廣州市港口環(huán)境空氣自動監(jiān)測的構(gòu)建及實現(xiàn)

(1.廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣州 510030； 2.廣州市環(huán)境技術(shù)中心，廣州 510180)

1 引言

港口作為運輸服務(wù)綜合設(shè)施，依托航道、碼頭泊位、集疏運設(shè)施與通道，與水運、陸運和空運等緊密聯(lián)系，在全球物流鏈系統(tǒng)中，對貨物進行區(qū)域性集散整合[1]。2017年，進入全球集裝箱吞吐量前10名港口，中國大陸有6名，為上海、寧波-舟山、深圳、青島、廣州和天津[2]。這些港口多集中在珠三角、長三角、環(huán)渤海等人口稠密地區(qū)。美國長灘港的研究發(fā)現(xiàn)，船舶在停泊時的排放可占到其總排放的41%，幾乎等同于水上運輸時的排放量。燃用重油的大型低速柴油機排氣中排放大量的PM、NOx、SOx、CO[3],研究表明，船舶排放占全球NOx排放的7%，占全球SOx排放的4%[4]。這些排放中70%以上是在海岸線400公里內(nèi)的區(qū)域產(chǎn)生的，從而對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成較大威脅。據(jù)測算，一艘中到大型集裝箱船，如果使用含硫量為3.5%的船用燃料油，并以70% 最大功率的負(fù)荷行駛，那么一天排放的PM2.5污染物相當(dāng)于50萬輛國IV貨車一天的排放量。上海港船舶排放對SO2、NOx和PM2.5的排放分擔(dān)率分別達(dá)到12.0%、9.0%和5.3%[5]。廣州市2016年度PM2.5來源解析結(jié)果顯示船舶源占比達(dá)8.9%[6]，船舶的排放對廣州環(huán)境空氣質(zhì)量改善影響較大。宋亞楠的研究表明，天津、唐山、秦皇島、黃驊四大港口2013年各大污染物排放量均達(dá)到萬噸左右，且船舶越靠近港口，其排放密度越大，距離港口15海里范圍內(nèi)，是排放最密集的區(qū)域[7]。港口區(qū)域特別是位于珠江河口內(nèi)的港口對廣州市環(huán)境空氣的影響已經(jīng)不容忽視，對港口碼頭環(huán)境空氣質(zhì)量的監(jiān)測研究，掌握港口污染特征顯得非常必要。

我國的船舶大氣污染防治工作起步較晚，存在法律、標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，船舶污染排放清單編制工作滯后，監(jiān)管信息不完善，并且缺乏準(zhǔn)確高效的監(jiān)測、檢測設(shè)備等問題[8]。為及時、準(zhǔn)確掌握船舶港口碼頭區(qū)域空氣質(zhì)量狀況及其對周邊區(qū)域及城市空氣質(zhì)量的影響，建設(shè)港口碼頭專題空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站，開展業(yè)務(wù)化監(jiān)測，為加大港口船舶污染排放治理、實現(xiàn)區(qū)域聯(lián)防聯(lián)治提供技術(shù)支撐。

2 選址

為研究港口對城市環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，開展港口監(jiān)測首選距離廣州市中心城區(qū)較近，珠江口內(nèi)的港口；為了能夠更好的研究比對，所選港口附近最好能有已經(jīng)開展監(jiān)測的空氣質(zhì)量監(jiān)測點位。廣州市黃埔老港區(qū)(以下建成“黃埔港”)符合以上選址標(biāo)準(zhǔn)。黃埔港歷史悠久，是中國古代“海上絲綢之路”的起點和我國最早的一類通關(guān)口岸之一，黃埔港位于南海珠江河口內(nèi)，廣州市東南部珠江口內(nèi)的北岸(113°26 16" E, 23°05 49" N)，廣州新中軸線東側(cè)，黃浦區(qū)西側(cè)，臨近天河區(qū)，距市地標(biāo)建筑廣州塔12公里，距香港88海里，航道水深9米。距離黃埔港最近的環(huán)境空氣自動站為“八十六中” 國控點(廣州市51個發(fā)布點之一)，直線距離約1公里，黃埔港的位置如圖1所示。

圖1 廣州市黃埔港地理位置圖

3 構(gòu)建及實現(xiàn)

