吳對林，李美敏，劉永定，胡榮光

（東莞市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，廣東 東莞 523009）

東莞市大氣復(fù)合污染自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究

吳對林，李美敏，劉永定，胡榮光

（東莞市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，廣東 東莞 523009）

在大氣復(fù)合污染日趨嚴(yán)重的形勢下，東莞市結(jié)合自身實(shí)際，經(jīng)過優(yōu)化布點(diǎn)、功能定位、總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、子站設(shè)計(jì)建造、信息管理平臺開發(fā)等過程，開發(fā)建設(shè)了多功能、集成化和自動化的大氣自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并開展了創(chuàng)新、探索性研究。

大氣復(fù)合污染;自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò);開發(fā)應(yīng)用

1 前言

由于產(chǎn)業(yè)布局和機(jī)動車快速增長等多種因素的影響，近年來珠三角城市群出現(xiàn)了不同程度的光化學(xué)煙霧污染、顆粒物細(xì)粒子污染和灰霾天氣等復(fù)合型污染，態(tài)勢日趨嚴(yán)峻[1]。為深入研究大氣復(fù)合污染的成因和機(jī)理，掌握污染源控制技術(shù)，有效遏制大氣復(fù)合污染蔓延，東莞市自2006年5月起開發(fā)建設(shè)城市級大氣復(fù)合污染自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，于2008年5月建成了由6個(gè)市區(qū)固定子站、1個(gè)松山湖園區(qū)固定子站和1部環(huán)境空氣流動監(jiān)測車組成的東莞市“7+1”大氣復(fù)合污染自動監(jiān)測網(wǎng)。東莞市環(huán)境監(jiān)測站組織相關(guān)技術(shù)人員，全程參與了大氣自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和開發(fā)，并借助網(wǎng)絡(luò)的最新監(jiān)測數(shù)據(jù)，對東莞市大氣復(fù)合型污染的現(xiàn)狀和成因進(jìn)行了初步的研究；特別是利用世界先進(jìn)水平的納米粒子采樣系統(tǒng)，對大氣顆粒物按粒徑分級采樣到納米級，并對顆粒物中的重金屬、有機(jī)物成分等進(jìn)行了探索性研究。

2 技術(shù)路線

本研究項(xiàng)目采用的技術(shù)路線分為7個(gè)階段，詳見圖1。

圖1 東莞市大氣復(fù)合污染自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)開發(fā)應(yīng)用技術(shù)路線圖

3 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)開發(fā)

3.1 優(yōu)化布點(diǎn)

采用大氣自動和流動監(jiān)測為技術(shù)支撐的“網(wǎng)格優(yōu)化法”，在獲得大量實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)和模擬計(jì)算[2]。優(yōu)化布點(diǎn)的詳細(xì)內(nèi)容和步驟如下：

（1）采用固定子站和流動監(jiān)測車相結(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)格法空氣質(zhì)量監(jiān)測。除原有的3個(gè)固定子站外，其它網(wǎng)格用流動空氣監(jiān)測車進(jìn)行。監(jiān)測時(shí)間為2007年7—9月。選取包含東莞建成區(qū)67.67km2及周邊的地區(qū)作為監(jiān)測范圍，布設(shè)了2.0×2.0（km）監(jiān)測網(wǎng)格29個(gè)。如圖2所示。

（2）對網(wǎng)格法空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，摸清各網(wǎng)格CO、O3、NO2、SO2、PM10等污染物濃度分布特點(diǎn)和市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量的總體水平[3]。監(jiān)測分析結(jié)果見圖3～圖7。

圖4 市區(qū)NO2濃度場分布圖

圖5 市區(qū)PM10濃度場分布圖

圖6 市區(qū)O3濃度場分布圖

圖7 市區(qū)CO濃度場分布圖

（3）對原有3個(gè)子站點(diǎn)位的代表性進(jìn)行評價(jià)：通過總體水平代表性分析（相對誤差分析）、變化趨勢相關(guān)性分析（和市區(qū)總體均值相關(guān)系數(shù)分析）表明，原有3個(gè)子站的部分指標(biāo)O3、NO2、PM10與城市總體水平有極顯著的相關(guān)性，另一部分指標(biāo)（如SO2）存在較大差異，反映出原有3個(gè)子站與城市總體的空氣質(zhì)量變化存在既有相關(guān)性又有差異的特點(diǎn)。

