大氣監(jiān)測在城市環(huán)保治理中的實(shí)用價值及對策探析

邊希春

（煙臺市環(huán)境監(jiān)控中心，山東 煙臺 264000）

清新的空氣和干凈的水源是人們生產(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本要素，伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，在給我們帶來便利生活的同時也對環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重污染。低碳、綠色、清潔的發(fā)展理念不斷深入人心，各地政府和企業(yè)都認(rèn)識到環(huán)境保護(hù)的重要性，其中大氣污染的防治在城市污染治理中的地位顯著，因而大氣監(jiān)測勢在必行。

1 大氣污染現(xiàn)狀和大氣監(jiān)測的重要性

1.1 大氣污染現(xiàn)狀分析

城市化和工業(yè)化給我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了顯著效益，居民生活水平日益提高，與此同時由于煤和石油的大量使用，燃燒過程中產(chǎn)生的顆粒污染物、SO2、NO2、CO等有害氣體肆意排放，嚴(yán)重影響了城市大氣質(zhì)量和人民的生命健康。

目前各監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置的主要監(jiān)測項目有SO2、NO2、O3、CO、PM10、PM2.5等共計6項監(jiān)測指標(biāo)的濃度值和監(jiān)測范圍。但受到當(dāng)時技術(shù)和管理水平的限制，以及網(wǎng)絡(luò)更新速度慢、大數(shù)據(jù)平臺未能同步建立等的影響，原有監(jiān)測點(diǎn)位和設(shè)備的加速更新迭代已經(jīng)不能科學(xué)反映大氣整體質(zhì)量。

近十年來是大氣監(jiān)測迅速發(fā)展的成長期，依托發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大云物移等新技術(shù)、新領(lǐng)域、新發(fā)明的投入使用，大氣監(jiān)測的精準(zhǔn)度和監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置越來越科學(xué)。本研究以濟(jì)南市為例，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，對濟(jì)南市省以上監(jiān)測點(diǎn)和市級監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化，引入了“量子治霾”監(jiān)測網(wǎng)，這在全國范圍內(nèi)是首次嘗試，該技術(shù)能夠助力實(shí)現(xiàn)顆粒物的精準(zhǔn)溯源，其采用的“光量子雷達(dá)”技術(shù)能夠在10分鐘內(nèi)繪制生成3D彩色實(shí)時全景“大氣污染地圖”[1]。

1.2 大氣監(jiān)測綜合治理情況——以濟(jì)南市為例

大氣監(jiān)測技術(shù)發(fā)展至今，從80年代最初的人工現(xiàn)場監(jiān)測采樣，再帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，到新世紀(jì)，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，結(jié)合遠(yuǎn)程遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等相關(guān)技術(shù)手段，使大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展到了連續(xù)自動監(jiān)測階段。

以濟(jì)南市為例，2013年是濟(jì)南大氣十條頒布的初始之年，那時濟(jì)南污染嚴(yán)重，霧霾天氣頻繁，十年來，市政府通過大手筆搬遷改造濟(jì)鋼集團(tuán)，一批石化、化工等企業(yè)相繼搬出城區(qū)，以壯士斷腕的勇氣對于企業(yè)污染進(jìn)行嚴(yán)格治理，強(qiáng)化監(jiān)管水平，使得城市空氣環(huán)境質(zhì)量實(shí)現(xiàn)歷史性、突破性轉(zhuǎn)變。與此同時，仍有部分企業(yè)不準(zhǔn)守規(guī)定，履行污染治理工作流于形式，偷排、高耗情況時有發(fā)生。根據(jù)8月份舉報數(shù)據(jù)顯示，全市共收到投訴舉報101件，其中舉報中反映的大氣污染54件，噪聲污染36件，水污染14件，其他污染1件。大氣污染占比位居首位，占投訴總數(shù)的一半以上，其次是噪聲污染，占34.3%。其中，廢氣污染投訴39件，占大氣污染投訴的75%，其次是煙塵污染投訴8件，占大氣污染投訴的14.8%。因此，做好大氣污染綜合防治工作，科學(xué)合理布置監(jiān)測點(diǎn)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格追根溯源，加大執(zhí)法力度是做好污染治理的重中之重[2]。

