大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)應用研究

季寅星

（江蘇省南通市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，江蘇 南通 226001）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和人們環(huán)境保護意識的不斷增強，社會各界人士對大氣污染防治要求關注度與重視度進一步提高。另一方面，隨著我國工業(yè)技術的快速優(yōu)化更新和城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，大氣環(huán)境污染問題在一定程度上更加嚴峻，并且污染范圍和污染程度逐步擴大，而大氣環(huán)境質(zhì)量與人類健康以及可持續(xù)未來生活發(fā)展等息息相關，因此，必須加強對大氣污染防治的重視。在此背景下，該文對大氣污染防治中的網(wǎng)格化系統(tǒng)應用進行了深入研究，也就具備一定的理論意義和現(xiàn)實價值。

1 大氣污染防治網(wǎng)格化的目的

采用大氣污染網(wǎng)格化系統(tǒng)對周圍大氣環(huán)境進行監(jiān)控與管理，能為大氣污染網(wǎng)格化系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的相關單位提供大氣環(huán)境實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測資料，也能為相關單位提供大氣環(huán)境質(zhì)量超標的報警信息或示警信號。在此過程中，大氣環(huán)境網(wǎng)格化監(jiān)控系統(tǒng)主要通過對覆蓋范圍內(nèi)的大氣環(huán)境進行網(wǎng)格化監(jiān)管。確保網(wǎng)格化系統(tǒng)監(jiān)管得到的數(shù)據(jù)信息、地理位置信息以及氣象數(shù)據(jù)信息等精確科學，再利用該部分信息對整個覆蓋范圍內(nèi)的大氣環(huán)境進行全面系統(tǒng)的分析，對轄區(qū)內(nèi)的大氣環(huán)境污染情況進行定期診斷和或不定期監(jiān)控，在結(jié)合各專業(yè)數(shù)據(jù)信息分析軟件的基礎上，利用相應的數(shù)學模型，對大氣污染網(wǎng)格化系統(tǒng)轄區(qū)范圍內(nèi)的實際污染情況進行評估，再深度剖析造成該范圍內(nèi)污染狀況的主要污染源，為相關單位提供更加準確的大氣環(huán)境監(jiān)控信息，最后針對性地提出消除大氣環(huán)境污染源的科學合理的管理措施。在此基礎上，相關單位還可以進一步開展大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)應用后評估工作。

另一方面，大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)的應用，還能對城市的主要污染物排放情況進行實時監(jiān)督與管理，并且該管理系統(tǒng)還能夠重點管理城市中的部分重工業(yè)較為集聚的特色區(qū)域，即通過對特色重點區(qū)域的把控而加強對整個城市大氣環(huán)境污染的管控力度。在此基礎上，通過對所有大氣環(huán)境進行監(jiān)管和對重點區(qū)域的監(jiān)管，準確找到城市區(qū)域內(nèi)所存在的主要污染源，科學合理地評估城市大氣污染，確保定向治理和定向減排等諸多工作開展成效，為當?shù)卣块T開展大氣環(huán)境污染防治工作提供強有力的數(shù)據(jù)支撐，更為改善城區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量和提升空氣質(zhì)量、保證城區(qū)人民身體健康等做出應有的貢獻。

2 國內(nèi)外大氣污染防治網(wǎng)格化技術現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

從國際范圍看，大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)測技術主要采用網(wǎng)格化傳感器技術，是對其空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)信息監(jiān)測工作中的對比測試和小范圍使用的基礎工作，而實踐應用于空氣污染監(jiān)測的傳感器仍舊處于技術開發(fā)早期，并未出臺關于空氣監(jiān)測傳感器應用于網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)的相關標準與技術規(guī)程。美國和歐盟從2013年開始關注網(wǎng)格化傳感器技術在大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)中的應用與監(jiān)測管理，但是現(xiàn)階段絕大部分微型傳感器應用于空氣質(zhì)量監(jiān)測和管理研究仍舊多為民間組織和學校實驗，并未開啟大范圍區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況研究。同時，國外關于大氣自動監(jiān)測設備的主流制造商現(xiàn)階段仍舊處于小型空氣傳感器設備試驗階段，并未實現(xiàn)市場化和工業(yè)化生產(chǎn)。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

