關(guān)注生態(tài)文明建設(shè)及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，迎接“十三五”到來

北京市自動化系統(tǒng)成套工程公司 卞正崗

關(guān)注生態(tài)文明建設(shè)及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，迎接“十三五”到來

北京市自動化系統(tǒng)成套工程公司 卞正崗

1 前言

近悉國務(wù)院辦公廳印發(fā)了“生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案”。明確指出了生態(tài)文明監(jiān)測是生態(tài)環(huán)境保護的基礎(chǔ)，是生態(tài)文明建設(shè)的重要支撐。所以從事自動化科學(xué)技術(shù)的人們，有必要系統(tǒng)地學(xué)習(xí)生態(tài)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)、生態(tài)文明、生態(tài)文明建設(shè)等關(guān)鍵詞相關(guān)的學(xué)科、工程技術(shù)、社會需求、經(jīng)濟價值等方面的內(nèi)涵，這就像以往我們深入了解工業(yè)中被控制對象，如流程工業(yè)中塔、釜、罐、機、泵等，及相關(guān)系統(tǒng)一樣。只有這樣，我們才能參與到生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)之中，為生態(tài)文明建設(shè)做好服務(wù)。

2 生態(tài)文明建設(shè)

人們在物質(zhì)文明和精神文明發(fā)展的過程中，特別是在工業(yè)化和四個現(xiàn)代化建設(shè)過程中、在城市化的過程中，對原來純自然生態(tài)（生物的生理特性和生活習(xí)性）的研究已經(jīng)覺得很不夠了，必須要考慮自然環(huán)境所受到的干擾（人類開發(fā)活動等），從而生態(tài)學(xué)（ecology）發(fā)展出城市生態(tài)學(xué)、工程生態(tài)學(xué)及人類生態(tài)學(xué)等。

作為研究生物與環(huán)境相關(guān)關(guān)系的生態(tài)學(xué)，20世紀(jì)中葉得到了發(fā)展。我國在1956年制定的12年科學(xué)發(fā)展規(guī)劃中，生態(tài)環(huán)境和高能物理、計算機、自動化等學(xué)科并列，50年代派出的留蘇學(xué)生中，就有這方面的專業(yè)人士。

我國自動化學(xué)科和生態(tài)學(xué)專家們對人口控制方面的研究和實踐受到了國際好評。聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會以來，我國在可持續(xù)發(fā)展的理論和實踐方面，一直是走在世界的前列。

20世紀(jì)30～40年代，Tansley提出了生態(tài)系統(tǒng)（ecosystem）概念，為認(rèn)識和解決當(dāng)代的生態(tài)問題、環(huán)境問題進行了理論準(zhǔn)備。生態(tài)系統(tǒng)由生產(chǎn)者（如綠色植物）、消費者（如動物）、分解者（如微生物）和非生命物質(zhì)（無機界）四部分組成。其功能是物質(zhì)循環(huán)和能量流動。隨著人口、資源、環(huán)境等全球性問題的激化，生態(tài)系統(tǒng)的非線性思維方法的進入，出現(xiàn)了舉世聞名的國際生物學(xué)計劃（IBP）和人與生物圈計劃（MAB），以及防治荒漠化等一系列計劃，使生態(tài)系統(tǒng)工程學(xué)及各種半人工生態(tài)系統(tǒng)、人工生態(tài)系統(tǒng)及復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)得到發(fā)展。有鑒于歐、美、日等發(fā)達國家，在經(jīng)濟發(fā)展過程中生態(tài)環(huán)境資源等方面的教訓(xùn)，我們不能走“先發(fā)展、后治理”的老路，所以要進行生態(tài)文明建設(shè)。文明者，乃當(dāng)時先進的文化也，或者說是具有當(dāng)代水平的科學(xué)和文化，是社會發(fā)展到較高階段的行為準(zhǔn)則和物質(zhì)財富、精神財富的綜合體，所以我們當(dāng)下要以人為本，要按法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)辦監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，要公平、公正、公開，這就是我們生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的要求，這樣做就算是文明了。

