我國大氣、水及土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展探索

文/韓璐

人類對生態(tài)系統(tǒng)的需求在逐漸增加，生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測工作也越來越受到重視。環(huán)境監(jiān)測是以一種系統(tǒng)的方式，對與之有關(guān)的環(huán)境質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行測量，并對這些參數(shù)展開全面的分析，從而判斷出環(huán)境質(zhì)量或污染水平以及它們的變化趨勢，從而為環(huán)境管理與建設(shè)工作提供一定的參考資料和指導(dǎo)基礎(chǔ)。所以，加強(qiáng)和改進(jìn)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，改善環(huán)境監(jiān)測品質(zhì)，是當(dāng)前國家環(huán)保事業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。本文從大氣、水、土壤三個層面，闡述環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，以期通過技術(shù)升級和管理優(yōu)化，持續(xù)提高環(huán)境監(jiān)測工作質(zhì)量。

環(huán)境監(jiān)測是一項十分必要的工作。在過去，環(huán)境監(jiān)測主要局限于放射性物質(zhì)，而在工業(yè)化進(jìn)程中，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，監(jiān)測內(nèi)容也逐步擴(kuò)展到對環(huán)境質(zhì)量、污染等方面。在實際工作中，主要是進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，布點，樣品采集，樣品處理和保存，分析測試，數(shù)據(jù)處理和綜合評價。在對這些資料進(jìn)行分析與處理后，通常還要做一些評估，并撰寫有關(guān)的報告，為后續(xù)工作開展提供便利?，F(xiàn)階段我國環(huán)境監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)已日漸完善，主要涵蓋要點是大氣，水及土壤，對這三個層面的監(jiān)測技術(shù)發(fā)展展開研究分析，是研發(fā)與創(chuàng)新更為先進(jìn)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的必要前提。

我國環(huán)境監(jiān)測工作發(fā)展

在20 世紀(jì)50 年代，我們國家的生態(tài)與環(huán)境科學(xué)就已經(jīng)在不斷地前進(jìn)，逐漸成為新興學(xué)科，生態(tài)與環(huán)境保護(hù)事業(yè)也在不斷地發(fā)展，具體可分為四段時期，第一段是初期，集中在1973年到1980年間，第二段是成長時期，集中在1980年到2005年間，第三段是發(fā)展節(jié)奏較快時期，集中在2005 年到2012 年間，第四段是改革創(chuàng)新時期，主要自2012 年以后到現(xiàn)在。

在初期，環(huán)境監(jiān)測已經(jīng)從被動監(jiān)測轉(zhuǎn)變成了主動監(jiān)測，監(jiān)測的方向也逐步從生物監(jiān)測轉(zhuǎn)變到了生態(tài)監(jiān)測。但是那個時候，還面臨著監(jiān)測方法不規(guī)范、監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確和監(jiān)測人員不專業(yè)等問題。之后在1979 年末環(huán)境監(jiān)測總站正式設(shè)立，自此中國環(huán)保監(jiān)測工作有了新的發(fā)展。在成長階段，通過制定、討論和修訂和完善各種法律法規(guī)，讓環(huán)境監(jiān)測事業(yè)走上了制度化和規(guī)范化道路。在第四次全國環(huán)境監(jiān)測會議之后，對污染源的監(jiān)測被逐漸提上日程。

隨著2005 年“松花江特大污染事件”爆發(fā)，國家開始建立起環(huán)保監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)，國家環(huán)保工作的重點也逐步轉(zhuǎn)移到環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控上。在頒布新的綱要之后，對新時代的環(huán)保工作提出了更高的要求，具體來說就是要構(gòu)建一套先進(jìn)的環(huán)保預(yù)警機(jī)制，要健全公共服務(wù)型的環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)，要提高環(huán)境監(jiān)測工作整體水平。改革開放的深入，隨著“大氣十條”，“水十條”，“土十條”的出臺，已經(jīng)建立了一個比較完善的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，包括監(jiān)測管理體系，監(jiān)測技術(shù)體系，監(jiān)測技術(shù)體系，形成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)要素齊全，覆蓋全國，功能齊全的監(jiān)測架構(gòu)體系，以地面監(jiān)測為主，遙感監(jiān)測為輔，污染監(jiān)測與生態(tài)監(jiān)測并重，實施的大氣，水，土壤污染防治的工作已經(jīng)取得一定的成果。

我國大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展

立體監(jiān)測

在大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)中應(yīng)用立體監(jiān)測技術(shù)，主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

