天津市街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊 寧 關(guān)玉春 陳 魁 肖致美 畢溫凱 高璟赟 李 鵬

(天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津 300191)

引言

天津市街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊 寧 關(guān)玉春 陳 魁 肖致美 畢溫凱 高璟赟 李 鵬

(天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津 300191)

基于網(wǎng)格化大氣污染防治工作，開展小尺度、密集網(wǎng)布設(shè)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的研究，構(gòu)建天津市街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對(duì)街鎮(zhèn)級(jí)別尺度的顆粒物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，精細(xì)分析顆粒物濃度時(shí)空分布特征，精準(zhǔn)定位高污染區(qū)域。該系統(tǒng)可廣泛用于污染精準(zhǔn)定位、空氣質(zhì)量考核以及區(qū)域傳輸分析，對(duì)科學(xué)開展大氣污染防治工作提供技術(shù)支撐，對(duì)其他省市開展相關(guān)工作提供了借鑒。

街鎮(zhèn)級(jí)；小尺度監(jiān)測(cè)；大氣污染防治；網(wǎng)格化管理

引言

環(huán)境空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)污染現(xiàn)狀的基本前提和科學(xué)基礎(chǔ)。小尺度、密集網(wǎng)布設(shè)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位可以提供精細(xì)化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于準(zhǔn)確掌握區(qū)域污染分布情況，提高大氣污染防治工作的針對(duì)性、科學(xué)性和合理性具有重要指導(dǎo)作用。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過多年探索發(fā)展，已結(jié)合自身空氣污染特征建立相對(duì)成熟的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。美國(guó)主要按照人口和污染程度確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的最低數(shù)量要求，如細(xì)顆粒物監(jiān)測(cè)點(diǎn)位應(yīng)盡量代表居住社區(qū)的空氣質(zhì)量，多數(shù)點(diǎn)位代表尺度為幾公里半徑。歐洲在確定空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位時(shí)，基本按居住區(qū)人口數(shù)量確定點(diǎn)位數(shù)量，一般25萬人口設(shè)置1～2個(gè)點(diǎn)[1-2]。我國(guó)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年發(fā)展，目前已在338個(gè)地級(jí)以上城市建成1436個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，初步完成覆蓋全國(guó)、監(jiān)測(cè)因子完善的國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[3-5]。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)主要針對(duì)城市尺度開展，點(diǎn)位布設(shè)密度較低、單點(diǎn)位覆蓋面積較大，無法精準(zhǔn)把握小尺度區(qū)域的污染分布狀況[6-7]。針對(duì)上述問題，天津市開展街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究，擬建設(shè)全面覆蓋轄區(qū)內(nèi)所有鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道以及重點(diǎn)區(qū)域的街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為精細(xì)分析顆粒物濃度時(shí)空分布、精準(zhǔn)定位污染區(qū)域、科學(xué)開展大氣污染防治工作提供技術(shù)支撐。

1 街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天津市街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是為大氣污染防治網(wǎng)格化管理服務(wù)，因此點(diǎn)位選址、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇、儀器選型、儀器運(yùn)維等方面均在借鑒國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，充分利用原有27個(gè)國(guó)控、市控級(jí)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、結(jié)合屬地的財(cái)政能力、人員水平、管理需要等實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。市、區(qū)兩級(jí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)匯總街鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)審核、統(tǒng)計(jì)、評(píng)價(jià)以及展示功能。

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法主要有空間相關(guān)分析法、法規(guī)模式法、等濃度線法、系統(tǒng)選擇法等[8]?；跒榇髿馕廴痉乐喂ぷ鞣?wù)的目的，天津市街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)采用法規(guī)模式法與系統(tǒng)選擇法相結(jié)合，以鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道和重點(diǎn)區(qū)域等大氣污染防治二級(jí)網(wǎng)格為基礎(chǔ)進(jìn)行布設(shè)[9]。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位選址應(yīng)遵循代表性、可比性、整體性、前瞻性和穩(wěn)定性等原則，同時(shí)滿足監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行要求。