2 現(xiàn)有大氣監(jiān)測系統(tǒng)模式及存在的問題

改革開放以來，我國大氣環(huán)境監(jiān)測從開始的人工采樣監(jiān)測方式發(fā)展到如今的連續(xù)自動監(jiān)測方式，歷經(jīng)了三、四十年的技術(shù)更新迭代。目前，現(xiàn)有的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)為智慧環(huán)保一體化平臺。通過利用大云物移和人工智能等技術(shù)手段，整合全市生態(tài)環(huán)境信息資源，能夠?qū)Υ髷?shù)據(jù)進(jìn)行快速分析研判和響應(yīng)，有力提高管理決策的精準(zhǔn)性。

2.1 智慧環(huán)保一體化平臺介紹

濟(jì)南市大氣監(jiān)測平臺包括實(shí)時監(jiān)測、系統(tǒng)分析、智能決策、在線監(jiān)管、應(yīng)急響應(yīng)五大應(yīng)用系統(tǒng)，不僅可以排查全市環(huán)境整體情況，同時還可以對污染物進(jìn)行溯源，對違法排污企業(yè)形成強(qiáng)有力的震懾和打擊。

該系統(tǒng)采用地面走航與高空無人機(jī)協(xié)同監(jiān)管的新模式，對重點(diǎn)企業(yè)集聚地、工廠場地等區(qū)域進(jìn)行全天候“四維一體化”動態(tài)監(jiān)管，能夠迅速過濾所掃碼區(qū)域，實(shí)時出具污染源的定位和傳輸方向，做到靶向定位、精準(zhǔn)溯源，讓揚(yáng)塵、黑煙和直排無處遁形，實(shí)時掌握管控區(qū)域內(nèi)的大氣環(huán)境問題，為環(huán)保部門的大氣防治工作提供行動思路和依據(jù)，高效、省時，促進(jìn)空氣質(zhì)量持續(xù)改善。當(dāng)發(fā)生突發(fā)環(huán)境事件時，通過無人機(jī)的傳圖設(shè)備把推送至地面站的視頻通過WiFi推送到應(yīng)急指揮車通訊系統(tǒng)，應(yīng)急指揮車通訊系統(tǒng)通過衛(wèi)星或4G設(shè)備與環(huán)保監(jiān)控指揮中心進(jìn)行連接，把視頻實(shí)時推送至環(huán)保監(jiān)控指揮中心的接收端、移動端，呈現(xiàn)在GIS地圖上（位置、視頻等）。

2.2 目前大氣監(jiān)測技術(shù)存在的問題

2.2.1 空氣質(zhì)量預(yù)報基礎(chǔ)模型有待進(jìn)一步優(yōu)化

目前空氣質(zhì)量預(yù)報基本模型一是基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的統(tǒng)計預(yù)報模型，二是基于大氣化學(xué)傳輸模式的機(jī)理預(yù)報模型，這兩種預(yù)測模型都存在各自的優(yōu)勢和不足。其中國家監(jiān)測點(diǎn)一般多集中在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，相反目前西部內(nèi)陸地區(qū)反而污染嚴(yán)重，這種空間分布不均勻、功能區(qū)劃分不夠科學(xué)的統(tǒng)計預(yù)測數(shù)據(jù)更多用于單站點(diǎn)預(yù)報，其結(jié)果沒有能力代表整個研究區(qū)域，更不能科學(xué)展現(xiàn)各項污染物的變化趨勢。此外，單站點(diǎn)預(yù)報在很大范圍內(nèi)精簡了輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這就導(dǎo)致部分輸入數(shù)據(jù)缺失非典型污染事件信息，因此導(dǎo)致預(yù)報模型在這種非典型污染事件上顯示出了預(yù)報能力的不足。

