淺談灰霾自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設

張 偉,陸曉波,姜 勇

(1.南京市環(huán)境監(jiān)測中心站,江蘇 南京 210013;2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 南京 210036)

·監(jiān)測技術·

淺談灰霾自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設

張 偉1,陸曉波1,姜 勇2

(1.南京市環(huán)境監(jiān)測中心站,江蘇 南京 210013;2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 南京 210036)

灰霾自動監(jiān)測在中國起步較晚,對于灰霾的研究尚處于初級階段,國家尚未建立完善的標準和體系,各城市參與時間較短,系統(tǒng)建設及運行尚處于完善階段。通過實例,介紹了南京市灰霾自動監(jiān)測系統(tǒng)建設的過程,運行管理以及系統(tǒng)的應用情況。

灰霾自動監(jiān)測;系統(tǒng)建設;南京市

大氣環(huán)境中的灰霾又稱作大氣棕色云,是指大量極細微塵粒子,均勻漂浮在空中,使空氣普遍混沌,水平能見度小于 10 km的現(xiàn)象[1]。灰霾的主要污染物為道路揚塵、汽車尾氣、建筑施工、工業(yè)排放等一次粒子及硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、黑碳、有機碳氫化合物等氣粒轉化過程中產生的超細粒子,對人體健康產生極大的損害,并且影響區(qū)域氣候及交通。

為了摸清灰霾天氣對環(huán)境空氣質量的影響,探索灰霾監(jiān)測分析方法和質量控制管理方法,建立統(tǒng)一的技術規(guī)范和標準化的監(jiān)測體系,國家環(huán)保部和中國環(huán)境監(jiān)測總站決定開展關于灰霾天氣對環(huán)境空氣質量影響的研究工作。2007年選擇天津、上海、南京等城市作為試點城市。

灰霾的組分相當復雜,包括了數(shù)百種大氣顆粒物。其中有害人類健康的主要是直徑小于 10μm的氣溶膠粒子,如礦物顆粒物,海鹽、硫酸鹽、硝酸鹽、有機氣溶膠粒子等[2],影響和表征灰霾污染程度的因子也有很多,如氣象因素中的太陽輻射、溫濕度、大氣穩(wěn)定度、能見度。因此,灰霾自動監(jiān)測系統(tǒng)復雜,監(jiān)測要素很多,需要投入較大資金進行系統(tǒng)建設和運行管理。

1 系統(tǒng)建設

相對于氣象部門 ,環(huán)保部門對于灰霾的監(jiān)測與研究起步較晚,監(jiān)測時間短、因子少、連續(xù)性差、自動化程度低,尚未形成完善的自動監(jiān)測系統(tǒng),更未建立完善的標準體系,南京市環(huán)境監(jiān)測中心站根據(jù)總站要求,廣泛考察了相關試點城市的建設情況,結合自身實際,于 2008年開始進行灰霾自動監(jiān)測系統(tǒng)建設,在近 2年的時間里完成了點位選取、儀器選型、招標、安裝、系統(tǒng)調試等工作。2009年底,系統(tǒng)通過了驗收。

1.1 點位選取

按照總站的要求,結合空氣自動監(jiān)測技術規(guī)范,在已有的大氣國控點中選取灰霾自動監(jiān)測點 2個。草場門大氣國控點設置在開闊地帶,不受局地污染影響,作為趨勢點,反映城市區(qū)域灰霾污染趨勢。仙林大學城大氣國控點設置在灰霾污染輸送上風向,且離市區(qū)較遠,作為遠郊點反映區(qū)域尺度灰霾特征。

1.2 監(jiān)測因子選擇

選取的監(jiān)測因子主要有:基本污染因子——SO2、NO2、CO、O3;顆粒物濃度監(jiān)測 ——PM10、PM2.5;氣象條件觀測——氣象 5參數(shù)、能見度、太陽輻射 (總輻射、紫外輻射);灰霾前驅體——高低沸點揮發(fā)性有機物 (VOC);灰霾組分與形態(tài)——黑碳、顆粒物粒徑等。

