天津市街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)設計及應用

楊 寧 關玉春 陳 魁 肖致美 畢溫凱 高璟赟 李 鵬

(天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191)

引言

天津市街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)設計及應用

楊 寧 關玉春 陳 魁 肖致美 畢溫凱 高璟赟 李 鵬

(天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191)

基于網格化大氣污染防治工作，開展小尺度、密集網布設空氣自動監(jiān)測點位的研究，構建天津市街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對街鎮(zhèn)級別尺度的顆粒物濃度進行監(jiān)測，精細分析顆粒物濃度時空分布特征，精準定位高污染區(qū)域。該系統(tǒng)可廣泛用于污染精準定位、空氣質量考核以及區(qū)域傳輸分析，對科學開展大氣污染防治工作提供技術支撐，對其他省市開展相關工作提供了借鑒。

街鎮(zhèn)級；小尺度監(jiān)測；大氣污染防治；網格化管理

引言

環(huán)境空氣質量的實時監(jiān)測是評價污染現(xiàn)狀的基本前提和科學基礎。小尺度、密集網布設的空氣質量監(jiān)測點位可以提供精細化的監(jiān)測數據，對于準確掌握區(qū)域污染分布情況，提高大氣污染防治工作的針對性、科學性和合理性具有重要指導作用。

國外發(fā)達國家經過多年探索發(fā)展，已結合自身空氣污染特征建立相對成熟的監(jiān)測網絡。美國主要按照人口和污染程度確定監(jiān)測點位的最低數量要求，如細顆粒物監(jiān)測點位應盡量代表居住社區(qū)的空氣質量，多數點位代表尺度為幾公里半徑。歐洲在確定空氣質量監(jiān)測點位時，基本按居住區(qū)人口數量確定點位數量，一般25萬人口設置1～2個點[1-2]。我國空氣自動監(jiān)測網絡經過多年發(fā)展，目前已在338個地級以上城市建成1436個監(jiān)測點位，初步完成覆蓋全國、監(jiān)測因子完善的國家環(huán)境空氣質量監(jiān)測網絡[3-5]。與發(fā)達國家相比，我國空氣自動監(jiān)測點位布設主要針對城市尺度開展，點位布設密度較低、單點位覆蓋面積較大，無法精準把握小尺度區(qū)域的污染分布狀況[6-7]。針對上述問題，天津市開展街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)研究，擬建設全面覆蓋轄區(qū)內所有鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道以及重點區(qū)域的街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)，為精細分析顆粒物濃度時空分布、精準定位污染區(qū)域、科學開展大氣污染防治工作提供技術支撐。

1 街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)設計

天津市街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)是為大氣污染防治網格化管理服務，因此點位選址、監(jiān)測項目選擇、儀器選型、儀器運維等方面均在借鑒國家標準的基礎上，充分利用原有27個國控、市控級別監(jiān)測點位、結合屬地的財政能力、人員水平、管理需要等實際情況進行設計。市、區(qū)兩級的監(jiān)測數據管理平臺匯總街鎮(zhèn)監(jiān)測數據，實現(xiàn)審核、統(tǒng)計、評價以及展示功能。

1.1 監(jiān)測點位布設

空氣質量監(jiān)測網絡的設計方法主要有空間相關分析法、法規(guī)模式法、等濃度線法、系統(tǒng)選擇法等[8]。基于為大氣污染防治工作服務的目的，天津市街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測點位布設采用法規(guī)模式法與系統(tǒng)選擇法相結合，以鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道和重點區(qū)域等大氣污染防治二級網格為基礎進行布設[9]。監(jiān)測點位選址應遵循代表性、可比性、整體性、前瞻性和穩(wěn)定性等原則，同時滿足監(jiān)測設備運行要求。

①監(jiān)測點位應位于鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道、重點區(qū)域的建成區(qū)內。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)管委會所在地，以保證用電、通信條件，監(jiān)測儀器安全以及后期運維便捷。

