高速公路大氣NO2污染特征監(jiān)測(cè)方法研究

摘要：此研究旨在分析高原地區(qū)高速公路周邊大氣中二氧化氮（NO₂）污染的時(shí)空特征。在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部署了多個(gè)高靈敏度的NO₂污染監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)NO₂濃度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集與監(jiān)測(cè)。此外，還收集了風(fēng)向、風(fēng)速、溫度等關(guān)鍵氣象參數(shù)和車流量等交通相關(guān)數(shù)據(jù)。研究結(jié)果顯示，NO₂濃度在晝夜間有顯著變化，白天濃度低，夜晚上升。季節(jié)性分析表明，春秋季污染水平相對(duì)較低，夏冬季較高。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了地形、氣候、交通流量等多因素對(duì)NO₂污染空間分布特征的復(fù)雜交互作用。此研究為相關(guān)環(huán)境管理和政策制定提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高原區(qū)域；高速公路；NO₂污染；污染特征分析；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：X831 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

大氣污染是當(dāng)今社會(huì)面臨的重要環(huán)境問題之一。氮氧化物（NO₂）作為大氣主要污染物之一，對(duì)空氣質(zhì)量存在直接影響效果。特別是在高速公路等交通密集地區(qū)，NO₂排放源的濃度失控和積累導(dǎo)致了嚴(yán)重的NO₂污染。而在高原區(qū)域高速公路這樣的特殊地區(qū)，由于地理環(huán)境的復(fù)雜性和氣候條件的特殊性，NO₂污染問題表現(xiàn)出與其他地區(qū)不同的特征。這些污染物通過大氣擴(kuò)散和沉降作用，對(duì)周圍的環(huán)境產(chǎn)生直接影響。此外，高原區(qū)域高速公路周邊環(huán)境的地形和氣候條件也可能對(duì)NO₂的分布和擴(kuò)散產(chǎn)生影響。因此，對(duì)高原區(qū)域高速公路大氣中NO₂污染特征實(shí)施分析和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于掌握高原區(qū)域環(huán)境污染狀況、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保障人民健康具有重要意義。

目前，對(duì)于NO₂污染特征的研究集中于城市地區(qū)。在城市地區(qū)，研究者通過建立監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、采集空氣樣本等方式，對(duì)大氣中NO₂的濃度、分布、來源等實(shí)施了深入研究。然而，對(duì)于高原區(qū)域高速公路這樣的交通干線，大氣中NO₂污染特征的研究相對(duì)較少?，F(xiàn)基于其他地區(qū)成果，實(shí)施該區(qū)域高速公路大氣中NO₂污染特征分析及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，旨在為環(huán)境保護(hù)部門提供數(shù)據(jù)支持，為制定有針對(duì)性的高原區(qū)域環(huán)境保護(hù)措施提供依據(jù)，并為高原區(qū)域高速公路周邊環(huán)境空氣質(zhì)量的研究提供一定參考。

1研究區(qū)域與研究方法

1.1研究區(qū)域

瀘定至石棉高速公路位于中國(guó)四川省甘孜藏族自治州的高速公路，起于瀘定縣傘崗坪，終于石棉大杉樹，全長(zhǎng)96.511公里，是連接甘孜高原區(qū)域和雅安市的重要通道。

其中，杵坭隧道是該公路的控制性工程之一，全長(zhǎng)4709米，是四川最長(zhǎng)的高速公路隧道之一。該隧道穿越多處向斜構(gòu)造、斷層破碎帶，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，施工難度極大。為了確保隧道施工質(zhì)量和安全，施工單位采取了一系列措施，包括加強(qiáng)地質(zhì)勘察、采用先進(jìn)的施工工藝和技術(shù)等。目前，杵坭隧道已經(jīng)實(shí)現(xiàn)雙幅貫通，為后續(xù)橋梁預(yù)制T梁架設(shè)及上部結(jié)構(gòu)施工提供了重要通道。因此，研究將以杵坭隧道作為具體的研究區(qū)域。