為了能夠客觀反映廣州黃埔港及周邊空間范圍內(nèi)的環(huán)境空氣質(zhì)量水平和變化規(guī)律，監(jiān)測黃埔港對其周邊環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，監(jiān)測點位需要具備以下功能：①監(jiān)測方法實際可行，能夠在港口復(fù)雜的環(huán)境條件下開展監(jiān)測，且監(jiān)測點位距離港口水域不超過1km；②能夠監(jiān)測港口區(qū)域整體環(huán)境質(zhì)量的點位，具備掌握港口及其周邊區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量的狀況與特性，監(jiān)測數(shù)據(jù)科學(xué)可靠。

3.1 分析構(gòu)建

受港區(qū)內(nèi)建設(shè)場地以及安全的限制，長期在線開展環(huán)境空氣監(jiān)測難度較大，在合理設(shè)置港區(qū)的監(jiān)測點位的基礎(chǔ)上，綜合采用了不同監(jiān)測分析技術(shù)。

國標(biāo)法標(biāo)準(zhǔn)站(以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)站”)是開展環(huán)境空氣自動監(jiān)測最常用的方法，國標(biāo)法的技術(shù)成熟，監(jiān)測儀器種類齊全，儀器性能可靠，具備完善的一整套的采樣、分析以及校準(zhǔn)系統(tǒng)。但使用國標(biāo)法需要建設(shè)監(jiān)測站房，站內(nèi)必須接入通訊及電力。此外，標(biāo)準(zhǔn)站還需有配套的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，能夠完成站內(nèi)全部監(jiān)測項目的采集和存儲，具有很好的兼容性，既能夠采集常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)，也可以擴展采集非常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)。

港口作業(yè)區(qū)及周邊環(huán)境復(fù)雜，在港口開展施工建設(shè)需要面臨港口安全中的諸多問題[9]，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)站需要開展建設(shè)、用電和通訊施工，難度較大。鑒于此，必須綜合采用新型的、靈活的監(jiān)測技術(shù)，功能設(shè)計要求包括：①體積小，部署靈活；②具備市政220V供電和太陽能供電兩種方式；③在無市政供電的情況下，要能夠在無外接電源時能夠保持連續(xù)工作不少于30天；④能夠自動存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時具備無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的能力；⑤校準(zhǔn)手段靈活。

3.2 設(shè)計實現(xiàn)

在具備有建站條件的地方建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)站，參照環(huán)保部有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，其中監(jiān)測點、采樣口及監(jiān)測項目等的設(shè)置參考了《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位布設(shè)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 664-2013)中的要求，包括了對采樣口周圍環(huán)境，采樣口周圍水平面空間、周圍環(huán)境狀況等要求[10]。監(jiān)測常規(guī)六項指標(biāo)(SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5)的監(jiān)測點位及環(huán)境等的要求參考了《環(huán)境空氣顆粒物(SO2、NO2、O3、CO)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝和驗收技術(shù)規(guī)范》(HJ 193-2013)和《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝和驗收技術(shù)規(guī)范》(HJ 655-2013)，包括了對系統(tǒng)的組成及原理、安裝、調(diào)試和試運行等要求[11，12]。

微型站采用的主要是傳感器法，即采用電化學(xué)、光學(xué)等的傳感器開展監(jiān)測。傳感器法微型站(以下簡稱“微型站”)具有體積小巧，點位布設(shè)靈活(可布設(shè)在一根支撐桿上，無需站房建設(shè))；時間分辨率高；功耗小，可采用太陽能供電；可以采用無線通訊方式傳輸數(shù)據(jù)。

黃埔港有碼頭岸線2858米，生產(chǎn)用碼頭泊位16個，其中萬噸級泊位10個(洪圣沙碼頭核算靠泊船舶噸級5萬噸級泊位2個)；港內(nèi)萬噸級作業(yè)錨地4個。港區(qū)占地總面積99萬平方米，年吞吐能力達(dá)3000萬噸以上，國際集裝箱年吞吐能力達(dá)90萬標(biāo)準(zhǔn)箱以上[13]。綜合黃埔港的實際特點，在距離江邊300米的黃埔港北岸即為成熟的城市建成區(qū)，配套設(shè)施齊全，具備站房建設(shè)條件，因此使用國標(biāo)法開展監(jiān)測；黃埔港作業(yè)區(qū)周邊，碼頭工作繁忙，車輛及大型機械眾多，站房建設(shè)困難，因此采用傳感器法開展監(jiān)測。