（4）優(yōu)化方案選?。簩y點(diǎn)按濃度進(jìn)行聚類分析和偏差分析，對方案均值、百分位數(shù)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化，選取網(wǎng)格濃度與總體濃度具有顯著相關(guān)者作為首選，選取方差較小的作為備選，形成多個(gè)測點(diǎn)組合方案，達(dá)到濃度代表性的均勻分布和優(yōu)化；按空間代表性優(yōu)化，結(jié)合數(shù)理檢驗(yàn)、地形地貌、污染源和監(jiān)測采樣條件等進(jìn)行綜合分析和篩選，取得可實(shí)施的優(yōu)化方案。

（5）優(yōu)化結(jié)果：優(yōu)化后的市區(qū)大氣監(jiān)測布點(diǎn)方案為，由原有蠔崗小學(xué)、莞城二水廠、實(shí)驗(yàn)中學(xué)等3個(gè)固定子站和新增的東城石井、南城西平、萬江蜆涌3個(gè)固定子站組成優(yōu)化后的市區(qū)大氣自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

3.2 “7+1”大氣自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的確定

2007年，《東莞市空氣監(jiān)測點(diǎn)位優(yōu)化布點(diǎn)研究》通過了廣東省環(huán)保局組織的專家評審，6個(gè)固定子站點(diǎn)位也獲得廣東省環(huán)保局的認(rèn)證。為進(jìn)一步滿足東莞市空氣環(huán)境質(zhì)量管理的需要，同時(shí)考慮到松山湖科技園作為新興高科技園區(qū)發(fā)展的需要，以及作為市區(qū)對照點(diǎn)的功能，2008年，增加建設(shè)了“松山湖” 固定子站，形成了市區(qū)6個(gè)、松山湖科技園1個(gè)共7個(gè)固定子站。

另外，斥資300多萬元購置環(huán)境空氣流動監(jiān)測車，配備與固定個(gè)子站完全相同的美國賽默飛世爾公司的大氣監(jiān)測儀器和GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，作為固定子站的補(bǔ)充，可以隨時(shí)對環(huán)境敏感地區(qū)或環(huán)境管理需要監(jiān)測的地區(qū)開展空氣質(zhì)量監(jiān)測。

3.3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）總體功能先進(jìn)，具有良好的擴(kuò)展性。網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)行全天候在線大氣自動監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行前段初步處理，數(shù)據(jù)的處理能力強(qiáng)大。采用寬帶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，各子站和監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互訪，數(shù)據(jù)調(diào)閱更加方便、快捷。便于維護(hù)和升級，兼容性強(qiáng)，符合國家“863”重大項(xiàng)目中擬建的城市級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和粵港珠三角空氣監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)指標(biāo)和性能要求。

（2）監(jiān)測項(xiàng)目齊全。自動監(jiān)測的污染物參數(shù)包括二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NO、NO2、NOx）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）、可吸入顆粒物（PM10）、可入肺顆粒物（PM2.5和PM1.0）。其中臭氧（O3）、可入肺顆粒物（PM2.5和PM1.0）是近年來越來越受重視的監(jiān)測項(xiàng)目，被認(rèn)為是大氣復(fù)合污染和灰霾天氣的原兇，目前我國只有少數(shù)大城市裝備這幾種監(jiān)測儀器[4]。

（3）實(shí)現(xiàn)在線、自動化質(zhì)量控制。借鑒“粵港珠江三角洲空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)”的成功經(jīng)驗(yàn)，通過技術(shù)移植，引用已經(jīng)研發(fā)成功的質(zhì)量管理支撐技術(shù)，將智能化、自動化的操作程序和在線測控手段，應(yīng)用到本監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中，自動實(shí)現(xiàn)樣品采集、儀器檢測、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)管理等全過程，從而極大地降低在實(shí)施QA/QC管理體系過程中的勞動強(qiáng)度和人為誤差，在本監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化在線自動質(zhì)量控制[5]。

（4）實(shí)現(xiàn)多維、多源監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)庫共享管理與綜合分析。采用先進(jìn)的GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對東莞市大氣復(fù)合污染的區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效加工、處理、分析、統(tǒng)計(jì)、維護(hù)和可視化發(fā)布，使公眾及時(shí)了解環(huán)境質(zhì)量狀況，提高環(huán)保意識，達(dá)到資源共享、信息公開、全民參與的目的，為環(huán)境質(zhì)量的不斷改善提供信息發(fā)布和公眾監(jiān)督平臺。