為了進一步重視城市大氣環(huán)境監(jiān)管效能，我國生態(tài)環(huán)境部早在2018年即啟動千里眼計劃，利用衛(wèi)星遙感技術等高科技技術加強對城市大氣環(huán)境的監(jiān)管，并進一步提出利用互聯(lián)網(wǎng)技術、大數(shù)據(jù)平臺和微型監(jiān)測站等諸多方式，探索構(gòu)建熱點網(wǎng)格、地面監(jiān)測和移動式監(jiān)測設備相結(jié)合的工作模式，精確監(jiān)測城區(qū)范圍內(nèi)大氣環(huán)境中的污染物濃度變化和遷移狀態(tài)，不斷提高城區(qū)大氣污染監(jiān)管水平。目前，各類型大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)測技術已經(jīng)應用于我國重點區(qū)域大氣環(huán)境精細化管理，成為有效推動我國城區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測智能化、科技化和高效化的重要推手，更為應對我國城區(qū)散亂污等各類污染源的治理奠定了堅實的基礎。另一方面，由于大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)測設備成本較低、運行維護量較低以及安裝便捷等諸多優(yōu)勢，北京、深圳甚至河北、廣東等諸多省份率先開啟了大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)應用工作，部分地區(qū)甚至出臺了大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)監(jiān)測地方標準，為大氣污染物防治與監(jiān)管做出了一定的貢獻。

3 網(wǎng)格化監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

3.1 技術組成與原理

大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)測單元、質(zhì)控單元和數(shù)據(jù)處理分析單元等3個部分，其架構(gòu)示意圖如圖1所示[1]。監(jiān)測單元主要包括多臺微型空氣監(jiān)測站，該類設備可以具體分為微型六參數(shù)監(jiān)測站、微型顆粒物監(jiān)測站以及其他監(jiān)測站，主要是對大氣環(huán)境中的各類數(shù)據(jù)信息進行實時監(jiān)控與管理，確保將大氣環(huán)境中的相關參數(shù)信息傳遞到數(shù)據(jù)處理分析單元。質(zhì)控單元則主要包括大氣環(huán)境模擬艙和質(zhì)控設備等，質(zhì)控設備可以進一步根據(jù)具體質(zhì)量控制需求選擇相應的設備類別，而監(jiān)測單元在出廠前，為了確保其大氣環(huán)境數(shù)據(jù)信息測量的準確性，應該在大氣環(huán)境模擬艙內(nèi)經(jīng)過一定的質(zhì)量設備控制校準，監(jiān)測單元安裝后也應該定時進行質(zhì)量控制設備校準，確保大氣環(huán)境數(shù)據(jù)信息監(jiān)測的準確度與科學性。最后是數(shù)據(jù)處理分析單元，該部分主要包括數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、運算模塊甚至數(shù)據(jù)分析與管理模塊等，主要負責將監(jiān)測單元所測得的大氣環(huán)境相關數(shù)據(jù)信息進行深度分析處理，對整個大氣環(huán)境污染情況進行定性判斷。

就大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)控系統(tǒng)的技術原理來說，不同類別的污染物可以形成截然不同的監(jiān)測技術，為了提高數(shù)據(jù)信息監(jiān)測的準確度與科學性，也應該采取不同的技術原理，保證網(wǎng)格化數(shù)據(jù)系統(tǒng)信息具備的指導價值。例如，在PM污染物的檢測分析過程中，可以借助光散射法作為基本的監(jiān)測原理和監(jiān)測條件，而在對射線吸收法進行處理時，需要定位不同數(shù)據(jù)狀態(tài)下的污染物條件?？傮w來說，大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)測單元和質(zhì)量控制單元對大氣環(huán)境中的各污染物進行系統(tǒng)分析，其原理見表1。