生態(tài)文明建設(shè)涉及眾多行業(yè)，與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的，如美國長期生態(tài)網(wǎng)絡(luò)（LTER）、英國環(huán)境變化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（ECN）、德國陸地生態(tài)學(xué)研究網(wǎng)絡(luò)（TERN）等，及亞洲—太平洋地區(qū)全球變化研究網(wǎng)絡(luò)（APN）、亞洲農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（APAN）等，還有全球性的全球環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、全球海洋觀測網(wǎng)絡(luò)（GOOS）、全球陸地觀測網(wǎng)絡(luò)（GTOS）等，還有全球分析、研究和培訓(xùn)系統(tǒng)（START）等。在我國1988年開始籌建的中國科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）建設(shè)，就屬于這一類，對應(yīng)基礎(chǔ)臺站包括農(nóng)業(yè)、森林、草原、湖泊、海洋的29個基本臺站，新建的水分、土壤、大氣和生物5個學(xué)科分中心及1個綜合研究中心，還有各行業(yè)的定位研究站，如林業(yè)部門的11個森林定位研究觀測站。其他建設(shè)項目或已運行的項目下面會談到，雖然這些文明建設(shè)項目有一定的學(xué)術(shù)目的，但當(dāng)下所指的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

方案應(yīng)該涵蓋它，或者作頂層設(shè)計時要有它們一席之地。

3 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

根據(jù)建設(shè)方案要求：

（1）到2020年，全國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基本實現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量、重點污染源、生態(tài)狀況監(jiān)測全覆蓋，各級各類監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)互聯(lián)共享，監(jiān)測預(yù)報預(yù)警、信息化能力和保障水平明顯提升，監(jiān)測與監(jiān)管協(xié)同聯(lián)動，初步建成陸海統(tǒng)籌、天地一體、上下協(xié)同、信息共享的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，使生態(tài)環(huán)境監(jiān)測能力與生態(tài)文明建設(shè)要求相適應(yīng)。

（2）全面設(shè)點完善生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。關(guān)于環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點位，建設(shè)涵蓋大氣、水、土壤、噪聲、輻射等要素，建立統(tǒng)一的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；健全重點污染源監(jiān)測制度，落實信息公開的法定責(zé)任，國家重點監(jiān)控排污單位建設(shè)穩(wěn)定運行的污染物排放在線監(jiān)測系統(tǒng)；加強生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。建立天地一體化的生態(tài)遙感監(jiān)測系統(tǒng)，研制發(fā)射系列化的大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星和后續(xù)星并組網(wǎng)運行，加強無人機遙感監(jiān)測和地面生態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)對重要生態(tài)功能區(qū)、自然保護區(qū)等大范圍、全天候監(jiān)測。

（3）全國聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測信息集成共享。建立生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)集成共享機制，環(huán)保、國土資源、住房城鄉(xiāng)建設(shè)、交通運輸、水利、農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生、林業(yè)、氣象、海洋等部門和單位獲取的環(huán)境質(zhì)量、污染源、生態(tài)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)要實現(xiàn)有效集成、互聯(lián)共享，建立重點污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布機制，重點排污單位要按照環(huán)境保護部門要求將自行監(jiān)測結(jié)果及時上傳；構(gòu)建生態(tài)環(huán)境監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺，開展大數(shù)據(jù)并聯(lián)分析，提供決策、管理和執(zhí)法相關(guān)數(shù)據(jù)支持；統(tǒng)一發(fā)布生態(tài)環(huán)境監(jiān)測信息，建立發(fā)布機制，規(guī)范發(fā)布內(nèi)容、流程、權(quán)限、渠道。

（4）自動預(yù)警，科學(xué)引導(dǎo)環(huán)境管理與風(fēng)險防范。

（5）依法追責(zé)，建立生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與監(jiān)管聯(lián)動機制。

（6）健全生態(tài)環(huán)境監(jiān)測制度與保障體系。除法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測事權(quán)、監(jiān)測市場外，還提出強化監(jiān)測科技創(chuàng)新等能力，如研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備，推進監(jiān)測儀器設(shè)備國產(chǎn)化，又如積極開展國際合作，借鑒監(jiān)測科技先進經(jīng)驗，提升我國技術(shù)創(chuàng)新能力，還具體指出提高樣品采集、實驗室測試分析及現(xiàn)場快速分析測試能力等。

對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)具體方案，筆者提出如下參考意見：

· 對多年來已建成并運行的基層站點，要盡量使用并升級換代。

· 盡量采用先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，應(yīng)盡量按照行政區(qū)劃，實行網(wǎng)格化，對省、地、區(qū)，應(yīng)打包提供標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和裝備，實行政府采購，規(guī)范化建設(shè)驗收，按COTS（Commercial-off-the-sheff technology）原則選擇硬件和軟件。

· 采用3S技術(shù)（遙感RS、地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS），其中GIS和GPS更應(yīng)普遍采用，使其形成的時間標(biāo)簽、地理標(biāo)簽在整個網(wǎng)絡(luò)中的所有信息上都得到通行。要讓遙感技術(shù)結(jié)合無人機技術(shù)在土地資源、生物資源（農(nóng)作物）、水資源、礦產(chǎn)資源等的調(diào)整勘測、動態(tài)監(jiān)測、開發(fā)利用和保護等方面都見到實效并普及。