1.3 系統(tǒng)配置

國內對于灰霾的監(jiān)測尚屬起步階段,儀器設備多以進口為主,用戶相對較少。在儀器選型采購中做了充分的市場調研,遠赴廣東、上海、北京進行深入調研,在原有常規(guī)監(jiān)測項目的基礎上,采購了 5套不同種類的監(jiān)測儀器和相關輔助設備,以自動監(jiān)測設備為主,輔以手工采樣—實驗室分析,形成較為完備的監(jiān)測系統(tǒng)。

灰霾監(jiān)測系統(tǒng)建設在原有環(huán)境空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上,增加了灰霾特征因子的監(jiān)測設備。

1.3.1 在線揮發(fā)性有機物VOCs監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要通過在線氣相色譜的原理,連續(xù)監(jiān)測與大氣中二次污染物臭氧前驅體 (POCP)有關的多種揮發(fā)性有機污染物,不僅包括 C2-C5的低沸點碳氫分析儀及 C6-C 12的高沸點碳氫分析儀,還包括校準設備、氫氣發(fā)生器、氮氣發(fā)生器及標氣等。

1.3.2 黑碳分析儀

黑碳氣溶膠(Black Carbon,BC)是大氣氣溶膠中最主要的吸光物質,除去一些特殊的天氣狀況(如沙塵、揚塵),黑碳氣溶膠對氣溶膠總的光吸收貢獻在 90%到 95%以上。黑碳儀正是利用黑碳氣溶膠對光的這種吸收特性進行測量。

1.3.3 顆粒物粒徑譜分析儀

顆粒物粒徑譜分析儀 (Grimm 180)利用光的散射技術,通過 31個通道對直徑 0.25～32μm之間的顆粒物進行測量?；诹Ｗ用芏鹊募僭O,可以實時計算 PM10、PM2.5及 PM1的質量濃度。

1.3.4 PM10/PM2.5雙通道顆粒物分析儀

可同時測量 P M10、PM2.5-10、PM2.5的質量濃度,且能通過技術彌補 Rp1400測塵儀監(jiān)測過程中揮發(fā)性物質的損失。監(jiān)測儀由兩大部分構成,帶有虛擬沖擊器的采樣組件和帶有 FDMS系統(tǒng)的TEOM 1405-DF單元。用戶利用一個彩色觸摸屏向 TEOM 1405-DF單元中輸入系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)配有用于個人計算機 (PC)的軟件,允許用戶下載數(shù)據(jù)和更新設備的固件。

1.3.5 多組分采樣器

由美國 RP公司生產,采用哈佛大學專利的ChemComb Cartridge技術進行采樣分析,可以分析PM10或者 PM2.5,并且可以在同一臺儀器上實現(xiàn)設計通道分別采集 PM10、PM2.5樣品,此功能通過Cartridge上的切割器和撞擊板實現(xiàn)。采用標準47mm標準采樣膜。根據(jù)分析物質不同,采用多個通道采集大氣中的氣體和顆粒物的有關物質。

儀器名稱、型號配置如表 1。

表1 灰霾監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測項目和儀器配置

2 系統(tǒng)安裝調試與驗收

按照空氣自動監(jiān)測技術規(guī)范及灰霾試點監(jiān)測的要求,對站房進行了總體改造。系統(tǒng)由一家供應商負責總集成,各系統(tǒng)供應商的技術人員負責儀器設備安裝,對儀器進行通電試驗和測試運行,由儀器供應商技術人員和本站人員共同進行流量檢查、氣路檢查、零漂檢查、多點校準和響應時間檢查等。經過 6天的單機測試,各臺儀器設備均符合技術指標的要求。經過 3個月的試運行,系統(tǒng)運行正常,通過驗收。

3 實際應用

3.1 灰霾監(jiān)測

2009年 11月 7日至 8日,南京及周邊部分城市受不利天氣條件和秸稈焚燒影響,出現(xiàn)重污染天氣,11月 8日南京空氣質量日報指數(shù) 319,灰霾現(xiàn)象顯著。

期間,草場門灰霾子站黑碳、顆粒物粒徑譜及顆粒物雙通道監(jiān)測儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)變化顯著。其中,11月 7日晚 17時起,黑碳濃度異常升高,最大小時質量濃度達到 37.5 mg/m3,超出正常空氣質量時黑碳質量濃度 (5 mg/m3)7.5倍,說明污染物主要來自物質的燃燒;不同粒徑顆粒物數(shù)量濃度也存在同樣的變化趨勢,7日晚 17時起顆粒物數(shù)量明顯增多;Rp1405 DF的監(jiān)測結果更加直觀地顯示顆粒物質量濃度的變化,PM10中 PM2.5的比重較大,而PM2.5-10粗顆粒物濃度無明顯變化,說明污染物主要以細顆粒 PM2.5為主。[3]