第一個方面是地基遙感監(jiān)測。這一監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用很多，包括多波段光度儀監(jiān)測、被動變換紅外線光譜監(jiān)測等。在該技術(shù)的應(yīng)用中，需要借助陸地設(shè)備來實現(xiàn)監(jiān)測。因為空氣中的各個組分具有差異性，從而導(dǎo)致陽光光譜吸收也有很大的差別，監(jiān)測設(shè)備能夠獲取光譜吸收橫斷面時的不同數(shù)據(jù)信息，從而對大氣中的各個組份進(jìn)行綜合分析。

第二個方面是車載測量監(jiān)測技術(shù)，這一監(jiān)測技術(shù)在使用時需要在車輛上安裝特殊的車載測量設(shè)備，然后將車開到特定區(qū)域后進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。大氣環(huán)域中因風(fēng)的影響而產(chǎn)生多種污染物的運(yùn)動，車載測量裝置能夠高效地獲得這些污染物運(yùn)動的信息。

遙感監(jiān)測

在大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)中應(yīng)用遙感監(jiān)測技術(shù)，主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

第一個方面是針對大氣成分進(jìn)行遙感監(jiān)測，空氣組分監(jiān)測是空氣污染控制的關(guān)鍵，利用遙感技術(shù)可以獲取空氣中各類污染物的濃度信息，并據(jù)此判斷哪些污染物超過標(biāo)準(zhǔn)，從而制定相應(yīng)的控制措施。該技術(shù)具體是對溫室氣體、干濕沉降、臭氧總量、輻射等進(jìn)行實時監(jiān)控，以便能夠掌握其變化規(guī)律，從而達(dá)到綜合監(jiān)控的目的。

第二個方面是針對臭氧層進(jìn)行遙感監(jiān)測，在大氣環(huán)境監(jiān)測中，不能忽略對臭氧的監(jiān)控，只有對臭氧層細(xì)節(jié)有了詳盡的了解，空氣中的污染物就可以得到更好的控制。針對臭氧層進(jìn)行遙感監(jiān)測，專業(yè)管理部門和工作人員就能夠?qū)Τ粞鯇?、空洞的具體變化趨勢進(jìn)行充分認(rèn)識。

伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)在各個高度上對臭氧層的分布進(jìn)行監(jiān)測，并得到了十分完備和精確的數(shù)據(jù)，這對于進(jìn)行大氣環(huán)境的研究有著十分重要的作用。

原子吸收光譜監(jiān)測

原子吸收光譜監(jiān)測技術(shù)主要被應(yīng)用于實驗室監(jiān)測中，該技術(shù)的基本應(yīng)用原理是利用金屬原子本身所具有的吸附性，使氣體中的金屬元素在基態(tài)原子的作用下，吸收待測原子，并在吸收中形成特定的反射波長。在得到對應(yīng)的反射波長后，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸?，得到不同的光譜圖像。并對其光譜特征進(jìn)行分析，從而得出是否有被污染物質(zhì)的結(jié)論。若檢測到有目標(biāo)物被污染，則需進(jìn)行更多的定量檢測，以確定被污染物質(zhì)與所確定指標(biāo)之間的關(guān)系，如果超出了規(guī)定的范圍，就要立即采取相應(yīng)的措施解決問題。

固體顆粒物監(jiān)測

固體顆粒物監(jiān)測技術(shù)的使用非常普遍，在監(jiān)控過程中，固體顆粒的組成較為復(fù)雜，因此必須利用空氣監(jiān)測設(shè)備，其中主要有二氧化氮和可吸入顆粒物等。

二氧化硫監(jiān)測

二氧化硫是最普遍的一類空氣污染物質(zhì)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，煤炭、石油等傳統(tǒng)能源的使用都會產(chǎn)生二氧化硫和其他形態(tài)的硫化物，在特定的大氣環(huán)境污染監(jiān)控過程中，有關(guān)部門必須加強(qiáng)對二氧化硫的監(jiān)控。

一般來說，最適宜采用的是光度法、庫侖滴定法等，既有較強(qiáng)的抗干擾能力，又有較高的測定準(zhǔn)確率，能夠保證測定結(jié)果準(zhǔn)確性。

氮氧化物監(jiān)測

氮氧化物是典型的污染物，其主要來源為機(jī)動車尾氣，對氮氧化物進(jìn)行實時監(jiān)控，有助于環(huán)境保護(hù)部門了解機(jī)動車尾氣的真實排放狀況。在實際檢測中，可以在城區(qū)公路上安裝固定形態(tài)的機(jī)動車廢氣檢測裝置，從而可以二十四小時進(jìn)行實時檢測。

我國水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是將射頻識別技術(shù)、追蹤技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)等在實現(xiàn)的過程中進(jìn)行運(yùn)用，到現(xiàn)在為止已經(jīng)獲得了較為良好的結(jié)果。IBM 開發(fā)的智能水管理系列項目，屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測工作中的典型運(yùn)用。在實際操作過程中，利用在水體中放入分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，可對水質(zhì)、水量、水氣象等方面展開全方位的監(jiān)測，可以有效地提高監(jiān)測工作品質(zhì)。

