淺談我國大氣、水及土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展

俞 衛(wèi)

（昆山市環(huán)境科學(xué)研究所 江蘇蘇州 215300）

引言

環(huán)境監(jiān)測技術(shù)作為我國現(xiàn)代環(huán)境科學(xué)的一個(gè)重要的分支領(lǐng)域，主要是通過對各種環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的系統(tǒng)性調(diào)查和研究來測定各種可能影響環(huán)境質(zhì)量的因素的代表值并針對這些因素進(jìn)行了綜合評估和分析，從而判斷出環(huán)境的質(zhì)量或者受到污染的嚴(yán)重程度以及其變化趨勢,環(huán)境監(jiān)測這一具有系統(tǒng)性的工作可以為我國的環(huán)境治理和社會(huì)環(huán)境建設(shè)發(fā)展提供基礎(chǔ)和依據(jù)[1]。

在我國的環(huán)境科學(xué)體系中，環(huán)境監(jiān)測工作作為一個(gè)基礎(chǔ)性的環(huán)節(jié)還可以為我國的環(huán)境管理、污染源防治控制、環(huán)境計(jì)劃等工作提供一個(gè)科學(xué)的依據(jù)，而我國環(huán)境科學(xué)的每一個(gè)分支領(lǐng)域都是以深入了解、評價(jià)環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢的數(shù)據(jù)為主要理論基礎(chǔ)，來針對性地進(jìn)行各種研究和設(shè)計(jì)并制定與環(huán)境相關(guān)的方政策和經(jīng)濟(jì)法規(guī)在科技迅猛發(fā)展的今天，提高監(jiān)測質(zhì)量對我國環(huán)境監(jiān)測工作的開展更是至關(guān)重要，更加大力地推進(jìn)監(jiān)測工作才能為其他各項(xiàng)環(huán)境保護(hù)工作奠基[2]。

1 環(huán)境監(jiān)測的對象和分類

隨著現(xiàn)代工業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)科學(xué)的進(jìn)步，環(huán)境監(jiān)測的范圍和內(nèi)容也得以有所拓寬，不僅僅是對于工業(yè)中各種污染源的監(jiān)測，現(xiàn)已逐漸發(fā)展為對于大環(huán)境的監(jiān)測，即環(huán)境監(jiān)控的對象從直接影響環(huán)境質(zhì)量的各種污染性因子擴(kuò)展為對于生物、生態(tài)變化等各種環(huán)境的監(jiān)控；從現(xiàn)階段的環(huán)境實(shí)時(shí)質(zhì)量目標(biāo)的確立，到未來進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量的預(yù)測。

2 環(huán)境監(jiān)測戰(zhàn)略的發(fā)展

20 世紀(jì)50 年代，我國生態(tài)與環(huán)境科學(xué)已經(jīng)開始向前進(jìn)步，成長為一門新興學(xué)科，生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測事業(yè)和我國生態(tài)與環(huán)境保護(hù)工作也一同展開，1978 年以后我國生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測事業(yè)逐步發(fā)展，回顧我國生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測事業(yè)的發(fā)展歷程，學(xué)者將其分為四個(gè)時(shí)期—初創(chuàng)期（1973-1980 年）、成長期（1980-2005年）、躍升期（2005-2012 年）、改革期（2012 年至今）[3]。

初創(chuàng)期我國的環(huán)境保護(hù)事業(yè)剛剛起步，環(huán)境監(jiān)測階段由被動(dòng)監(jiān)測轉(zhuǎn)為主動(dòng)監(jiān)測，監(jiān)測方向逐漸從生物監(jiān)測向生態(tài)監(jiān)測發(fā)展，但當(dāng)時(shí)存在監(jiān)測方法不規(guī)范、監(jiān)測數(shù)據(jù)不精確與監(jiān)測人員不專業(yè)等問題。而后中國在1979 年底成立了環(huán)境監(jiān)測總站，從此，中國環(huán)境監(jiān)測事業(yè)發(fā)展掀開了新的篇章。