①監(jiān)測(cè)點(diǎn)位應(yīng)位于鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道、重點(diǎn)區(qū)域的建成區(qū)內(nèi)。在滿足規(guī)范的前提下，優(yōu)先選擇鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府、街道辦事處、園區(qū)管委會(huì)所在地，以保證用電、通信條件，監(jiān)測(cè)儀器安全以及后期運(yùn)維便捷。

②監(jiān)測(cè)儀器周圍不能有阻礙環(huán)境空氣流通的障礙物。

③監(jiān)測(cè)點(diǎn)距地面高度根據(jù)選址情況和儀器要求確定，建議離地高度3～20m。

④監(jiān)測(cè)儀器周圍至少50米范圍內(nèi)無明顯固定污染源。

⑤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離主干道，避免車輛尾氣等直接對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾。

1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇

近四年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，顆粒物是影響天津市空氣質(zhì)量的主要污染物，PM2.5和PM10對(duì)天津市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)貢獻(xiàn)超過50%，是大氣污染防治的工作重點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，出于抓住主要問題的考慮，優(yōu)先選取PM2.5和PM10兩項(xiàng)污染物作為必監(jiān)測(cè)項(xiàng)目；經(jīng)濟(jì)條件、運(yùn)行能力允許，或有特殊要求的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位可同步開展SO2、NO2、CO和O3等氣態(tài)污染物以及特殊污染物監(jiān)測(cè)。

1.3 監(jiān)測(cè)儀器選型

顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法包括振蕩天平法和β射線法，其儀器穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要好于其他方法監(jiān)測(cè)儀器，但成本造價(jià)也較高，應(yīng)用于高密度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)經(jīng)濟(jì)成本過高，即便是發(fā)達(dá)國(guó)家也無法承受。同時(shí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法監(jiān)測(cè)儀器對(duì)安裝、運(yùn)行環(huán)境要求較高，需要單獨(dú)建設(shè)站房用于安裝監(jiān)測(cè)儀器，不適于密集網(wǎng)布設(shè)。國(guó)際上的監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是設(shè)備尺寸越來越小，架設(shè)所需要的支持設(shè)施越來越少，并且運(yùn)維簡(jiǎn)便。在這種形勢(shì)下，光散射法的顆粒物監(jiān)測(cè)儀器憑借造價(jià)低廉、安裝方便、運(yùn)維簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，逐漸發(fā)展成熟。國(guó)內(nèi)外相關(guān)工作人員對(duì)光散射方法顆粒物監(jiān)測(cè)儀器與濾膜稱重法進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，結(jié)果顯示其測(cè)量精度、穩(wěn)定性可滿足顆粒物監(jiān)測(cè)的一般需要。如德國(guó)的Grimm Model EDM 180 PM2.5Monitor在2011年3月取得了美國(guó)環(huán)保局(USEPA)等效方法認(rèn)證[10-14]。

綜合考慮系統(tǒng)建設(shè)成本和密集安裝要求，天津市街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)先選用光散射法顆粒物監(jiān)測(cè)儀器，滿足建站條件、經(jīng)濟(jì)條件允許的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位可選用振蕩天平法和β射線法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)儀器。為使各區(qū)縣轄區(qū)內(nèi)各點(diǎn)位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的可比性，各區(qū)縣轄區(qū)內(nèi)各點(diǎn)位應(yīng)使用同一生產(chǎn)廠家的同類型監(jiān)測(cè)儀器。

1.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)采集采用區(qū)、市兩級(jí)平臺(tái)逐級(jí)采集，終端監(jiān)測(cè)儀器的分鐘級(jí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至各區(qū)縣獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)，最后匯總至市級(jí)街鎮(zhèn)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)。數(shù)據(jù)管理平臺(tái)基于地理信息系統(tǒng)開發(fā)，應(yīng)用GIS的地圖處理能力以及數(shù)據(jù)分析功能，將帶有空間位置的空氣監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)可視化顯示。數(shù)據(jù)庫(kù)選用高效、靈活可與Microsoft Visual Studio. Net等開發(fā)工具及軟件系統(tǒng)進(jìn)行無縫集成的SQL Sever。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分主要有五大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)模塊、數(shù)據(jù)超標(biāo)報(bào)警模塊以及報(bào)表產(chǎn)生模塊，包括管理平臺(tái)和手機(jī)APP兩部分，實(shí)現(xiàn)街鎮(zhèn)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布展示功能，提供全市所有街鎮(zhèn)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及變化曲線查詢。