②監(jiān)測儀器周圍不能有阻礙環(huán)境空氣流通的障礙物。

③監(jiān)測點距地面高度根據選址情況和儀器要求確定，建議離地高度3～20m。

④監(jiān)測儀器周圍至少50米范圍內無明顯固定污染源。

⑤監(jiān)測點位應遠離主干道，避免車輛尾氣等直接對監(jiān)測結果產生干擾。

1.2 監(jiān)測項目選擇

近四年監(jiān)測數據顯示，顆粒物是影響天津市空氣質量的主要污染物，PM2.5和PM10對天津市空氣質量綜合指數貢獻超過50%，是大氣污染防治的工作重點。因此，在設計街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)時，出于抓住主要問題的考慮，優(yōu)先選取PM2.5和PM10兩項污染物作為必監(jiān)測項目；經濟條件、運行能力允許，或有特殊要求的監(jiān)測點位可同步開展SO2、NO2、CO和O3等氣態(tài)污染物以及特殊污染物監(jiān)測。

1.3 監(jiān)測儀器選型

顆粒物自動監(jiān)測的國家標準方法包括振蕩天平法和β射線法，其儀器穩(wěn)定性和數據準確性要好于其他方法監(jiān)測儀器，但成本造價也較高，應用于高密度監(jiān)測點位布設經濟成本過高，即便是發(fā)達國家也無法承受。同時國家標準方法監(jiān)測儀器對安裝、運行環(huán)境要求較高，需要單獨建設站房用于安裝監(jiān)測儀器，不適于密集網布設。國際上的監(jiān)測技術發(fā)展趨勢是設備尺寸越來越小，架設所需要的支持設施越來越少，并且運維簡便。在這種形勢下，光散射法的顆粒物監(jiān)測儀器憑借造價低廉、安裝方便、運維簡易的特點，逐漸發(fā)展成熟。國內外相關工作人員對光散射方法顆粒物監(jiān)測儀器與濾膜稱重法進行比對測試，結果顯示其測量精度、穩(wěn)定性可滿足顆粒物監(jiān)測的一般需要。如德國的Grimm Model EDM 180 PM2.5Monitor在2011年3月取得了美國環(huán)保局(USEPA)等效方法認證[10-14]。

綜合考慮系統(tǒng)建設成本和密集安裝要求，天津市街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)先選用光散射法顆粒物監(jiān)測儀器，滿足建站條件、經濟條件允許的監(jiān)測點位可選用振蕩天平法和β射線法的國家標準監(jiān)測儀器。為使各區(qū)縣轄區(qū)內各點位監(jiān)測數據具有較好的可比性，各區(qū)縣轄區(qū)內各點位應使用同一生產廠家的同類型監(jiān)測儀器。

1.4 監(jiān)測數據管理

數據采集采用區(qū)、市兩級平臺逐級采集，終端監(jiān)測儀器的分鐘級監(jiān)測數據實時傳輸至各區(qū)縣獨立的數據庫，最后匯總至市級街鎮(zhèn)空氣自動監(jiān)測數據平臺。數據管理平臺基于地理信息系統(tǒng)開發(fā)，應用GIS的地圖處理能力以及數據分析功能，將帶有空間位置的空氣監(jiān)測大數據可視化顯示。數據庫選用高效、靈活可與Microsoft Visual Studio. Net等開發(fā)工具及軟件系統(tǒng)進行無縫集成的SQL Sever。

監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分主要有五大模塊：數據采集模塊、數據處理和統(tǒng)計模塊、數據超標報警模塊以及報表產生模塊，包括管理平臺和手機APP兩部分，實現(xiàn)街鎮(zhèn)空氣自動監(jiān)測點位分布展示功能，提供全市所有街鎮(zhèn)空氣自動監(jiān)測點位實時數據、歷史數據以及變化曲線查詢。

1.5 系統(tǒng)運維管理

天津市街鎮(zhèn)空氣自動監(jiān)測點位數量龐大，平均每個區(qū)需建設、運維近20個監(jiān)測點位，點位最多的武清區(qū)共36個街鎮(zhèn)監(jiān)測點位。由于區(qū)縣監(jiān)測站長期以來并不具備空氣自動監(jiān)測站運維工作能力，單純依靠市監(jiān)測中心專業(yè)技術人員很難完成日常運行維護任務。因此天津市街鎮(zhèn)空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)的運維維護工作由第三方運維公司承擔。

街鎮(zhèn)空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)由專業(yè)運維公司運維，解決了監(jiān)測部門人員不足、能力不夠的問題，但也存在諸多隱患。一是運維公司以追求經濟利益為目標，可能會出現(xiàn)降低運維頻次、不及時更換耗材、不嚴格質控檢查等問題；二是國家對于運維公司的資質管理、日常考核、人員素質等方面尚無明確要求，導致市場上運維公司良莠不齊[15-16]。