為了能夠覆蓋黃埔港作業(yè)區(qū)，同時結(jié)合廣州不同季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向(夏季為東南風(fēng)，冬季為西北風(fēng))，監(jiān)測點位的布設(shè)采用了南北邊界布設(shè)、點位間隔均勻的設(shè)計方案。最終完成的監(jiān)測點位分布如圖2所示，①在港口作業(yè)區(qū)南北邊界外圍布設(shè)5個微型站(圖2中白色點位)，可以監(jiān)測南北不同主導(dǎo)風(fēng)向時，監(jiān)測數(shù)據(jù)差異；②微型站監(jiān)測點位沿著黃埔港作業(yè)區(qū)邊界布設(shè)，并覆蓋了內(nèi)河通航水域，針對性很強；③5個微型站間基本為等間距分布，平均間距1.2km，最小間距為0.83km，最大間距為1.4km，避免空間間距過大帶來的差異；④在作業(yè)區(qū)的北岸設(shè)置1個標(biāo)準(zhǔn)站(圖2中五星點位)，標(biāo)準(zhǔn)站距離“八十六中”國控點1.4km，可以實現(xiàn)比對分析的功能；⑤標(biāo)準(zhǔn)站與各微型站間距離均小于1.5km，可以實現(xiàn)與微型站監(jiān)測數(shù)據(jù)的比對和校準(zhǔn)的功能。

圖2 監(jiān)測點位分布圖

標(biāo)準(zhǔn)站數(shù)據(jù)系統(tǒng)包括子站段數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和中心端數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)兩部構(gòu)成，具備通用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：①子站系統(tǒng)由工控機和數(shù)據(jù)采集軟件構(gòu)成，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，對每次采集的數(shù)據(jù)進行編碼后組成數(shù)據(jù)發(fā)送條，數(shù)據(jù)條內(nèi)容主要包括時間、站點編號、監(jiān)測項目名稱、濃度、儀器報警信息、開始和結(jié)束標(biāo)識符等；②中心系統(tǒng)由中心系統(tǒng)服務(wù)器和系統(tǒng)軟件組成，按照子站系統(tǒng)相同的通訊協(xié)議編寫的系統(tǒng)軟件，接受子站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；③通訊系統(tǒng)采用ADSL作為主通訊網(wǎng)絡(luò)，無線輔助通訊網(wǎng)絡(luò),無線網(wǎng)絡(luò)作為備份網(wǎng)絡(luò)，主副通訊網(wǎng)絡(luò)自動切換，確保通訊正常。如圖3所示，建設(shè)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)能夠采集常規(guī)六項監(jiān)測指標(biāo)，同時可以滿足拓展項目采集的需求。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)站數(shù)據(jù)系統(tǒng)

3.3 質(zhì)量控制

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)站質(zhì)量控制

標(biāo)準(zhǔn)站的質(zhì)控可以參照現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：對氣態(tài)監(jiān)測項目(SO2、NO2、CO、O3)的零點、跨度點、精密度檢查采用自動方法，檢查結(jié)果自動形成報表；標(biāo)準(zhǔn)站的監(jiān)測質(zhì)量審核的很大部分工作及流程目前已經(jīng)智能化自動的開展實施[14]，對于顆粒物監(jiān)測只能手工開展的部分質(zhì)控工作，包括定時完成采樣流量檢查和標(biāo)定、切割頭的清洗、分析儀器噴嘴的檢查和清洗、動態(tài)加熱、溫度、壓力和氣密性的檢查等質(zhì)控工作，可以在子站定期巡檢時完成。標(biāo)準(zhǔn)站的質(zhì)控目前已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、流程化，可以很好的保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3.3.2 微型站質(zhì)量控制

微型站的監(jiān)測質(zhì)量控制，目前可供參考的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少；微型站體積小，集成度高，沒有類似標(biāo)準(zhǔn)站的校準(zhǔn)系統(tǒng)，無法按照標(biāo)準(zhǔn)站一樣的質(zhì)量控制及管理方法，這樣容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量不可控的情況。研究使用外場比對的方法，對微型站開展質(zhì)量控制工作：將微型站和標(biāo)準(zhǔn)站統(tǒng)一在同一個實驗場，開展為期不少于7日的比對，利用比對數(shù)據(jù)來對微型站儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評判，并因此開展相關(guān)的質(zhì)量控制工作。2017年11月24日至30日，在廣州塔地面站開展了5個傳感器法微型站和國標(biāo)法標(biāo)準(zhǔn)站的外場比對測試，測試結(jié)果見圖4所示。7天比對期間，儀器全部能夠正常運行，數(shù)據(jù)完整有效。由圖4可知，5個微型站與標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)間趨勢較一致，顆粒物濃度的高值區(qū)和低值區(qū)時間段、SO2在峰值、NO2和CO的早晚雙峰特點、臭氧午間13時左右的峰值特點等得到了反映。