1.2 NO₂污染監(jiān)測(cè)

將傳感器與印刷技術(shù)融合，設(shè)計(jì)出印制式NO₂傳感器，用于區(qū)域監(jiān)測(cè)。該傳感器采用三叉指電極結(jié)構(gòu)，包括對(duì)電極CE、工作電極WE和參考電極RE，表面覆蓋固體電解質(zhì)和疏水透氣膜。叉指電極簡(jiǎn)化制造流程，提升精度與穩(wěn)定性，適合NO₂監(jiān)測(cè)。NO₂與電極接觸引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)，通過電阻變化反映濃度，實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出。為穩(wěn)定電勢(shì)，加入?yún)⒖茧姌O。實(shí)測(cè)顯示，該傳感器靈敏度達(dá)2.83nA／ppm。

設(shè)計(jì)了一種高共模抑制比的放大電路，用于處理印制式NO₂傳感器的輸出。該電路采用三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)同相放大器A1、A2和一個(gè)差分放大器A3。A1、A2提高阻抗并作為A3的輸入，增強(qiáng)共模抑制比和抗干擾能力。通過調(diào)整R3電阻值，可靈活調(diào)節(jié)放大增益，同時(shí)保持高共模抑制能力，確保單片機(jī)接收的模擬量準(zhǔn)確可靠。

在杵坭隧道上，每隔二十米布設(shè)一個(gè)印制式NO₂傳感器。在選定的點(diǎn)位上安裝NO₂污染監(jiān)測(cè)傳感器，需要注意安裝位置和高度。一般來說，傳感器應(yīng)安裝在離地面一定高度的位置上，以避免地面污染物對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。同時(shí)，安裝位置應(yīng)盡量避開遮擋物和干擾源，以確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

將采樣頻率設(shè)置為每三十分鐘實(shí)施一次采樣。將總試驗(yàn)時(shí)間定為2021年5月1日到2022年4月30日。

1.3搭建傳感器物聯(lián)網(wǎng)

在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部署大量的印制式NO₂傳感器，每一個(gè)傳感器為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用多個(gè)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建傳感器物聯(lián)網(wǎng)，以完成NO₂污染監(jiān)測(cè)信息的采集和感知。利用低速傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)以及數(shù)據(jù)傳輸。最后，將收集到的信息發(fā)送給用戶。作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本功能單元，NO₂污染監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)由微型處理器來控制，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集等功能。其中，NO₂污染監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖1。

設(shè)計(jì)的微型處理器具體如下：該微型處理器的硬件設(shè)計(jì)包括核心板和擴(kuò)展板兩部分。其中核心板包括微控制器芯片、電源模塊等核心部件。擴(kuò)展板則包括存儲(chǔ)模塊、無線傳輸模塊以及傳感器接口等外圍設(shè)備。

選用3.6V外部電源作為該微型處理器的供電電源，在電源線上添加去耦電容來減少電源噪聲。使用穩(wěn)壓器來提供穩(wěn)定的電源電壓。使用穩(wěn)壓器或LDO等元器件來提供穩(wěn)定的電源電壓。

選用ARM Cortex-M微控制器作為微控制器芯片，具有高性能、低功耗、易于開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。該芯片采用32位處理器設(shè)計(jì)，具有豐富的外設(shè)接口和定時(shí)器，適用于各種嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

傳感器接口用于連接NO₂污染監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。該接口采用RS-232串口接口。

無線傳輸模塊用于將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給用戶。設(shè)計(jì)一個(gè)Zigbee傳輸模塊，設(shè)計(jì)具體如下：