在成長期，國家通過召開全國環(huán)境監(jiān)測會(huì)議起草討論并修改了多份文件使得我國環(huán)境監(jiān)測事業(yè)走向制度化、規(guī)范化道路，第四次全國環(huán)境監(jiān)測會(huì)議召開后，污染源監(jiān)測就成為了重點(diǎn)。

躍升期伊始，2005 年的“松花江特大污染事件”[4]促使了我國環(huán)境監(jiān)測預(yù)警體系的創(chuàng)建，我國環(huán)境監(jiān)測事業(yè)的焦點(diǎn)逐漸改為環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測。隨著新綱要的發(fā)布，對新時(shí)期的環(huán)境保護(hù)工作要求更高，即建立先進(jìn)的環(huán)境預(yù)警機(jī)制，完善公共服務(wù)型環(huán)境監(jiān)測體系，改善環(huán)境質(zhì)量狀況。

而進(jìn)入改革時(shí)期，黨的十八大將我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)文明建設(shè)擺在了更加重要的戰(zhàn)略地位，國務(wù)院也隨之頒布了“大氣十條”、“水十條”、“土十條”文件，更是加大了環(huán)境整治的力度，時(shí)至今日我國已建立起較為完整的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系、監(jiān)測管理體系、監(jiān)督技術(shù)體系和監(jiān)測技術(shù)保證體系等，所形成的國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)要素齊全、覆蓋全國、功能完善，主要以地面監(jiān)測為主、遙感監(jiān)測為輔，以污染監(jiān)測與生態(tài)監(jiān)測并重，所實(shí)施的大氣、水、土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃也初步獲得成效，所獲數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提高[5～8]。

3 環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展

隨著環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系的日漸完備，目前，已確立了環(huán)境空氣、地表水、噪聲、固定污染源、生態(tài)、固體廢物、土壤、生物等9 個(gè)要素的監(jiān)測技術(shù)路線[9]，但數(shù)據(jù)仍是環(huán)境監(jiān)測工作的生命線，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、真實(shí)、全面,才能保證環(huán)境監(jiān)測工作完成的質(zhì)量與效率?，F(xiàn)階段我國環(huán)境監(jiān)測質(zhì)控體系已漸漸完備，大氣、水、土壤監(jiān)測要素全覆蓋，故對此三要素的具體監(jiān)測技術(shù)發(fā)展進(jìn)行簡要總結(jié)。

3.1 大氣監(jiān)測技術(shù)發(fā)展

空氣中各種大氣污染物的數(shù)量龐雜，按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 中規(guī)定的各種大氣污染物監(jiān)測項(xiàng)目要求來合理地確定空氣監(jiān)測的項(xiàng)目，分為必測項(xiàng)目和選擇性監(jiān)測項(xiàng)目，必測的項(xiàng)目主要有SO2、NOx、PM2.5、PM10、CO、O3，選測項(xiàng)目主要有鉛、氟化物、苯并[a]芘、有毒有害有機(jī)物，每種污染物皆有多種方法監(jiān)測，具體方法如表1[10]。

表1 大氣環(huán)境監(jiān)測中的主要方法

為進(jìn)一步提高天空大氣監(jiān)測的質(zhì)量，越來越多的專家和學(xué)者建立了地空一體化監(jiān)測系統(tǒng)，在空中，利用先進(jìn)的無人機(jī)遙感技術(shù)來確認(rèn)周圍的環(huán)境和災(zāi)害；在地面上，采取各種監(jiān)測措施，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的綜合監(jiān)測[11]。針對大氣遙感技術(shù)應(yīng)用較為普及的領(lǐng)域有車載地基遙感監(jiān)測、車載行駛走航立體監(jiān)測、機(jī)載遙感監(jiān)測和行星載遙感監(jiān)測，其中，車載行駛走航立體監(jiān)測具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，適合于在不利氣象條件下進(jìn)行的測量和工作以及對工業(yè)區(qū)域污染物排放的通量；機(jī)載遙感監(jiān)控所具有的強(qiáng)大優(yōu)點(diǎn)主要有：在多個(gè)時(shí)間和尺度下依然可以進(jìn)行全面、長期、連續(xù)的監(jiān)控，同時(shí)對污染源數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，與地圖疊加還能夠便于迅速識(shí)別污染源；而這種衛(wèi)星遙感器的優(yōu)勢有其自身獨(dú)特的一些優(yōu)點(diǎn)：不僅可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的覆蓋，收集數(shù)據(jù)也較為快速，并且有多個(gè)光譜能夠收集大量信息。