4 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

4.1 發(fā)布空氣質(zhì)量信息

自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)獲得的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)信息平臺進(jìn)行自動處理，計(jì)算出每天（以上一日12時(shí)后的監(jiān)測數(shù)據(jù)至當(dāng)日12時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為一個(gè)完整的監(jiān)測日）各子站的空氣質(zhì)量指數(shù)（API），監(jiān)測人員通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)信息管理平臺進(jìn)行網(wǎng)上數(shù)據(jù)審核，然后信息管理平臺自動將空氣質(zhì)量日報(bào)發(fā)送至省監(jiān)測中心、新聞媒體、省市環(huán)境保護(hù)專業(yè)網(wǎng)站等。另外，按照技術(shù)規(guī)范和各級政府部門的要求，通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)定期發(fā)布月報(bào)、季報(bào)和年報(bào)等空氣質(zhì)量信息。

4.2 基本實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測的東莞市覆蓋

在監(jiān)測子站的布設(shè)過程中，不僅考慮滿足市區(qū)范圍空氣質(zhì)量監(jiān)測的需要，還在松山湖科技園設(shè)置1個(gè)固定監(jiān)測子站，作為市區(qū)的對照測點(diǎn)。同時(shí)把流動監(jiān)測車作為本監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)組成部分，在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)投入運(yùn)行的2年多時(shí)間內(nèi)，有計(jì)劃、分步驟地對東莞市28個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)域空氣質(zhì)量進(jìn)行調(diào)查監(jiān)測，共獲得60多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)監(jiān)測點(diǎn)位的監(jiān)測數(shù)據(jù)1萬多個(gè)，實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量監(jiān)測在東莞市的覆蓋。

4.3 空氣質(zhì)量和重點(diǎn)污染物的綜合分析評價(jià)

自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是全天候、自動化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目、多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的同步監(jiān)測。此網(wǎng)絡(luò)既可取得實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，又可統(tǒng)計(jì)各個(gè)時(shí)段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息庫存量大、代表性強(qiáng)。監(jiān)測人員從中能夠掌握各時(shí)間段的環(huán)境空氣質(zhì)量參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對環(huán)境質(zhì)量的綜合分析評價(jià)，包括定性分析評價(jià)、污染物的時(shí)間變化、空間變化、成因分析、變化趨勢等。根據(jù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)獲得的東莞市市區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，我們對2007年和2008年東莞市的空氣質(zhì)量總體情況和各污染物的濃度數(shù)值、變化趨勢進(jìn)行了綜合分析。詳見圖8～圖13。

圖8 2007年與2008年空氣中SO2、NO2和PM10濃度對比

圖9 2008年東莞市區(qū)不同粒徑顆粒物濃度比值

圖10 2008年東莞市區(qū)不同粒徑顆粒物月均濃度

圖11 2008年SO2、NO2和PM10月平均濃度變化曲線

圖12 2007年SO2、NO2和PM10月平均濃度變化曲線

圖13 2008年東莞市臭氧月平均濃度圖

4.4 大氣復(fù)合型污染研究

4.4.1 對顆粒物的探索性研究

納米粒子采樣系統(tǒng)是東莞市環(huán)境監(jiān)測站與東莞理工學(xué)院相關(guān)技術(shù)人員自主研發(fā)的粒子采樣系統(tǒng)，目前已運(yùn)用于西平子站和松山湖子站，并利用該系統(tǒng)對大氣顆粒物進(jìn)行探索性研究[6]。主要有：1）東莞市松山湖地區(qū)不同粒徑顆粒物平均濃度的變動及趨勢研究；2）不同粒徑范圍的顆粒物中含有的重金屬及多環(huán)芳烴等有害化學(xué)成分分析等。

4.4.2 納入“863計(jì)劃” 重大科技項(xiàng)目的研究框架

目前，東莞市已與北京大學(xué)、廣東省環(huán)境監(jiān)測中心簽署合作協(xié)議，將大氣復(fù)合污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)納入國家“十一五”、“863計(jì)劃”，以及重大科技項(xiàng)目“重點(diǎn)城市群大氣復(fù)合污染防治技術(shù)與集成示范”研究框架，重點(diǎn)研究“城市級大氣復(fù)合污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)集成示范技術(shù)”，具體包括：城市級大氣復(fù)合污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化、監(jiān)測技術(shù)集成、配置和規(guī)范、質(zhì)量控制/質(zhì)量保證體系和支撐技術(shù)、數(shù)據(jù)管理、評估和可視化技術(shù)等。