選用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，在該芯片外部設(shè)置晶振電路，由32.768kHz低頻石英晶和32MHz高頻石英晶振組成，以確保時(shí)間精度并產(chǎn)生準(zhǔn)確的信號(hào)脈沖。同時(shí)，該芯片使用干電池供電，電壓標(biāo)準(zhǔn)為3.3V。為了滿足控制器的運(yùn)行要求，需要通過電壓轉(zhuǎn)換電路實(shí)施電壓轉(zhuǎn)換。另外，設(shè)計(jì)還設(shè)置了一個(gè)手動(dòng)復(fù)位按鈕，其復(fù)位引腳在低電平時(shí)有效，即按下復(fù)位按鍵后設(shè)備將清零并回到初始狀態(tài)，正常情況下該引腳處于高電平狀態(tài)。

存儲(chǔ)模塊采用SPI Flash存儲(chǔ)模塊，是一種大容量存儲(chǔ)芯片，可滿足長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。

在該無線網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，將路由器作為中間節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)整理信息數(shù)據(jù)并發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)不僅能夠選擇信道、建立網(wǎng)絡(luò)，還能夠?yàn)槠渌?jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。此外，匯聚節(jié)點(diǎn)作為無線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過無線傳感網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)最終的數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)和處理。所選用的匯聚節(jié)點(diǎn)為Zigbee協(xié)議的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

1.4其他數(shù)據(jù)獲取

調(diào)查的氣象參數(shù)包括風(fēng)向、風(fēng)速、溫度等。當(dāng)空氣作水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，既有速率，也有方向。測(cè)定以m/s為風(fēng)速單位。風(fēng)向采用順時(shí)針角度定義，0°、90°、180°及270°分別代表正北、正東、正南和正西。

具體步驟如下：將刻度紙貼在風(fēng)向標(biāo)上，確保平整且無氣泡。將風(fēng)向標(biāo)固定在空曠的地方，確保其能夠自由旋轉(zhuǎn)。觀察風(fēng)向標(biāo)，當(dāng)風(fēng)吹來時(shí)，風(fēng)向標(biāo)會(huì)旋轉(zhuǎn)。觀察風(fēng)向標(biāo)指向哪個(gè)方向，記錄風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)的度數(shù)，記錄在刻度紙上或者記錄在一個(gè)表格中。根據(jù)記錄的風(fēng)向和度數(shù)，可以大致判斷出風(fēng)向。

風(fēng)速數(shù)據(jù)采用泰儀風(fēng)速計(jì)AVM-03/AVM-01來測(cè)試。這款儀器具有高靈敏度，符合人體工學(xué)，使用方便簡(jiǎn)單。測(cè)量范圍為0.0～45.0m/s，最小可測(cè)風(fēng)速為0.3m/s。

溫度測(cè)定采用數(shù)位溫濕度表CENTER311來進(jìn)行，測(cè)量范圍為-200℃～60℃。

在研究中，通過錄像法記錄車流量等交通參數(shù)。

1.5質(zhì)量保證

為確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，嚴(yán)格按照《環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定來執(zhí)行質(zhì)量保證措施。主要控制措施包括：

（1）定期檢查監(jiān)測(cè)儀器的主要性能指標(biāo)，如重現(xiàn)性、響應(yīng)時(shí)間、零點(diǎn)漂移、流量等。

（2）及時(shí)對(duì)儀器實(shí)施維護(hù)保養(yǎng)，更換已達(dá)到使用年限的部件。

（3）定期使用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)儀器實(shí)施校準(zhǔn)與標(biāo)定。

1.6研究方法

利用搭建的傳感器物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域的NO₂污染監(jiān)測(cè)，并結(jié)合其他數(shù)據(jù)實(shí)施研究區(qū)域NO₂污染時(shí)空特征分析。

2 NO₂污染特征分析

2.1時(shí)間特征分析

為了深入了解研究區(qū)域的NO₂污染特征，分別進(jìn)行了日夜和四季的污染均值分析，研究區(qū)域日夜的NO₂污染均值情況如圖2所示，研究區(qū)域四季的污染特征變化情況見圖3。