通過對其進(jìn)行監(jiān)測，能夠有效地分析出河流生態(tài)變化給生產(chǎn)、生活帶來的影響。在全球范圍內(nèi)，許多其它國家也都將監(jiān)測工作與無線通信等有關(guān)的系統(tǒng)技術(shù)相融合，對所獲得的有關(guān)數(shù)據(jù)展開收集和分析，并對水位、水溫等進(jìn)行采集和分析，這就保證水環(huán)境監(jiān)測工作的真實性和有效性，可以更快地發(fā)現(xiàn)水污染問題，并及時制定應(yīng)對措施，進(jìn)而提升水環(huán)境品質(zhì)。未來科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，水環(huán)境監(jiān)測發(fā)展趨勢越來越趨向于智能化，能夠做到實時采集與分析。

“3S”監(jiān)測

“3S”技術(shù)由遙感、GIS 和GPS 三種技術(shù)組成，將空間、地理和遙感三種技術(shù)融合在一起，能夠高效地采集和分析對象區(qū)域內(nèi)的信息。當(dāng)前，“3S”技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)污染水平監(jiān)測和濕地環(huán)境監(jiān)測，取得了較為顯著的成效?！?S”技術(shù)的高效運(yùn)用能夠提升水質(zhì)監(jiān)控的工作效率，并能夠?qū)⑿畔⑴c現(xiàn)代科技相融合，實現(xiàn)對水質(zhì)的全面監(jiān)控，然而，“3S”技術(shù)在新形勢下的運(yùn)用仍然具有一定的局限，其自身的功能并沒有得到最大程度的體現(xiàn)，其發(fā)展?jié)摿θ匀痪薮蟆?/p>

微生物監(jiān)測

微生物監(jiān)測技術(shù)指的是在工作進(jìn)行的時候，將微生物群放在所要監(jiān)測的水質(zhì)環(huán)境之中，利用微生物群可以對水環(huán)境展開監(jiān)控，同時也是水污染的一個重要標(biāo)志，可以達(dá)到更好的使用效果。其中的微生物主要包括了細(xì)菌、真菌以及一些小型水藻植物等。技術(shù)人員可以根據(jù)微生物群的數(shù)量和變化情況，有效地獲得被監(jiān)測的水質(zhì)污染程度，并根據(jù)一定的計算規(guī)則，與國家監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，進(jìn)而可以對被監(jiān)測的水體污染狀況作出判斷。

發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測

當(dāng)前，發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測技術(shù)主要是以生物細(xì)胞的發(fā)光特點和污染物基因毒性特點為核心，并采用先進(jìn)的水質(zhì)毒素測定儀來對被監(jiān)測水體水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，該技術(shù)的優(yōu)點在于能夠快速得出結(jié)果，并且結(jié)果也較為精確?，F(xiàn)階段將發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測技術(shù)與分度法進(jìn)行深入地融合，對于促進(jìn)水環(huán)境監(jiān)測工作的發(fā)展，為我國水環(huán)境管理工作帶來了更多的發(fā)展空間。

生物行為反應(yīng)監(jiān)測

利用生物行為反應(yīng)監(jiān)測法，可以對被監(jiān)測水體中的微生物進(jìn)行更為細(xì)致、精確的觀測和分析，并可以根據(jù)其動作來判定被監(jiān)測水體的污染程度。現(xiàn)階段生物行為反應(yīng)監(jiān)測法得到了越來越多的認(rèn)可和運(yùn)用，通常來說，生物行為反應(yīng)監(jiān)測法主要用到軟體動物、魚類等來對水體進(jìn)行監(jiān)控，而比較好的適合用來監(jiān)控水體的生物是斑馬魚，一旦水體受到污染，斑馬魚就會表現(xiàn)出異常的變化，從而被所察覺。另外通過實驗，已經(jīng)證實斑馬魚和人的行為存在較多相似點，技術(shù)人員可以用這個方法來解釋為什么水環(huán)境污染會對人們的生活造成負(fù)面影響。

我國土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展

“3S”監(jiān)測技術(shù)

通過“3S”技術(shù)，可以獲得各區(qū)域的土壤環(huán)境信息，并根據(jù)各區(qū)域的特點，給出相應(yīng)的解決對策，從而更好地實施各區(qū)域的土壤環(huán)境保護(hù)工作，提高國家的土壤環(huán)境質(zhì)量。

信息技術(shù)