表1 分析原理統(tǒng)計表

3.2 技術要求

大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)控技術是對傳統(tǒng)模式下大氣環(huán)境監(jiān)測技術的有效補充和升級改造，在網(wǎng)格化監(jiān)測技術實踐應用過程中，大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)應該滿足以下技術要求：首先是監(jiān)測參數(shù)的全面性。針對大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)來說，應該嚴格按照國家關于《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》中空氣污染物的一般項目檢測要求，完成對大氣環(huán)境中的顆粒物、硫化物、一氧化碳、二氧化碳等諸多物質(zhì)的周密監(jiān)測[2]。

其次是數(shù)據(jù)信息的準確性，大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)測技術的應用，必須實現(xiàn)覆蓋范圍內(nèi)的全過程實時監(jiān)測，包括對居民、商業(yè)區(qū)、城市道路、建設用地以及工業(yè)聚集排放園區(qū)等環(huán)境監(jiān)測對象的監(jiān)測把關，確保不同監(jiān)測對象之間具有環(huán)境的差異性，保證大氣網(wǎng)格監(jiān)測技術能夠應用于不同場景，并確保監(jiān)測數(shù)據(jù)信息具備可靠性和準確性。再次是分辨率要求。在大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)應用中，由于大氣污染物呈現(xiàn)動態(tài)變化和遷移狀態(tài)，較高分辨率才能捕捉大氣環(huán)境中更多的空氣質(zhì)量信息，而在實踐應用過程中，大氣污染監(jiān)測網(wǎng)格化系統(tǒng)應用技術分辨時間應小于15 min，較常規(guī)空氣質(zhì)量自動監(jiān)測提升了4倍。

最后是數(shù)據(jù)信息傳遞的穩(wěn)定性，在大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)應用過程中必須實時傳遞所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)信息能實時匯集到數(shù)據(jù)處理中心進行深度剖析，保證大氣污染分析最終結(jié)果的可靠性。

3.3 功能實現(xiàn)

大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)應用能夠?qū)崿F(xiàn)以下7個功能。1）能實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時監(jiān)測傳遞和超標數(shù)據(jù)信息的報警。大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)應用，能借助網(wǎng)格化點位數(shù)據(jù)信息得出整個覆蓋范圍內(nèi)的大氣污染物濃度值以及相關氣象數(shù)據(jù)信息，而數(shù)據(jù)信息更新周期往往為每分鐘一次，對大氣環(huán)境中的污染源排放監(jiān)測跟蹤監(jiān)管，甚至可以根據(jù)當?shù)丨h(huán)保局要求設置超過一定規(guī)范數(shù)值后的報警預警信息，方便當?shù)丨h(huán)保局部門對其進行快速響應與管理，進行污染源的排查并實施對應管控措施。2）對區(qū)域空氣質(zhì)量的評價。大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)的應用，能通過對某段時間所覆蓋范圍內(nèi)的空氣質(zhì)量綜合指數(shù)、重污染天數(shù)以及優(yōu)良天數(shù)比例等進行判斷，得出該轄區(qū)內(nèi)的空氣質(zhì)量總體評價結(jié)果，為區(qū)域空氣質(zhì)量查詢提供支撐。3）大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)能借助微型站設備，對其監(jiān)控數(shù)據(jù)、監(jiān)控信息甚至大氣擴散與遷移狀態(tài)、數(shù)據(jù)分析模型等，以熱力圖形式展示轄區(qū)范圍內(nèi)的不同污染物參數(shù)信息分布情況和偏移情況，最終對污染源分布情況進行評估。4）能對敏感區(qū)域以及周邊污染物分布區(qū)域和潛在排放源進行篩選。在大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)應用過程中，能根據(jù)各方位總體平均值的計算，繪制得到大氣污染物玫瑰圖，分析大氣污染物的實際來源，在分析邊界點輸入輸出情況的基礎上，通過掌握污染源的監(jiān)控點位變化數(shù)據(jù)，探究可能存在的污染源類型及其排放時間特征等，對污染源進行定性分析。5）污染源排放規(guī)律和污染特征分析，能根據(jù)大氣污染網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)中的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，分析不同類別的污染源對道路、工地甚至是重工業(yè)區(qū)的排放污染，對其參數(shù)類型進行計算，確保不同生產(chǎn)或生活功能區(qū)的排放時間規(guī)律。6）對污染時間進行追本溯源。針對突發(fā)性的污染事件或特殊污染現(xiàn)象，能通過對其數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測和氣象數(shù)據(jù)的把控，確定污染源的類別和所在區(qū)域，并對其進行針對性管控。7）對轄區(qū)內(nèi)的空氣質(zhì)量進行實時研判和管控措施建議，能根據(jù)具體分析結(jié)果，針對主要污染源地區(qū)和污染源類別提出相對應的管控措施。最后是減排效果評估，能對覆蓋范圍內(nèi)的污染源管控效果進行后評估，通過分析大氣污染擴散模型等模擬污染物管控措施實施前后周邊污染貢獻的變化情況，為相關部門污染物管控措施提供參考。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