第二種預(yù)測模型是基于大氣化學(xué)傳輸模式的機(jī)理預(yù)報模型。這種模型是采用三維立體大氣預(yù)處理數(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)在于可以將大氣狀態(tài)和污染物傳輸之間的關(guān)系考慮在內(nèi)，更加適合再大區(qū)域范圍內(nèi)對大氣污染程度進(jìn)行較為科學(xué)地預(yù)報。該模型需要提供預(yù)報區(qū)域內(nèi)詳實(shí)的地表污染源排放列表作為預(yù)報模型的進(jìn)入文件，同時需要深入理解預(yù)報區(qū)域內(nèi)大氣中各類成分的物理化學(xué)機(jī)制相互轉(zhuǎn)化內(nèi)在因子和關(guān)系式，才能選取適當(dāng)?shù)奈锢砘瘜W(xué)機(jī)制進(jìn)行模型模擬計算。這種方法需要的數(shù)據(jù)較為龐大，并且隨著社會的不斷轉(zhuǎn)型，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不確定性和污染源排放清單的變化越來越快，因此清單的時效性和準(zhǔn)確性對機(jī)理預(yù)報模型非常重要。加上大氣傳輸體系龐大復(fù)雜，僅憑人的理解能力很難對這中間的物理化學(xué)變化進(jìn)行量化處理，于是便使用某種近似或者簡化的方式來描述變化過程，這就引起了機(jī)理預(yù)報模式與實(shí)際觀測值產(chǎn)生較大偏差[3]。

2.2.2 監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置和人工安全性有待解決

一是監(jiān)測點(diǎn)的科學(xué)設(shè)置仍需進(jìn)一步改進(jìn)，且運(yùn)維成本高昂。目前的監(jiān)測點(diǎn)基本上都是傳統(tǒng)固定式監(jiān)測站，其固定性就不會對外界環(huán)境變化做出靈活處理，監(jiān)測模式單一，且外部環(huán)境適應(yīng)性較低。同時采樣點(diǎn)分布應(yīng)設(shè)置在污染濃度高中低不同的地方，選擇風(fēng)向上風(fēng)口，按照功能區(qū)布點(diǎn)法、網(wǎng)格布點(diǎn)法或同心圓布點(diǎn)法等科學(xué)布局。但是現(xiàn)實(shí)存在污染重的地區(qū)設(shè)點(diǎn)少、人口密集小的地區(qū)反而設(shè)點(diǎn)多，空間代表性差。同時目前大部分跟蹤空氣污染的多數(shù)方法還是依賴于固定的監(jiān)測站，同時在國監(jiān)測和省監(jiān)測點(diǎn)周邊各市都集中全力保障其達(dá)標(biāo)，這就無形中隱藏了污染問題，使數(shù)據(jù)的收集不夠靈活，同時其真實(shí)性和全面性也不夠精準(zhǔn)。二是當(dāng)危險氣體泄漏事故發(fā)生時，需要現(xiàn)場對事故進(jìn)行快速決策，傳統(tǒng)監(jiān)測方式在氣體采集監(jiān)測時，由于人工采集不僅速度慢，同時危害性強(qiáng)，存在人身傷亡風(fēng)險。三是由于監(jiān)測站的設(shè)備在不斷更新和增加，前后技術(shù)存在迭代和接口不對應(yīng)，在逐步向無人值守化過渡的過程中，進(jìn)一步加大了故障設(shè)備排查的工作量。同時存在部分地區(qū)連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)但沒有得到有效利用的情況，還是利用人工去推論，缺乏智能分析和數(shù)據(jù)的處理能力。一但環(huán)境監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)故障，將會直接影響整個環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

3 抓好大氣監(jiān)測的幾點(diǎn)措施

3.1 充分利用最新科技成果，助力大氣監(jiān)測更加科學(xué)精準(zhǔn)

基于大數(shù)據(jù)平臺的監(jiān)測信息系統(tǒng)能夠?qū)崟r更新大氣污染狀況，對環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)評估并預(yù)測后期趨勢，對查找溯源和預(yù)警決策從而開展強(qiáng)有力的聯(lián)防聯(lián)控具有重要意義。因此，借助新興科技手段應(yīng)用于大氣監(jiān)測能夠有效提高監(jiān)測結(jié)果的精準(zhǔn)度。

3.1.1 引入量子雷達(dá)技術(shù)