國內(nèi)在信息化和數(shù)據(jù)化方面有了較大的突破，在土壤環(huán)境監(jiān)測方面，可以有效地提升技術(shù)人員的技術(shù)水平，同時也可以有效地對土壤組分進(jìn)行精確解析，從而保證數(shù)據(jù)的可靠和科學(xué)。

在運(yùn)用該技術(shù)的時候，科技工作者們更多的關(guān)注于無線傳感技術(shù)，充分利用其信息傳遞強(qiáng)大功能，如當(dāng)要監(jiān)控整個土體狀況時，利用無線傳感技術(shù)，能夠精確的解析出各種土體狀況，并突破時空局限，把土體資訊傳遞給資料庫，極大的提升土體資訊傳遞品質(zhì)。

X 射線斷層掃描監(jiān)測

X 射線斷層掃描是一種無損檢測方法，能在不損傷土體的前提下，對土體中的X 射線進(jìn)行發(fā)射和接收，當(dāng)X 射線穿過土體時，會產(chǎn)生一定的衰減，經(jīng)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和空間解析后，就能得到反映土體剖面特征的數(shù)字圖像。

與遙感、SEM 等技術(shù)相比，該技術(shù)不僅能夠?qū)ν翆拥谋韺雍蛢?nèi)部進(jìn)行實時觀測，而且能夠?qū)ν翆又械募?xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化。另外為了提高CT 成像的定量分析性能，還可以利用SEM構(gòu)建訓(xùn)練樣本。

聲發(fā)射監(jiān)測

聲發(fā)射監(jiān)測擬利用四向存儲能量，將其轉(zhuǎn)化為10-10000kHz 的低量級體波，并通過聲發(fā)射AE 傳感設(shè)備采集顆粒重排、晶粒尺度移動、裂紋形成與固體表面摩擦中生成的聲學(xué)變化信息，并對其進(jìn)行定量化表征。目前利用聲發(fā)射探測技術(shù)，可獲取土壤中液橋斷裂、裂隙發(fā)育、力鏈釋放、顆粒間摩擦、膠結(jié)斷裂、土壤纖維斷裂等AE 來源，以達(dá)到探測土壤中復(fù)雜生命過程的目標(biāo)。

光學(xué)遙測監(jiān)測

在土壤環(huán)境的實時監(jiān)測技術(shù)方面，利用土壤光學(xué)遙測和監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)，就可以在中遠(yuǎn)距離的傳感設(shè)備上獲得多種土壤信息，利用衛(wèi)星對遙感光傳感器進(jìn)行連續(xù)照射，可以獲得不同的土壤環(huán)境中的多種數(shù)據(jù)，再利用遙感傳送和分析系統(tǒng)，就可以將所獲得的遙感數(shù)據(jù)直接傳送給衛(wèi)星遙感平臺的電腦終端。

如此一來，就能極大的減輕工作人員壓力，極大地降低獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的工作時間，可以更有效、更快、更準(zhǔn)確地對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估和分析，更有效地實現(xiàn)土壤環(huán)境實時監(jiān)測。

多介質(zhì)環(huán)境、生態(tài)系感知融合

為使環(huán)境檢測項目的最后的結(jié)果更為的科學(xué)化和精確化，一定要隨時關(guān)注在執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測的項目時所要采用的很多的對象介質(zhì)，要對這些對象各種不清楚的因素進(jìn)行充分考量，以防止未來由于某些不確定因素缺失，造成環(huán)境觀測項目的結(jié)果產(chǎn)生一些錯誤。

在進(jìn)行大數(shù)據(jù)的分析和處理的時候，一定要充分地將其它的大數(shù)據(jù)工具相融合，這樣就可以避免由于沒有可以進(jìn)行對比數(shù)據(jù)源，而導(dǎo)致只能夠?qū)Υ髷?shù)據(jù)中的錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行直接處理。利用生態(tài)系統(tǒng)中的生物感知識別技術(shù)，期望把土壤環(huán)境信息可視化監(jiān)測預(yù)測系統(tǒng)技術(shù)往另一種智能監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方向上發(fā)展，但因為到現(xiàn)在這兩項新技術(shù)和它們的應(yīng)用方式還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠完善，所以可能還要在這個方面不斷地努力。

環(huán)境監(jiān)測技術(shù)可以為人們的環(huán)保工作提供科學(xué)、理性的支持基礎(chǔ)，對于預(yù)防、控制和增強(qiáng)人們的環(huán)保意識具有十分重大的實際意義。在未來的工作中，要更加注重對大氣、水、土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，增加技術(shù)資源投資，使其更加規(guī)范化，提高監(jiān)測技術(shù)水平，更新監(jiān)測設(shè)備，提高監(jiān)測人員整體素質(zhì)，構(gòu)建和完善環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，促進(jìn)我國環(huán)境監(jiān)測工作的深入發(fā)展。