圖4 微型站室外比對數(shù)據(jù)圖

為進一步檢驗5個微型站數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使用了一元線性回歸對數(shù)據(jù)進行分析，同時參考河北省地方標(biāo)準(zhǔn)《大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)安裝驗收與運行技術(shù)規(guī)范》(DB13/T 2546—2017)[15](參數(shù)要求見表1、表2)，檢查了各比對參數(shù)情況，分析結(jié)果見表3所示。

表1 顆粒物檢查指標(biāo)

表2 氣態(tài)污染物檢測指標(biāo)

表3 微型站室外比對結(jié)果

續(xù)表3

7天的室外外場比對結(jié)果可知，5個微型站與標(biāo)準(zhǔn)站六項監(jiān)測指標(biāo)均具有較好的線型關(guān)系，絕對誤差和相對誤差均優(yōu)于河北省地方標(biāo)準(zhǔn)的限值要求，監(jiān)測結(jié)果可信。此外，外出比對數(shù)據(jù)可以用于微型站的校準(zhǔn)，如果發(fā)現(xiàn)比對監(jiān)測數(shù)據(jù)相差較多，可以通過微型站內(nèi)置程序進行比對校準(zhǔn)。

3.3.3 長期運行質(zhì)量控制

廣州港口環(huán)境自動監(jiān)測構(gòu)建后，開展24小時連續(xù)監(jiān)測，標(biāo)準(zhǔn)站采用國標(biāo)方法，監(jiān)測數(shù)據(jù)具備評價的能力，數(shù)據(jù)質(zhì)量要求高，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)質(zhì)控要求開展；微型站設(shè)置的主要作用是在不同季節(jié)、不同主導(dǎo)風(fēng)向下，通過趨勢來對黃埔港對周邊環(huán)境空氣的影響的研判提供趨勢性的分析。因此，根據(jù)功能和設(shè)備類型的不同，對標(biāo)準(zhǔn)站和微型站采用不同的質(zhì)控方式：

標(biāo)準(zhǔn)站的主要質(zhì)量控制措施：①氣態(tài)四項指標(biāo)(SO2、NO2、CO、O3)每天1次零點檢查，每周1次跨度檢查，每季度一次精密度審核，每半年1次NO2轉(zhuǎn)換爐的轉(zhuǎn)換效率檢查；如檢查超過控制限，則進行校準(zhǔn)，如發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率達(dá)不到要求則需要更換；②顆粒物(PM10、PM2.5、PM1)：每月1次采樣頭清潔及加熱裝置檢查，每月1次檢漏及流量檢查，每季度1次溫度和壓力檢查，每半年1次標(biāo)準(zhǔn)膜檢查；如檢查超過控制限，則進行校準(zhǔn)和更換。

微型的主要質(zhì)量控制措施：①微型站基于傳感器法，存在受溫度、濕度、環(huán)境干擾及時間特征漂移等問題。微型站一般都具有后臺校準(zhǔn)功能，即利用微型站與鄰近的標(biāo)準(zhǔn)站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，利用算法進行后臺軟件校準(zhǔn)，這種方式需要微型站與標(biāo)準(zhǔn)站間距離不能太遠(yuǎn)。在對黃埔港環(huán)境空氣自動監(jiān)測的構(gòu)建時，在能夠滿足對港區(qū)覆蓋監(jiān)測的基礎(chǔ)上，標(biāo)準(zhǔn)站與微型站間距離設(shè)置最大不超過1.5km，滿足進行后臺校準(zhǔn)的要求，可以隨時進行后臺校準(zhǔn)；②可利用備用設(shè)備，放置于標(biāo)準(zhǔn)站樓頂，開展長時期序列的外場比對，可定期對各微型站進行輪換；③對更換后的維修站，通過外場比對，如數(shù)據(jù)偏差較大，則進行更換維修；④定期(一般2～3個月)用高壓氣源吹掃傳感器。

4 結(jié)語

2017年7月，在廣州黃埔港選址開展環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測，結(jié)合廣州市不同季節(jié)的的風(fēng)向，監(jiān)測范圍分布在黃埔老港的5個不同方位；探索使用微型站和標(biāo)準(zhǔn)站相結(jié)合的方式對港口區(qū)域開展監(jiān)測，為在港口復(fù)雜環(huán)境下開展環(huán)境空氣自動監(jiān)測提供參考；探索采用外場比對的方式開展微型站的質(zhì)量控制，為提高微型站監(jiān)測質(zhì)量提供參考。