对t 检验法对光散射法（校正后）与称重法的成对样本进行检验与相关性分析；

④采用假设检验法中的t 检验对校正前后的光散射法与称重法的差异显著性进行检验，证明光散射法经过校正前后与称重法的差异性。

2 结果

2.1 光散射法测定结果分析

本研究共获取25 组滤膜称重法有效数据。选取两者时间匹配成功数据，共获得15 组平行样本，平行样占比为60%。采用配对t 检验法进行光散射法测定的仪器间相关性检验（即平行性），本研究中定义三台TR-Ⅵ-C 扬尘在线监测设备的名称分别为1#、2#、3#。检验结果见表1、表2。

表1 成对样本相关系数（TR-Ⅵ-C）

表2 成对样本检验（TR-Ⅵ-C）

从成对样本检验结果来看，p 值即sig＜0.05，说明1#、2#、3#之间有线性相关关系，即无线性相关的可能性要远小于0.05。结合两个结果来看，说明在有线性相关的同时，数据间相关性显著，证明仪器间精密度即平行性好。

2.2 校正后比对分析

滤膜称重法和光散射法（校正后）测定的PM10数据分析情况见表3、表4。光散射法和称重法的平均相对偏差为（-6.441064332 ±26.73803974）% ，相 对 偏 差 范 围 为-41.98510197%至60.30295047%，同时采用配对t 检验法进行光散射法与称重法的成对样本检验与相关性分析。

表3 滤膜称重法和光散射法（校正后）统计量

表4 滤膜称重法和光散射法（校正后）相关系数

从样本统计量来看，样本数据即称重法与光散射法（校正后）的均值无显著差异。而从样本相关系数表中可以看出，两组数据线性相关性系数为0.891（校正前相关系数为0.692），且sig=0.000，说明两组数据相关性较高且显著性高，即两组数据的趋势是一样的。

2.3 相对湿度的影响

统计大气相对湿度，并对光散射法进行校正，根据公式（1）计算湿度校正系数α，再对光散射法测定的原始结果进行校正。大气相对湿度、滤膜重量法、光散射法（校正）、光散射法（原始）之间的关系见图1。

从图1 中可以看出光散射法测定的数据偏离增大和相对湿度的增大呈正相关，而校正后光散射法与重量法测定值的偏离显著减小，两者之间的线性相关性显著提高。再研究发现通过假设检验法中的双侧t 检验，对光散射法（校正后）与滤膜称重法的差异显著性检验的计算中得出，（显著性水平α=0.05），证明在置信区间95%内两种方法所得出的数据无显著差异；而在对光散射法（校正后）与滤膜称重法的差异显著性检验的计算中得出，，（显著性水平α=0.05），证明在置信区间95%内两种方法所得出的数据差异显著，同时线性相关性从r=0.692（原始）提高至r=0.892（校正后），上述结果均提示湿度校正后的光散射法与重量法的数据一致性明显提高，补偿算法有效。

3 结论

滤膜称重法是目前国际上公认的、准确的PM10测定方法，所以本文以滤膜称重法测量数据作为校正和参比的基准[9]，很多的研究文献表明光散射法测定的数据在高湿度的情况下测定结果偏高，在相对湿度5%-95%范围内不断增加，尤其是相对湿度大于60%时偏离更加明显，大于80%时光散射测量数据可高出2 倍以上[10-13]，主要是由于环境湿度对光散射法仪器的影响，造成颗粒物中的亲水性成分吸水后凝结[14]，引起颗粒物平均尺寸增加，进而导致颗粒物散射光能力增强。从本研究的测试结果来看，基于光散射法开发的仪器设备虽然具有反应迅速灵敏、轻巧便携、稳定性及平行性好等优势，但是实验数据表明在不做任何物理除湿和补偿算法模型校正的情况下数据偏离较大（原始r=0.692），不能真实的反应空气污染状况[15-16]，而经过补偿算法模型校正后可显著提高两者的相关性指标（r=0.892），校正后的结果是可满足一些城市出台的关于散射法测定环境空气质量的标准（如上海，r≥0.85）。同时在光散射法监测设备的质控措施方面，本文研究者也发现不同批次生产的光散射法监测设备校正模型公式略有不同，笔者分析原因可能是由于设备在出厂标定过程中环境湿度差异较大造成的，为了确保不同批次的设备平行性指标满足要求，建议标定过程在恒湿（RH＜50%）环境下进行。基于以上分析研究，光散射法测定施工扬尘中PM10质量浓度可以利用湿度补偿模型进行校正，校正后相比校正前可显著提高数据测量的准确性，可以更真实的反应施工场地扬尘污染的状况。