1.5 系統(tǒng)運(yùn)維管理

天津市街鎮(zhèn)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量龐大，平均每個(gè)區(qū)需建設(shè)、運(yùn)維近20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，點(diǎn)位最多的武清區(qū)共36個(gè)街鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。由于區(qū)縣監(jiān)測(cè)站長(zhǎng)期以來并不具備空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站運(yùn)維工作能力，單純依靠市監(jiān)測(cè)中心專業(yè)技術(shù)人員很難完成日常運(yùn)行維護(hù)任務(wù)。因此天津市街鎮(zhèn)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)維維護(hù)工作由第三方運(yùn)維公司承擔(dān)。

街鎮(zhèn)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由專業(yè)運(yùn)維公司運(yùn)維，解決了監(jiān)測(cè)部門人員不足、能力不夠的問題，但也存在諸多隱患。一是運(yùn)維公司以追求經(jīng)濟(jì)利益為目標(biāo)，可能會(huì)出現(xiàn)降低運(yùn)維頻次、不及時(shí)更換耗材、不嚴(yán)格質(zhì)控檢查等問題；二是國(guó)家對(duì)于運(yùn)維公司的資質(zhì)管理、日?？己?、人員素質(zhì)等方面尚無明確要求，導(dǎo)致市場(chǎng)上運(yùn)維公司良莠不齊[15-16]。

為規(guī)范第三方運(yùn)維公司的運(yùn)維工作，保證街鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，由各區(qū)縣監(jiān)測(cè)站承擔(dān)運(yùn)維公司的運(yùn)維質(zhì)量的監(jiān)督、管理、考核工作，制定運(yùn)維技術(shù)規(guī)定以及相應(yīng)的績(jī)效考核方案，從準(zhǔn)入資質(zhì)、運(yùn)行維護(hù)內(nèi)容、運(yùn)行維護(hù)頻次、質(zhì)量控制手段、質(zhì)量保證體系等方面約束運(yùn)維公司行為。相對(duì)應(yīng)的評(píng)估體系主要分為準(zhǔn)入資質(zhì)評(píng)估、運(yùn)維服務(wù)評(píng)估和運(yùn)維績(jī)效評(píng)估等3個(gè)方面，采取以運(yùn)維績(jī)效為主、準(zhǔn)入和運(yùn)維服務(wù)為輔的權(quán)重分配原則，根據(jù)實(shí)際運(yùn)維需求賦予各要素不同的分值，以百分制進(jìn)行量化評(píng)估。依據(jù)綜合評(píng)分結(jié)果開展運(yùn)維服務(wù)商的準(zhǔn)入、遴選、考核、變更等工作。

圖1 天津市街鎮(zhèn)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖

2 街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用情況

2.1 系統(tǒng)建設(shè)情況

在前期系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，天津市街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)于2015年底初步建成，共包括281個(gè)街鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(參見圖1)，全面覆蓋全市16個(gè)區(qū)縣的所有鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道、重點(diǎn)區(qū)域以及天津港、海河教育園區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域。各區(qū)縣的街鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)以及全市數(shù)據(jù)匯總平臺(tái)同期上線，實(shí)現(xiàn)街鎮(zhèn)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示和查詢，為精準(zhǔn)定位高污染區(qū)域、準(zhǔn)確把握大氣污染物空間分布規(guī)律、更好服務(wù)大氣污染防治網(wǎng)格化管理工作提供技術(shù)支撐。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用情況

街鎮(zhèn)級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上線運(yùn)行后，在天津市大氣污染防治工作方面發(fā)揮了重要作用。