從圖2可以觀察到，研究區(qū)域大氣中NO₂白天與夜晚的污染特征存在一定差異。白天時(shí)，由于太陽輻射的加熱作用，地表溫度上升較快，而高層大氣溫度相對(duì)較低。這種溫度梯度導(dǎo)致垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，污染物更容易隨著空氣流動(dòng)而擴(kuò)散和稀釋。因此，在白天，研究區(qū)域大氣中的NO₂濃度表現(xiàn)相對(duì)較低，整體擴(kuò)散情況較為良好。然而，在夜晚，情況則有所不同。夜晚時(shí)，地表降溫較快，而高層大氣溫度相對(duì)較高，形成逆溫層。逆溫層的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致污染物在低空積累。因此，在夜晚，研究區(qū)域大氣中的NO₂濃度相對(duì)較高，擴(kuò)散情況較差。

此外，夜晚還可能出現(xiàn)局地環(huán)流和山谷風(fēng)等特殊氣象條件，影響污染物的擴(kuò)散和傳輸。例如，在山谷風(fēng)較弱或停滯時(shí)，污染物可能在山谷中積累，導(dǎo)致NO₂濃度升高。

研究區(qū)域大氣中NO₂四季污染變化特征有差異，如圖3所示。春季氣溫升高，冰雪融化，NO₂濃度較低；夏季氣溫最高，水體流量大，NO₂濃度相對(duì)較高；秋季氣溫降低，水體凍結(jié)，NO₂濃度較低；冬季氣溫最低，水體完全凍結(jié)，風(fēng)力小，NO₂濃度相對(duì)較高。此外，冬季車輛使用暖風(fēng)和預(yù)熱，污染物排放較多。

2.2空間特征分析

研究區(qū)域的NO₂空間污染特征情況具體見圖4。

受地形、氣候、交通流量、風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫等因素綜合影響，研究區(qū)域的NO₂空間污染特征復(fù)雜多樣。地形因素使高原區(qū)域氣流不穩(wěn)定，空氣流動(dòng)受限，不利于NO₂擴(kuò)散和稀釋，峽谷地區(qū)的濃度相對(duì)集中且較高。氣候因素中逆溫可能導(dǎo)致NO₂積累和污染加重，光化學(xué)反應(yīng)可能增加NO₂生成和擴(kuò)散。交通流量是影響高速公路NO₂空間污染特征的重要因素，污染主要集中在高速公路地帶。風(fēng)向和風(fēng)速影響污染物的輸送和擴(kuò)散速度，特定風(fēng)向下污染物可能被輸送到周圍地區(qū)，風(fēng)速增大時(shí)污染物更容易擴(kuò)散和稀釋。氣溫因素在較低氣溫條件下，空氣中的分子運(yùn)動(dòng)速度減緩，污染物在空氣中的擴(kuò)散和稀釋變得更為困難，可能導(dǎo)致NO₂等污染物在高速公路上空積累，進(jìn)而加重污染。

3結(jié)束語

通過對(duì)高原地區(qū)高速公路周邊大氣中NO₂污染的全面監(jiān)測(cè)與分析，揭示了該地區(qū)NO₂污染的時(shí)空特征及其復(fù)雜性。通過對(duì)高原區(qū)域高速公路大氣中NO₂污染特征的分析和研究，取得了以下研究成果：在研究中，采用了印制式NO₂傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高原區(qū)域高速公路大氣中NO₂的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過對(duì)高原區(qū)域高速公路大氣中NO₂的監(jiān)測(cè)和分析，得到了高原區(qū)域高速公路NO₂的時(shí)空分布和變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，高原地區(qū)高速公路周邊大氣中NO₂污染呈現(xiàn)顯著的晝夜與季節(jié)性變化特征，空間分布受地形、氣候、交通流量及氣象參數(shù)等多重因素復(fù)雜交互影響。白天NO₂濃度較低，夜間則因排放累積而上升；春秋季污染較輕，夏冬季則較重，這進(jìn)一步證實(shí)了氣候因素對(duì)NO₂污染分布的重要作用。