環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測的發(fā)展及優(yōu)勢探析

文_孫松華 董偉鋼 俞斌

1 浙江省紹興生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 2 紹興市柯橋區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站

1 環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測的發(fā)展歷程

1.1 初步建立階段

環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測的初步建立階段為20 世紀(jì)70 ～80 年代，相關(guān)部門為了滿足城市環(huán)境管理需求，開始建立環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，將環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測納入環(huán)境監(jiān)測體系，并且構(gòu)建了監(jiān)測制度及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，初步發(fā)展自動監(jiān)測技術(shù)體系。在80 年代后期，我國環(huán)境監(jiān)測總站開始進(jìn)行全國范圍內(nèi)的城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)收集，并且基于現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)，構(gòu)建了相應(yīng)的環(huán)境空氣質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)及方法，為自動監(jiān)測系統(tǒng)的后續(xù)完善打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 鞏固發(fā)展階段

環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測的鞏固發(fā)展階段為20 世紀(jì)90 年代至2003 年，自動監(jiān)測試點(diǎn)工程逐步在城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測中落實(shí)，并且取得了較為理想的監(jiān)測效果，有效解決了我國當(dāng)時(shí)的環(huán)境空氣污染問題，大幅提高了城市環(huán)境空氣質(zhì)量，為自動監(jiān)測技術(shù)在全國環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。截止到2004 年，我國279 個地級以上城市中，已經(jīng)有214 個城市及40 個縣級市建立了640 套環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)。同時(shí)，環(huán)境監(jiān)測總站針對重點(diǎn)城市開設(shè)了專門的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)處理，有效監(jiān)管各個地區(qū)相關(guān)部門開展環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測工作。

1.3 綜合發(fā)展階段

環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測的綜合發(fā)展階段2004 年至今，環(huán)境監(jiān)測總站完善了環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用方法，這為相關(guān)部門展開環(huán)境空氣質(zhì)量管理工作提供了規(guī)范和依據(jù)。同時(shí)，自動監(jiān)測點(diǎn)從原本的660 個增加到了1624 個，環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從原本的113 個重點(diǎn)城市擴(kuò)展為了362 個地級市，國家級別的環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站已經(jīng)建成了16 個，自動監(jiān)測項(xiàng)在原有的PM10、NOx、SO2上，增加了PM2.5、CO、O3，這表示我國環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測硬件和軟件都在逐步完善，監(jiān)測水平將持續(xù)提高。

2 環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測的具體技術(shù)

2.1 氣體污染物監(jiān)測技術(shù)

環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測中的氣體物質(zhì)監(jiān)測技術(shù)主要包括點(diǎn)式空氣監(jiān)測、長光程空氣監(jiān)測兩種。點(diǎn)式空氣監(jiān)測在固定位置設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，完成對氣體污染物的監(jiān)測。長光程空氣監(jiān)測應(yīng)用的是光學(xué)差分吸收方式，能夠基于各項(xiàng)監(jiān)測氣體分子的特點(diǎn)展開波長吸收，在反射光從發(fā)射端到接收端的過程中，便能夠判斷出監(jiān)測氣體污染物導(dǎo)致的空氣污染程度。

從氣體污染物采樣空間來看，點(diǎn)式空氣監(jiān)測能夠完成對小范圍內(nèi)氣體污染物的數(shù)據(jù)采樣，長光程空氣監(jiān)測能夠完成對100m 長度范圍的氣體污染物數(shù)據(jù)采樣,監(jiān)測范圍更為廣泛，且監(jiān)測成本較低、監(jiān)測設(shè)備維護(hù)簡單。

從氣體污染物采樣時(shí)間來看，點(diǎn)式空氣監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)對氣體污染物的24h 連續(xù)數(shù)據(jù)采樣，但是每次只能夠完成單項(xiàng)污染物數(shù)據(jù)采樣作業(yè)，計(jì)算出監(jiān)測污染物的當(dāng)日平均值。長光程空氣監(jiān)測能夠分時(shí)段實(shí)現(xiàn)對不同氣體污染物的數(shù)據(jù)采樣，并且計(jì)算得到各個監(jiān)測污染物的平均值、濃度值，從而獲得污染物濃度變化情況；但是由于需要輪流完成對不同污染物的數(shù)據(jù)采樣，導(dǎo)致每次采樣時(shí)間較短，得到的監(jiān)測污染物平均值不夠準(zhǔn)確?？梢娪斜匾瑫r(shí)運(yùn)用以上兩種氣體污染物監(jiān)測技術(shù)。

2.2 固體顆粒物監(jiān)測技術(shù)

環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測中的固體顆粒物監(jiān)測技術(shù)主要包括微量振蕩天平法、重量法、射線法等，不同方法應(yīng)用的自動監(jiān)測設(shè)備不同。

微量振蕩天平法指的是在質(zhì)量傳感器安裝振蕩空心錐形管，在管內(nèi)安裝濾膜，這樣固體顆粒物在震蕩過程中便能夠附著在濾膜上，通過計(jì)算振蕩頻率便能夠得到附著在濾膜上的固體顆粒物的質(zhì)量，隨后結(jié)合環(huán)境溫度和氣壓、流量便能夠得到固體顆粒物的濃度值。為了減少降溫導(dǎo)致的揮發(fā)性物質(zhì)損失，可以安裝膜動態(tài)測量設(shè)施。