3.2 灰霾的研究

灰霾自動監(jiān)測系統(tǒng)的建成,提供了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù),為灰霾研究提供了可能,在此基礎上,我們立項省、市二級課題《南京市灰霾天氣成因與預警技術研究》及《南京市灰霾天氣成因、對策及預警技術研究》,進一步深入地研究灰霾成因與預警,為環(huán)境管理部門對灰霾污染防范與治理提供科學依據(jù)。

4 問題與建議

(1)灰霾監(jiān)測點位較少,分布不均勻,只能從小尺度反映局地污染,尚難反映出整個城市灰霾分布特點與發(fā)展趨勢。

(2)相對于常規(guī)項目監(jiān)測設備,部分灰霾監(jiān)測儀器種類繁多,有些監(jiān)測原理缺乏權威驗證,有些儀器缺少嚴格的質量保證控制手段,不能進行有效地比對和計量,監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性難以把握,建議盡快統(tǒng)一并制定灰霾監(jiān)測儀器的標準方法、質控方法和計量方法。

(3)南京站目前的灰霾監(jiān)測系統(tǒng)還有待完善,氣象監(jiān)測、顆粒物組分分析等方面需增加有機碳/無機碳、氣溶 3膠光學厚度 (AOD)、風廓線、大氣穩(wěn)定度等的監(jiān)測,以利于從不同角度研究灰霾的污染程度、來源解析和形成機理。

(4)灰霾監(jiān)測系統(tǒng)提供了海量的數(shù)據(jù),對于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和評價,目前沒有國家標準和規(guī)范可循,建議盡快制定細顆粒物濃度國家評價標準。

5 結語

南京市灰霾自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設為灰霾的深入研究提供了可能,取得了初步的成果。灰霾自動監(jiān)測系統(tǒng)的日常運行積累了一些經驗,有利于制定灰霾監(jiān)測的規(guī)范和標準。

灰霾自動監(jiān)測起步較晚,運行時間較短,使用過程中還存在很多問題,對于灰霾的研究尚處于初級階段。鑒于灰霾監(jiān)測和研究的復雜性和長期性,尚需進行長期的深入的研究和實踐,拓展監(jiān)測方式和項目,完善監(jiān)測系統(tǒng),最終建設灰霾監(jiān)測的超級站,涵蓋了顆粒物濃度監(jiān)測、氣象條件監(jiān)測、粒徑譜監(jiān)測、顆粒物組分分析和源解析、能見度觀測、垂直探測、遙感探測等,更好地為灰霾監(jiān)測與研究服務。

[1]中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[S].2003:25.

[2]王佳,韓見弘,黃蕊.淺析灰霾的形成和危害[J].內蒙古科技與經濟,2007,147(17):37.

[3]陸曉波,許建華.一次典型灰霾天氣過程及成因分析[J].環(huán)境監(jiān)控與預警,2009 1(1):10-13.

D iscussion on the Construction of Dust Haze AutomaticallyM on itoring System

ZHANGWei1,LU Xiao-bo1,J IANG Yong2
(1.Nanjing EnvironmentalMonitoring Central Station,Nanjing,Jiangsu 210013,China;2.Jiangsu Provincial EnvironmentalMonitoring Center,Nanijing,Jiangsu 210036,China)

Dust haze autom atically m onitoring in China started fairly late and the standards and system w ere not established.Research on dust haze w as currently in the prim ary stage and cities participated only in a short period of tim e.The system construction and operation w ere still being improving.Introduced the construction process,operation m anagem ent and application of dust haze autom atically m onitoring in N anjing by an example.

dust haze autom atically m onitoring;system construction;N anjing

X 831

B

1674-6732(2010)-06-0015-03

10.3969/j.issn.1674-6732.2010.06.005

2010-02-03;

2010-03-08

張偉(1976—),男,工程師,本科,從事環(huán)境監(jiān)測工作。