而具體污染物的測定則是基于大氣環(huán)境高靈敏光譜探測技術(shù)原理，常用技術(shù)方法有傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術(shù)、激光雷達(dá)（LIDAR）技術(shù)、熒光光譜技術(shù)、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)、以差分光學(xué)吸收光譜（DOAS）技術(shù)、非分光紅外（NDIR）技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)、光聲光譜技術(shù)[12][13]。

3.2 水體監(jiān)測技術(shù)發(fā)展

水體監(jiān)測項(xiàng)目是以水體被污染情況、水體功能、廢（污）水中含污染物質(zhì)及客觀條件等因素為依據(jù)的，細(xì)分為地表水（江、河、湖、庫、渠；海水）、地下水、生活飲用水、廢（污）水、其他行業(yè)用水監(jiān)測項(xiàng)目[10]，水體不同所選擇測定的污染物質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)亦有差別。

常規(guī)的環(huán)境監(jiān)控技術(shù)主要是包含許多關(guān)于水質(zhì)保護(hù)的項(xiàng)目，如有機(jī)物、微生物、無機(jī)體、重金屬及其他常規(guī)工程。常規(guī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用持續(xù)時(shí)間相對較長，相關(guān)的技術(shù)已趨于成熟，運(yùn)行制度體系也較為完整[14]。

但由于常規(guī)技術(shù)具有時(shí)效性差等特點(diǎn)，學(xué)者們逐漸提出新技術(shù)，較為熱門的有以下三種：3S 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、PLC 技術(shù)以及生物監(jiān)測技術(shù)。

3S 技術(shù)是以遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）為基礎(chǔ)，將RS、GIS、GPS 三種獨(dú)立技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中的相關(guān)部分與其他各種高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)部分（例如互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通訊技術(shù)等）有機(jī)結(jié)合起來，從而發(fā)展出一項(xiàng)嶄新的綜合性技術(shù)。

目前3s 技術(shù)廣泛應(yīng)用于對水資源的調(diào)查評估和評價(jià)、監(jiān)測濕地水域和河流中的水體沼澤物分布及其變化情況、同時(shí)還可以用來監(jiān)測濕地中的水體富營養(yǎng)化和一些泥沙的污染，另外，3s 技術(shù)在我國濕地科學(xué)研究工作中的應(yīng)用尤為廣泛[15]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要特點(diǎn)就是將跟蹤技術(shù)、射頻識(shí)別、云計(jì)算和無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等有機(jī)結(jié)合在一起，其主要是被廣泛應(yīng)用于各種分布式的傳感器和網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位、立體地跟蹤河流橫斷面積的水質(zhì)、含量和相關(guān)的氣象參數(shù)，這就促使我們在對河流中物化與生物等相關(guān)信息的追溯監(jiān)控能力以及自動(dòng)化監(jiān)測水平技術(shù)有了新突破。

而將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線電技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)技術(shù)緊密結(jié)合，我們不僅可以直接采集得到湖泊的水溫、水位等各種湖泊的基本情況信息，還能夠監(jiān)測到湖泊內(nèi)磷酸鹽濃度。物聯(lián)網(wǎng)還可以通過在線直接采集和處理監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，這就可以保證物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崟r(shí)地傳輸和處理數(shù)據(jù)，全面地提升了對水環(huán)境的監(jiān)測時(shí)效性，再通過對水環(huán)境的現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析,根據(jù)其中存在的一些問題和需求來研究制定合理的解決辦法和方案，由此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)人機(jī)合作[14、16]。