(1)各區(qū)縣利用街鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)轄區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道及重點(diǎn)區(qū)域空氣質(zhì)量進(jìn)行考核，對(duì)空氣質(zhì)量較差、改善不佳的區(qū)域負(fù)責(zé)人采取通報(bào)批評(píng)、約談等措施，將空氣質(zhì)量改善壓力層層傳達(dá)，形成上下聯(lián)動(dòng)機(jī)制，有利于大氣污染防治工作的深入開展。

(2)精確到街鎮(zhèn)級(jí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以精準(zhǔn)定位高污染區(qū)域，配合網(wǎng)格監(jiān)督員巡查、摸排，可以準(zhǔn)確找到超標(biāo)排放污染源，特別是一些不在監(jiān)控體系內(nèi)的小鍋爐、散燒點(diǎn)、露天燒烤、臨時(shí)施工等污染排放，對(duì)于空氣質(zhì)量精細(xì)化管理有重要的推動(dòng)作用。

(3)密集布設(shè)的街鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位提供了空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的大數(shù)據(jù)源，結(jié)合風(fēng)向、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)，可對(duì)區(qū)域污染輸送以及污染成因分析提供重要支撐。

3 結(jié) 論

(1)在空氣質(zhì)量持續(xù)改善的壓力下，現(xiàn)有城市尺度空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)已不能滿足大氣污染防治精細(xì)化管理的需要，密集布設(shè)街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位對(duì)于精準(zhǔn)定位高污染區(qū)域、溯源高污染排放源有著重要意義。

(2)天津市街鎮(zhèn)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以服務(wù)大氣污染防治網(wǎng)格化管理為目標(biāo)，對(duì)點(diǎn)位選址、儀器選型、儀器運(yùn)維、數(shù)據(jù)管理等方面開展了因地制宜的靈活設(shè)計(jì)，對(duì)其他省市的空氣質(zhì)量密集網(wǎng)監(jiān)測(cè)工作具有借鑒作用。

(3)系統(tǒng)上線運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)部分街鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在波動(dòng)性較大、一致性較差等問題。初步判斷除與區(qū)域污染特征有關(guān)外，與監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)維不到位、數(shù)據(jù)審核不規(guī)范也有一定關(guān)系，需組織相關(guān)業(yè)務(wù)培訓(xùn)，加強(qiáng)運(yùn)維服務(wù)商的考核監(jiān)督。

(4)多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位只配置顆粒物監(jiān)測(cè)儀器，無法準(zhǔn)確把握氣態(tài)污染物變化特征，可以考慮逐步增設(shè)SO2、NO2、CO和O3等氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

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[16]馮靜，董君，薛蓮.淺談空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的社會(huì)化運(yùn)營(yíng)監(jiān)管[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2013，5(3)：16-19.

Design and Application of Street-Township Level Air Automatic Monitoring System for Tianjin

YANG Ning GUAN Yuchun CHEN Kui XIAO Zhimei BI Wenkai GAO Jingyun LI Peng

(Tianjin Environmental Monitoring Center，Tianjin 300191)

Based on grid air pollution prevention and control work，research of air automatic monitoring in small scale and dense network were developed，and air automatic monitoring system in street-township level of Tianjin was set up. This system was used for monitoring particulate concentration in street-township level，the space-time distribution characteristics of particulate concentration were fine analyzed，and high pollution areas of particulate concentration were precise located. This system was widely applied for precise location of air pollution，assessment of air quality and analysis of regional transmission of air pollution，and could provide scientific support for air pollution prevention and control，also the reference basis for other provinces to carry out related work.

street-township level；air automatic monitoring in small scale；air pollution control；grid management

楊寧，助理工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作

X131.1

A

1673-288X(2017)02-0187-03

項(xiàng)目資助：天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(15YFYSSF00030)

通訊簡(jiǎn)介：關(guān)玉春，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)室分析以及質(zhì)控管理工作

引用文獻(xiàn)格式：楊 寧 等.天津市街鎮(zhèn)級(jí)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(2)：187-189.