射線法的應(yīng)用基于射線衰減理論，通過空氣泵將環(huán)境內(nèi)的空氣抽取到對應(yīng)的采樣管中，固體顆粒物便能夠附著在濾膜上，射線在經(jīng)過附著固體顆粒物的濾膜時(shí)，會產(chǎn)生衰減效應(yīng)，通過計(jì)算衰減量便能夠得到固體顆粒物的濃度值。為了減少降溫導(dǎo)致的揮發(fā)性物質(zhì)損失，可以安裝溫度動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)施。

2.3 空氣質(zhì)量自動監(jiān)測技術(shù)

2.3.1 環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測數(shù)據(jù)采集技術(shù)

現(xiàn)階段應(yīng)用頻率最高的空氣監(jiān)測設(shè)備為工控機(jī)，并且基于個性化監(jiān)測需求演變?yōu)榱顺绦蚬た貦C(jī)，相比較傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，工控機(jī)抗干擾性能良好、防塵性能良好，具有應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)體系，并且內(nèi)部有專用底板及電源，能夠完成持續(xù)性工作。環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測數(shù)據(jù)采集流程是空氣監(jiān)測設(shè)備完成對模擬信號的數(shù)據(jù)采集，中心平臺通過電話撥號形式完成數(shù)據(jù)采集；空氣監(jiān)測設(shè)備軟件能夠發(fā)送儀器通訊協(xié)議、獲取采集數(shù)據(jù)，隨后通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將采集數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，并且還能夠?qū)⒛M信號傳輸至控制中心。

2.3.2 環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測質(zhì)量控制技術(shù)

確保監(jiān)測質(zhì)量，必須做好對空氣監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)工作，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)審核機(jī)制，才能及時(shí)解決監(jiān)測過程中出現(xiàn)的各種問題。如，工作人員需要定期檢查空氣監(jiān)測設(shè)備，及時(shí)排除管理設(shè)備的潛在故障，完成對管理設(shè)備的精確校準(zhǔn)；考慮到人工檢查效率較低，可以將自動化技術(shù)手段運(yùn)用到設(shè)備檢查中。

3 環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 提高監(jiān)測可靠性

相比較傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)，環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)形成的數(shù)據(jù)量較為龐大，且數(shù)據(jù)類型較為繁多，因此需要應(yīng)用計(jì)算機(jī)和自動化運(yùn)算系統(tǒng)。這些都極大地提高了數(shù)據(jù)處理的可靠性，同時(shí)減輕了工作人員的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，使得工作人員有更多的時(shí)間開展環(huán)境空氣質(zhì)量改善方案制定及實(shí)施，從而為我國環(huán)境進(jìn)一步改善提供有效助推力。

3.2 提高監(jiān)測精確度

傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)在傳輸環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的過程中，需要通過模擬口采集參數(shù)，隨后將參數(shù)發(fā)送至中心站，由于采集和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，再加上技術(shù)條件的限制，難免會出現(xiàn)采集及傳輸誤差。而環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效確保采集和傳輸數(shù)據(jù)的精確程度，這是因?yàn)橄到y(tǒng)能夠完成參數(shù)自動化采集作業(yè)，并且對參數(shù)進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，應(yīng)用微處理器進(jìn)行智能處理，這些都能夠大幅度提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性能，降低了數(shù)據(jù)采集及傳輸出現(xiàn)問題的概率。

3.3 便于掌握空氣質(zhì)量

自動化監(jiān)測技術(shù)和方法的運(yùn)用，提高了環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測效率和質(zhì)量，更便于環(huán)境監(jiān)測總站及相關(guān)部門掌握管轄范圍內(nèi)的控制質(zhì)量，有利于實(shí)現(xiàn)對空氣污染問題的針對性治理。相比傳統(tǒng)的手動采集方式，環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)具有時(shí)效性和地理代表性，從而實(shí)現(xiàn)了對特定地區(qū)空氣質(zhì)量的精準(zhǔn)反應(yīng)，有利于相關(guān)部門持續(xù)性改善特定區(qū)域的空氣質(zhì)量，降低重大空氣污染問題發(fā)生的概率，及時(shí)采取預(yù)防和控制措施。

3.4 便于展開后續(xù)維修

環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)中的大部分設(shè)備需要依靠微處理器實(shí)現(xiàn)，并且普遍具備RS-232 接口，使工作人員能夠在監(jiān)測點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)變化的實(shí)時(shí)了解，通過參數(shù)變化判斷和掌握各項(xiàng)設(shè)備及整體系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而判斷各項(xiàng)設(shè)備是否需要進(jìn)行維護(hù)?；诰唧w的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，還能夠?qū)ふ夜收衔恢谩⑴袛喙收项愋?、分析故障原因，部分先進(jìn)環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)還能夠提供故障維修意見，為工作人員展開后續(xù)維修提供了便利條件。

4 結(jié)語

我國環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測經(jīng)歷了初步建立、鞏固發(fā)展、綜合發(fā)展三個階段，在發(fā)展過程中形成了氣體污染物監(jiān)測、固體顆粒物監(jiān)測等技術(shù)，具有提高監(jiān)測可靠性及監(jiān)測精確度等應(yīng)用優(yōu)勢。因此，為了提高我國整體環(huán)境空氣質(zhì)量，相關(guān)部門有必要持續(xù)完善環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)及技術(shù)體系，從而順應(yīng)現(xiàn)代化、自動化環(huán)境空氣質(zhì)量管理趨勢。