· 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中運行的各種數(shù)據(jù)，或稱信息類型，具有多樣性。由上文已經(jīng)知道有不只一般的站點的物理量或稱連續(xù)量如溫度、壓力、流量及濁度、粒度、物理分析等數(shù)值；還有化學(xué)量或稱分析量，有的是光譜、色譜、質(zhì)譜，轉(zhuǎn)化后才能成為數(shù)值及化學(xué)分子式；有的是圖像、文字、表格、視頻等。獲取信息的取樣方式也是多種多樣的，固定地點的自動連續(xù)采樣當(dāng)然是主要內(nèi)容形式；但手工方式采樣、實驗室分析，數(shù)值手工錄入計算機的方式也很常見；便攜式分析儀、車載式測控設(shè)備也是常用的設(shè)備。所以對網(wǎng)絡(luò)提出了無線傳輸、多媒體傳輸?shù)雀鞣矫嬉?，而且對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層配套軟件要求較高。

· 對大數(shù)據(jù)平臺與云計算等應(yīng)該同時給予充分重視。對于數(shù)據(jù)庫，應(yīng)該實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫并重。硬件、軟件均應(yīng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，應(yīng)用軟件要采用“組態(tài)”方式操作，便于非計算機專業(yè)技術(shù)人員參與。

· 在監(jiān)測的同時，不少站點也對監(jiān)控或污染治理等方面有所要求，這對監(jiān)測取得數(shù)據(jù)也是很有利的，所以應(yīng)該鼓勵。下面結(jié)合固定源排放廢氣連續(xù)監(jiān)測等展開敘述，希望這樣可為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，提供感性認(rèn)識。

4 廢氣和水質(zhì)等的監(jiān)測現(xiàn)狀

4.1 固定源排放廢氣連續(xù)監(jiān)測

由于我國對固定源排放廢氣中的污染物實行濃度控制和總量控制，所以近十年來，我國安裝了1.8萬套連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)CEMS（Continuous Emission Monitoring System），具體標(biāo)準(zhǔn)有HJ/T75固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范、HJ/T76固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及監(jiān)測方法、HJ/T212污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具體監(jiān)測二氧化硫、氮氧化物和顆粒物，為污染物排放總量考核、監(jiān)督執(zhí)法、排污申報核定等工作提供基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)，提高環(huán)境監(jiān)測和管理水平，也為流程工業(yè)企業(yè)，決定本企業(yè)的鍋爐、加熱爐等燃燒控制等工藝方面的對策提供幫助。目前我國這方面的制造廠商有近100家，已形成產(chǎn)業(yè)，還有成套工程、售后服務(wù)、為運行保駕護航的全生命周期服務(wù)能力。

生產(chǎn)數(shù)量最多的CEMS系統(tǒng)是完全抽取煙氣樣品，然后用非分散紅外分析儀監(jiān)測SO2、NOx；其次是直接監(jiān)測系統(tǒng)和稀釋抽取監(jiān)測系統(tǒng)。國內(nèi)生產(chǎn)廠和在我國有生產(chǎn)基地或通過我國適用性監(jiān)測的外國公司有：完全抽取-非分散紅外法（52家，艾默生等大多數(shù)公司為紅外分析儀，聚光等3家為紫外分析儀）、直接監(jiān)測紫外差分吸收法（5家）、稀釋抽取-發(fā)光法（4家）、顆粒物CEMS，流速（流量）和含濕量連續(xù)測量系統(tǒng)（3家）、分析儀多反射長光程吸收池（5家）。近來國內(nèi)對PM2.5監(jiān)測儀需求大增，青島佳明公司等單位已進行了開發(fā)。還有對大氣中揮發(fā)性有機物（VOCs）的監(jiān)測，也受到重視。

目前還試點燃煤電廠排放煙氣中汞的連續(xù)自動監(jiān)測、超聲波流速測定儀解決低流速（≤3m/s）煙氣測定、適應(yīng)寬范圍氣體濃度的測定等項技術(shù)，實現(xiàn)由“點末端監(jiān)控”向“全過程監(jiān)控”的轉(zhuǎn)變，協(xié)調(diào)實驗室檢測項目、便攜式儀器檢測項目等，適應(yīng)新形勢下對生態(tài)文明的要求。