為規(guī)范第三方運維公司的運維工作，保證街鎮(zhèn)監(jiān)測數據的準確性，由各區(qū)縣監(jiān)測站承擔運維公司的運維質量的監(jiān)督、管理、考核工作，制定運維技術規(guī)定以及相應的績效考核方案，從準入資質、運行維護內容、運行維護頻次、質量控制手段、質量保證體系等方面約束運維公司行為。相對應的評估體系主要分為準入資質評估、運維服務評估和運維績效評估等3個方面，采取以運維績效為主、準入和運維服務為輔的權重分配原則，根據實際運維需求賦予各要素不同的分值，以百分制進行量化評估。依據綜合評分結果開展運維服務商的準入、遴選、考核、變更等工作。

圖1 天津市街鎮(zhèn)空氣自動監(jiān)測點位分布圖

2 街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)建設及應用情況

2.1 系統(tǒng)建設情況

在前期系統(tǒng)設計的基礎上，天津市街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測網絡于2015年底初步建成，共包括281個街鎮(zhèn)監(jiān)測點位(參見圖1)，全面覆蓋全市16個區(qū)縣的所有鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道、重點區(qū)域以及天津港、海河教育園區(qū)等重點區(qū)域。各區(qū)縣的街鎮(zhèn)監(jiān)測系統(tǒng)數據管理平臺以及全市數據匯總平臺同期上線，實現(xiàn)街鎮(zhèn)空氣自動監(jiān)測數據的實時展示和查詢，為精準定位高污染區(qū)域、準確把握大氣污染物空間分布規(guī)律、更好服務大氣污染防治網格化管理工作提供技術支撐。

2.2 系統(tǒng)應用情況

街鎮(zhèn)級監(jiān)測系統(tǒng)上線運行后，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)測數據對轄區(qū)內鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道及重點區(qū)域空氣質量進行考核，對空氣質量較差、改善不佳的區(qū)域負責人采取通報批評、約談等措施，將空氣質量改善壓力層層傳達，形成上下聯(lián)動機制，有利于大氣污染防治工作的深入開展。

(2)精確到街鎮(zhèn)級的監(jiān)測數據可以精準定位高污染區(qū)域，配合網格監(jiān)督員巡查、摸排，可以準確找到超標排放污染源，特別是一些不在監(jiān)控體系內的小鍋爐、散燒點、露天燒烤、臨時施工等污染排放，對于空氣質量精細化管理有重要的推動作用。

(3)密集布設的街鎮(zhèn)監(jiān)測點位提供了空氣質量監(jiān)測的大數據源，結合風向、風速等氣象數據，可對區(qū)域污染輸送以及污染成因分析提供重要支撐。

3 結 論

(1)在空氣質量持續(xù)改善的壓力下，現(xiàn)有城市尺度空氣質量監(jiān)測網絡已不能滿足大氣污染防治精細化管理的需要，密集布設街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測點位對于精準定位高污染區(qū)域、溯源高污染排放源有著重要意義。

(2)天津市街鎮(zhèn)空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)以服務大氣污染防治網格化管理為目標，對點位選址、儀器選型、儀器運維、數據管理等方面開展了因地制宜的靈活設計，對其他省市的空氣質量密集網監(jiān)測工作具有借鑒作用。

(3)系統(tǒng)上線運行后，發(fā)現(xiàn)部分街鎮(zhèn)監(jiān)測數據存在波動性較大、一致性較差等問題。初步判斷除與區(qū)域污染特征有關外，與監(jiān)測設備運維不到位、數據審核不規(guī)范也有一定關系，需組織相關業(yè)務培訓，加強運維服務商的考核監(jiān)督。

(4)多數監(jiān)測點位只配置顆粒物監(jiān)測儀器，無法準確把握氣態(tài)污染物變化特征，可以考慮逐步增設SO2、NO2、CO和O3等氣態(tài)污染物監(jiān)測項目。

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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)測與評價工作

X131.1

A

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

項目資助：天津市科技計劃項目(15YFYSSF00030)

通訊簡介：關玉春，高級工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測與評價、實驗室分析以及質控管理工作

引用文獻格式：楊 寧 等.天津市街鎮(zhèn)級空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)設計及應用[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(2)：187-189.