以濟(jì)南市為例，通過借助光量子雷達(dá)技術(shù)與環(huán)保治霾、氣象監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境保護(hù)相結(jié)合，加速推動量子產(chǎn)業(yè)向更好發(fā)展的同時也助力生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了雙贏局面。今年濟(jì)南市引進(jìn)了7臺顆粒物光量子雷達(dá)，該雷達(dá)使用近紅外量子探測技術(shù)，通過收集并分析大氣氣溶膠等顆粒物的散射信號，吸取出大氣顆粒物的各項數(shù)值和特征。雖然其整體高度不足1米，但輕巧實(shí)用，精準(zhǔn)度非常高，對于城市揚(yáng)塵監(jiān)測、大氣顆粒物污染源追蹤定位、云層探測至關(guān)重要，同時還能自動識別污染物系本土還是外來飄入。通過自主研發(fā)先進(jìn)的識別算法，顆粒物光量子雷達(dá)能夠準(zhǔn)確識別大氣污染的排放，大幅降低誤報漏報[4]。

3.1.2 借助車聯(lián)網(wǎng)+，實(shí)現(xiàn)大氣監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時移動監(jiān)測

通過車載終端+后臺服務(wù)中心的結(jié)合，利用遺傳算法和混合遺傳模擬算法在內(nèi)的組合優(yōu)化，求解優(yōu)選車載監(jiān)測點(diǎn)模型，通過城市不同功能區(qū)的劃分、不同季節(jié)和地理區(qū)位實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測。

3.1.3 數(shù)據(jù)實(shí)時上“云”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理

監(jiān)測的結(jié)果能夠第一時間反饋回信息中心，并通過溯源分析找到污染源，從而快速進(jìn)行現(xiàn)場處理。秸稈焚燒之季，當(dāng)違法進(jìn)行焚燒秸稈操作時，無人機(jī)可以實(shí)時追蹤到污染源，快速在煙霧之上盤旋，分析大氣中SO2、NO2、PM10、PM2.5等數(shù)據(jù)，同時可以實(shí)時顯示在環(huán)保部門運(yùn)監(jiān)中心的大屏上，并實(shí)時進(jìn)行現(xiàn)場干預(yù)，實(shí)現(xiàn)零對接。

3.2 科學(xué)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“線上+線下”聯(lián)動監(jiān)管

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化監(jiān)測和云圖式相結(jié)合，一方面在城市商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)和居民區(qū)不同區(qū)位設(shè)立針對性的監(jiān)測設(shè)備，例如標(biāo)準(zhǔn)空氣站、組分站、揚(yáng)塵在線監(jiān)測儀、TVOC在線監(jiān)測儀等設(shè)備，形成密集的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，同時運(yùn)用車載在線監(jiān)測儀、走航車、量子雷達(dá)技術(shù)等設(shè)備，形成云圖式空間分布。通過線上和線下相結(jié)合的方式，形成高效的監(jiān)測體系。

在前臺與線上，通過確定目標(biāo)函數(shù)和一定的約束條件從而進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，采用多目標(biāo)組合優(yōu)化算法求解數(shù)學(xué)模型的方法來求解監(jiān)測站點(diǎn)的位置；一方面利用固定監(jiān)測點(diǎn)和可移動的走航車、車載終端，通過設(shè)計的最優(yōu)車載監(jiān)測點(diǎn)選取模型，選取大量樣本進(jìn)行試驗(yàn)，得到季節(jié)性、空間性和功能區(qū)性差異，并選取合理的區(qū)位和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和應(yīng)用仿真，力爭達(dá)到以最少的監(jiān)測點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最科學(xué)的監(jiān)測結(jié)果，以節(jié)省人力和財力。同時可以采用基于無人機(jī)的實(shí)時大氣污染物監(jiān)測技術(shù)，將搭載在無人機(jī)上進(jìn)行校準(zhǔn)后的包括ZE25-O3臭氧傳感器、顆粒物傳感器等在內(nèi)的污染物濃度傳感器和氣象參數(shù)監(jiān)測傳感器所收集到的監(jiān)測信息，在保證安全性及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崟r地利用GPRS技術(shù)將無人機(jī)上的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時輸送到地面終端，實(shí)現(xiàn)前臺和后臺的有效數(shù)據(jù)傳遞[5]。

在后臺和線下，將監(jiān)測點(diǎn)收集的寶貴信息進(jìn)行智能分類和篩選，提取關(guān)鍵信息，確保信息的完整性和真實(shí)性。在數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)方面，充分利用WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、GPRS等不同傳輸方式在不同環(huán)境下的特征和優(yōu)點(diǎn)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度實(shí)時傳遞并進(jìn)行快速智慧統(tǒng)計，并利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，同時采用圖表和圖片的形式將信息生動真實(shí)地展現(xiàn)給執(zhí)法人員，輔助其科學(xué)制定防護(hù)措施。