5 結(jié)論

由主要依靠人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析為主的固有模式，向自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化為主的先進(jìn)方式轉(zhuǎn)變，是今后環(huán)境監(jiān)測發(fā)展的必然趨勢。在大氣復(fù)合污染日趨嚴(yán)重的形勢下，及時(shí)開發(fā)建設(shè)高質(zhì)量、多功能、集成化、自動化和智能化的大氣自動監(jiān)測系統(tǒng)，并開展創(chuàng)新性和探索性研究，是深入研究大氣復(fù)合污染狀況的現(xiàn)實(shí)需要，可為東莞市大氣污染防治提供決策依據(jù)創(chuàng)造良好的平臺。

東莞市大氣復(fù)合污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局相對合理，儀器設(shè)備較為先進(jìn)，監(jiān)測項(xiàng)目比較齊全，管理規(guī)范。項(xiàng)目根據(jù)《粵港珠江三角洲區(qū)域空氣監(jiān)控網(wǎng)QA/QC操作手冊》的要求，通過技術(shù)研發(fā)，在多種儀器集成、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程測控上取得了突破，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化質(zhì)控管理以及儀器零點(diǎn)/跨度檢查、多點(diǎn)校準(zhǔn)、精度檢查、流量檢查、流量校準(zhǔn)、遠(yuǎn)程故障診斷，降低了監(jiān)測人員的勞動強(qiáng)度以及監(jiān)測結(jié)果的系統(tǒng)誤差和人為誤差，對我國其他城市開展區(qū)域性大氣復(fù)合污染監(jiān)測工作具有借鑒和示范意義。

在大氣自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究開發(fā)過程中，吸收了國內(nèi)外先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，形成了自己的技術(shù)特色和創(chuàng)新，如監(jiān)測優(yōu)化布點(diǎn)創(chuàng)新、環(huán)境空氣自動監(jiān)測遠(yuǎn)程控制技術(shù)創(chuàng)新、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)管理模式創(chuàng)新、自主研發(fā)的大氣納米粒子采樣系統(tǒng)等，研究成果具有創(chuàng)新性和前瞻性。項(xiàng)目在國家規(guī)定監(jiān)測指標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加了O3、PM2.5、能見度等反映大氣復(fù)合污染的重要指標(biāo)，并采用了納米粒子采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大流量、高密度、低壓力損失的大氣顆粒物采集，解決了傳統(tǒng)方法采樣時(shí)間長、采樣過程中化學(xué)成分容易揮發(fā)等技術(shù)難題，提高了大氣顆粒物濃度及成分分析的準(zhǔn)確性。

[1] 張遠(yuǎn)航.大氣復(fù)合污染是灰霾內(nèi)因[J].環(huán)境，2008（7）.

[2] 中國環(huán)境監(jiān)測總站.大氣環(huán)境監(jiān)測優(yōu)化布點(diǎn)方法 [M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1992.

[3] 國家環(huán)境保護(hù)總局.環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測規(guī)范（試行）[S].國家環(huán)境保護(hù)總局公告（2007，第4號）.

[4] 劉文清，劉建國，謝品華，等.大氣復(fù)合污染立體監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)與應(yīng)用[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2009（4）.

[5] 廣東省環(huán)境監(jiān)測中心站.粵港珠三角質(zhì)控操作手冊[M].廣州：廣東科技出版社.

[6] 李美敏，吳對林，白云鶴.納米顆粒物采樣技術(shù)及其在大氣監(jiān)測中的應(yīng)用[J].環(huán)境，2009（7）.

Application Study on Auto-monitoring Net Work of Air Composite Pollution in Dongguan

WU Dui-lin, LI Mei-min, LIU Yong-ding, HU Rong-guang
(Dongguan Monitoring Station of Environmental Protection, Dongguan Guangdong 523009, China)

With the serious situation of air composite pollution, Dongguan combines its practice to develop and build multi-function, integration and automatic air auto-monitoring network and develop a study on innovation and exploration through the course of location optimization, function orientation, framework design, facility selection. sub-station design and building, information management and platform development.

air composite pollution; auto-monitoring network; development and application

X84

A

1006-5377（2012）07-0057-05