可編程邏輯控制器（programmable logical controller，PLC）是有效結(jié)合了計(jì)算機(jī)自動(dòng)化技術(shù)與無線電通訊自動(dòng)化技術(shù)的一種新型工業(yè)自動(dòng)化控制裝置，其在整體結(jié)構(gòu)上增添了耐熱、防塵、防潮、抗震等特點(diǎn)，在各種軟硬件上所需要選擇的材料主要有以下幾種具有較高的抗干擾性能：包括隔離、屏蔽、濾波、接地等，因此它們非常合理地應(yīng)用于環(huán)境惡劣的戶外和工業(yè)現(xiàn)場[17]。

目前，生物傳感技術(shù)、藻類生物監(jiān)測以及PCR（Polymerase Chain Reaction 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）等生物監(jiān)測技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測。生物傳感技術(shù)是利用特殊的生物敏感材料作為識(shí)別元件，可識(shí)別敏感生物物質(zhì)的濃度并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)達(dá)到監(jiān)測目的，該技術(shù)具有檢測分析快捷、精準(zhǔn)度高、經(jīng)濟(jì)性好、專一性強(qiáng)、操作系統(tǒng)簡單等特點(diǎn)；藻類生物監(jiān)測技術(shù)是將某些藻類的作為指示生物，并根據(jù)其對不同水環(huán)境的生長適宜性來判斷該環(huán)境的水質(zhì)狀況；相較于傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，藻類生物作為指示生物繁殖簡單迅速、培養(yǎng)成本低，應(yīng)用于監(jiān)測過程中更直接、靈敏，還同時(shí)具有整體性、持久性和生態(tài)多樣化等優(yōu)點(diǎn)[18]；PCR 技術(shù)的工作原理主要是利用微生物通過體外合成各種特異性的DNA 片段，其具有迅捷、靈敏、準(zhǔn)確、簡單、特殊性強(qiáng)等功能[15]。

3.3 土壤監(jiān)測技術(shù)發(fā)展

土壤環(huán)境污染質(zhì)量背景監(jiān)測結(jié)果根據(jù)調(diào)查目的不同可以將其劃分類別為其對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響現(xiàn)狀動(dòng)態(tài)監(jiān)測、土壤環(huán)境污染災(zāi)害事故的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、污染物進(jìn)入土地治理處置的過程動(dòng)態(tài)調(diào)查監(jiān)控和其對土壤環(huán)境質(zhì)量背景影響數(shù)值的動(dòng)態(tài)調(diào)查,土壤監(jiān)測項(xiàng)目則須根據(jù)監(jiān)測目的來確定。

具體的污染物測定方法應(yīng)參照 《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[10]。土壤環(huán)境監(jiān)測中主要采用的有物理化學(xué)技術(shù)、3S 技術(shù)、信息技術(shù)與生物技術(shù)。

物理化學(xué)技術(shù)是指結(jié)合了物理材料學(xué)、物理光學(xué)、分析化學(xué)以及高分子有機(jī)化學(xué)等科學(xué)，并將其運(yùn)用于土壤環(huán)境監(jiān)測。土壤樣品的元素分析常采用原子吸收光譜法、離子色譜法、偏振能量色散X 射線熒光光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法與發(fā)射光譜法等方法，土壤痕量元素的測定分析更是以這些方法為主[19]。而對于土壤有機(jī)物的監(jiān)測分析最常用的技術(shù)方法為氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用和液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用[20]。

3s 技術(shù)的綜合應(yīng)用是指可以有效地對土壤空間信息進(jìn)行采集、處理、管理、傳遞和應(yīng)用，滿足實(shí)際土壤環(huán)保監(jiān)測的應(yīng)用大氣信息技術(shù)和數(shù)據(jù)資料的需要。該種方法能夠全面地把握土壤環(huán)境的整體情況[21]，具體能夠做到：