3.3 執(zhí)法與幫扶并重，健全完善的責(zé)任體系

科學(xué)的監(jiān)測結(jié)果必須經(jīng)過溯源改善并加以解決才是實(shí)現(xiàn)環(huán)保的最后一環(huán)，否則監(jiān)控數(shù)據(jù)將毫無用處。監(jiān)測人員一方面要對監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)盯防，強(qiáng)化對設(shè)備和系統(tǒng)的管理，對于數(shù)據(jù)缺失、不連續(xù)、不閉環(huán)等情況要加大執(zhí)法力度，且多部門要協(xié)同布局，聯(lián)合城管、工商和公安部門，對重點(diǎn)排污單位的自動監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查、徹底整治，堅決打擊以篡改、偽造監(jiān)測數(shù)據(jù)為主要手段逃避生態(tài)環(huán)境監(jiān)管的環(huán)境違法犯罪行為。另一方面是精準(zhǔn)畫像，鎖定治污方向。環(huán)境執(zhí)法人員要結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制出“污染圖”，并針對重點(diǎn)排污企業(yè)開展四不兩直回頭看工作，切實(shí)做到監(jiān)測一例、整改一例，合格一例，后續(xù)徹底整改，同時建立重點(diǎn)企業(yè)黑白名單制度，對于合格企業(yè)實(shí)行政策傾斜，鼓勵支持其發(fā)展。

4 大氣污染監(jiān)測的成效和發(fā)展前景

通過引入新技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)人防+技防相結(jié)合，濟(jì)南市大氣污染監(jiān)測實(shí)現(xiàn)了新的突破，進(jìn)而對污染物的治理和環(huán)境保護(hù)起到了定海神針之用。通過構(gòu)建“1+9”市級生態(tài)環(huán)境監(jiān)控體系，濟(jì)南市按照1個市中心、9個分中心的模式，初步建成了7處量子雷達(dá)監(jiān)測點(diǎn)位，全國首張“量子治霾”監(jiān)測網(wǎng)落戶濟(jì)南，為實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測“由點(diǎn)到面”的擴(kuò)展提供了支撐。

根據(jù)大氣監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2021年全市環(huán)境空氣中PM2.5的濃度下降到61.2%，優(yōu)良天數(shù)增加了106%，重污染天數(shù)減少了86.8%。濟(jì)南市空氣質(zhì)量綜合數(shù)據(jù)下降到了4.7，全年市區(qū)空氣質(zhì)量良好以上天數(shù)達(dá)到了229天，優(yōu)良及以上天數(shù)占比為62.7%，成功退出全國重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量排名后30名。同時，全年城區(qū)環(huán)境空氣中可吸入顆粒物（PM10）的年均濃度78 μg/m3，細(xì)顆粒物（PM2.5）為40 μg/m3，二氧化硫?yàn)?1 μg/m3，二氧化氮為33 μg/m3，排名大幅提升。

通過采用光量子雷達(dá)，不僅實(shí)現(xiàn)了顆粒物溯源的問題，對于后期防治結(jié)合和依法懲治改良意義重大，同時其本身就是無噪聲、節(jié)能的綠色產(chǎn)品?，F(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將雷達(dá)設(shè)備放在監(jiān)測站時，當(dāng)對試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行水平掃描監(jiān)測，氣候條件正常時，可以將半徑15 km范圍內(nèi)的所有顆粒物污染突發(fā)排放的點(diǎn)“抓”出來，其時效性和速度較之傳統(tǒng)雷達(dá)大幅提升。通過引入無人機(jī)等先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行全天候無死角防控；通過試驗(yàn)達(dá)到了當(dāng)試驗(yàn)中的污染物從某區(qū)域飄來時，應(yīng)用激光雷達(dá)和量子高光譜等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了屏幕中清晰展現(xiàn)污染成分及其動態(tài)漂移變化，從而達(dá)到溯源的目的。同時充分利用可移動、多角度、靈活性強(qiáng)的分布式車聯(lián)網(wǎng)這種新型監(jiān)測手段，不斷推動傳統(tǒng)大氣環(huán)境監(jiān)測行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控的現(xiàn)代化和環(huán)境管理的智慧化。