4.2 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

由于環(huán)保的要求，水質(zhì)在線分析儀表及系統(tǒng)已經(jīng)成了環(huán)保部門對轄區(qū)水質(zhì)狀況進行實時監(jiān)測的主要手段，已能夠?qū)崟r、連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地提供準(zhǔn)確、快速的監(jiān)測數(shù)據(jù)。作為水質(zhì)自動監(jiān)測，還要實行遠(yuǎn)程監(jiān)控，達到掌握主要流域重點斷面水體的水質(zhì)狀況、預(yù)警預(yù)報重大或流域性水質(zhì)污染事故、解決跨行政區(qū)域的水污染事故糾紛、監(jiān)督總量控制、排放達標(biāo)情況等目的。在水質(zhì)自動監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，中心站通過衛(wèi)星和電話撥號兩種通訊方式實現(xiàn)對子站的實時監(jiān)視，托管站也可以通過電話撥號方式實現(xiàn)對所托管子站的實時監(jiān)控。每個子站是一個獨立的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，一般子站有一臺或多臺的多參數(shù)水質(zhì)自動化分析儀組成，另有固定式子站和流動式子站（拖車—監(jiān)測小屋）共三種。子站分采水單元、配水單元、分析單元、控制單元、子站站房及配套設(shè)施。分析單元即水質(zhì)在線分析儀表，如廣州怡文環(huán)境科技有限公司的EST-WQMS整體柜式水質(zhì)自動監(jiān)測站，具有小型化、模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的特點。

一般監(jiān)測項目有常規(guī)五參數(shù)分析儀（水溫、pH、溶解氧DO、電導(dǎo)率、濁度）、常用監(jiān)測項目（化學(xué)需氧量COD、高錳酸鹽指數(shù)、總有機碳TOC、氨氮總氮、總磷）、其它監(jiān)測項目（氟化物、氯化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氰化物、硫酸鹽、磷酸鹽、活性氯、生化需氧量BOD5、石油類、酚、葉綠素、金屬離子如六價鉻等），這些項目國內(nèi)分析儀生產(chǎn)廠有100多家。在工業(yè)用水中，軟化及除鹽水處理中，有硬度在線分析儀、二氧化硅在線分析儀；循環(huán)冷卻水處理中有濁度/懸浮物分析儀；凝結(jié)水應(yīng)用中，有鈉離子分析儀等。其中鈉離子分析儀監(jiān)測水汽聯(lián)合裝置化學(xué)水系統(tǒng)的陽床運行，克服了實驗室分析不夠及時的缺點，水處理質(zhì)量提高，并可快速判斷床層是否失效。又為了防止在蒸汽冷凝水和冷卻水中滲入芳烴化合物，采用如賽默飛世爾公司的Arospector在線芳烴分析儀，使用脈沖紫外熒光分析法，為我們提供了解決方案。

目前國內(nèi)在水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)發(fā)展中，一方面對在線分析儀如COD、TOC、BOD、氨氮、總氮、總磷等儀表靈敏度、可靠性、新分析方法的采用及商品化程度等還有較大差距；另一方面就是遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)及形成中心站、托管站、托管子站的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展上，還要適應(yīng)通信技術(shù)進步，實現(xiàn)升級換代。流動式子站應(yīng)與固定式子站同樣得到發(fā)展。

原污染源排放口一般安裝COD在線分析儀，“十三五”期間已進一步安裝氨氮在線分析儀及總磷在線分析儀。氨氮濃度及正磷酸鹽濃度的控制，已經(jīng)為污水處理廠工藝優(yōu)化立下了汗馬功勞。目前國內(nèi)已有30多家企業(yè)有認(rèn)證合格的相關(guān)產(chǎn)品。在2003年我國頒布的“氨氮水質(zhì)自動分析儀技術(shù)要求”（HJ/T101-2003）標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了地表水、工業(yè)污水和市政污水的基本電極法和分光光度法的氨氮水質(zhì)自動分析儀的技術(shù)性能要求和性能試驗方法。

4.3 最后提醒

建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，不要忘了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)賴以立足的實驗室的建設(shè)，LIMS實驗室信息管理系統(tǒng)是必須受到重視的。我們要像錢學(xué)森等老前輩關(guān)注園林園藝、秸稈處理等與生態(tài)文明建設(shè)有關(guān)的事那樣，貢獻余熱。

卞正崗（1936-），男，教授級高級工程師，1961 年畢業(yè)于清華大學(xué)電機系，早年從事電機及微型電機研究，后多年從事工業(yè)自動化儀表、集散系統(tǒng)和現(xiàn)場總線的研制和自動化系統(tǒng)集成的工程實踐，享受政府特殊津貼，曾任北京市自動化系統(tǒng)成套工程公司總工程師?，F(xiàn)為中國自動化學(xué)會科普工作委員會委員，曾獲得有色總公司科技進步一等獎和國家機械總局科技進步三等獎。