4 實際應用案例分析

該文以某市大氣污染防治網(wǎng)格系統(tǒng)應用為研究對象，由于該市大氣污染情況日益嚴重，該市實施了大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)應用，圖2即為市區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)。以國家控制點為中心，結(jié)合了六參數(shù)微型站和射線揚塵站等諸多監(jiān)測設備，建立了大氣污染網(wǎng)格化監(jiān)測體系，實現(xiàn)對該轄區(qū)范圍內(nèi)的敏感點位的實時監(jiān)測和科學管控。通過對該市大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)精確監(jiān)測所得數(shù)據(jù)信息的探究可知，由于該市地理位置特殊，偏東風為主導風，并且其城區(qū)三面環(huán)山，小風、靜風頻率出現(xiàn)較高，一旦遇到不利氣象條件，該地區(qū)污染物很容易大量累積。

同時，外來污染物的輸入，一定程度上加重了該市大氣環(huán)境污染。鑒于該地區(qū)污染條件和地理位置狀況，迫切需要調(diào)整布局，統(tǒng)籌協(xié)作。因此，該市的政府部門購買了大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)測體系，提高了大氣環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)管的智能化水平與自動化管理水平，利用高密度設置的微型監(jiān)測站等實時把控大氣環(huán)境中質(zhì)量細微變化，并且第一時間將相關數(shù)據(jù)信息傳送到平臺層，進行數(shù)據(jù)的剖析和自動修正，使相關執(zhí)法部門開展工作能具有針對性和系統(tǒng)性。

另一方面，該市根據(jù)高科技打造的大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)污染源并積極上報，利用展示平臺遠程控制幾百米之外的排污企業(yè)，加強政府部門決策力度，提高污染嚴重時期政府部門對排污企業(yè)的實時監(jiān)控力度，減少對大氣環(huán)境質(zhì)量的不良影響。

5 結(jié)論

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快和工業(yè)進程的不斷變革，城市環(huán)境問題在一定程度上不斷凸顯，城市人居環(huán)境建設和管理難度逐步提高。面對交通堵塞、大氣環(huán)境污染等多種城市病，改善城市人居環(huán)境質(zhì)量已然成為城市可持續(xù)發(fā)展領域的重要內(nèi)容，利用自動化、智能化和網(wǎng)絡化的大氣污染防治網(wǎng)格化系統(tǒng)，能為快速解決城市大氣環(huán)境污染問題提供一定數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)，能構(gòu)建網(wǎng)格化城市管理模式，有效整合城市大氣環(huán)境管理資源，不斷提高大氣環(huán)境管理效能，形成以大氣污染防止網(wǎng)格化體系為基礎、GIS系統(tǒng)為平臺、城市環(huán)境問題為對象的反應快速的城市環(huán)境管理模式，為有效解決城市環(huán)境問題提供支撐。

圖2 某市區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)