（1）通過動(dòng)態(tài)監(jiān)控對農(nóng)業(yè)耕地的土壤肥力情況進(jìn)行長期動(dòng)態(tài)的監(jiān)測；

（2）通過使用GIS 技術(shù)的方式來收集和管理各種農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境的監(jiān)測資料，并且我們可以通過自己構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫和一個(gè)專門用于土壤環(huán)境評價(jià)的模型庫、參數(shù)倉儲(chǔ)庫等，加之運(yùn)算方法來直接實(shí)現(xiàn)對土壤環(huán)境的綜合評價(jià)，預(yù)測其質(zhì)量的變化趨勢；

（3）監(jiān)控產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品；

（4）在已經(jīng)遭到污染的農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境區(qū)域，通過GIS 中的緩沖區(qū)分分析功能來定位具體的農(nóng)產(chǎn)品污染源和受污地區(qū)，再經(jīng)過受污面積的綜合計(jì)算，最終分析并闡明這些污染物在農(nóng)業(yè)土壤種植過程中的殘留物等[22]。

信息技術(shù)在土壤監(jiān)測中主要指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)通過在土壤環(huán)境中布置傳感器節(jié)點(diǎn)，通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)再通過無線通信組成網(wǎng)絡(luò)，并將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)中，最終由特定的匯聚節(jié)點(diǎn)接收并得出匯總數(shù)據(jù)[23]。同時(shí)這些據(jù)都能夠傳送到數(shù)據(jù)處理中心，相關(guān)人員可以對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行訪問，從而審核校對或調(diào)用編輯數(shù)據(jù)；通過這樣的過程，最終實(shí)現(xiàn)對土壤質(zhì)量參數(shù)的在線監(jiān)控并記錄[24]。

生物技術(shù)主要有熒光蛋白標(biāo)記監(jiān)測技術(shù)、PCR技術(shù)、變性梯度凝膠電泳（DGGE）技術(shù)、基因測序技術(shù)和宏基因組學(xué)技術(shù)等，依然是通過對微生物進(jìn)行監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)對土壤環(huán)境的監(jiān)測,這些技術(shù)在對受污土壤實(shí)施生物修復(fù)、土壤侵蝕、土壤微生物多樣性監(jiān)測等方面起著主導(dǎo)的作用[20]，具有速度快、操作簡便、易于進(jìn)行生態(tài)修復(fù)等優(yōu)勢特點(diǎn)[25]。

結(jié)語

自我國的環(huán)保事業(yè)起步以來，相關(guān)的工作一直處于有條不紊的發(fā)展中，取得了一些成果但也存在一些不足。在自動(dòng)監(jiān)測一片大好形勢之下我們依然需要通過不斷的手動(dòng)監(jiān)測來確保數(shù)據(jù)的有效性，同時(shí)改良儀器的各項(xiàng)功能；儀器不斷向自動(dòng)化發(fā)展的同時(shí)還需注重其體積及便攜性能，針對于惡劣環(huán)境下的作業(yè)需不斷提升儀器的穩(wěn)定性，不斷測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以達(dá)到最大程度替代人工作業(yè)從而保障監(jiān)測人員的安全。隨著監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步完善，各項(xiàng)環(huán)境要素的立體監(jiān)測也越來越重要，我們既要看到3S 技術(shù)在這一方面的應(yīng)用，將其不斷完善，也要在此有更多創(chuàng)新，這就需要對環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域加大資金以及人才投入。

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測發(fā)展應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持以習(xí)近平新時(shí)代生態(tài)文明理念和指導(dǎo)思想為核心，不斷貫徹實(shí)施該理念，以“實(shí)現(xiàn)大監(jiān)測、確保真準(zhǔn)全、支撐大保護(hù)”為主線和總體思路，構(gòu)建陸海統(tǒng)籌、天地相通、上下相互協(xié)同、信息資源共享的全球化國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。