大氣環(huán)境監(jiān)測新方法的應(yīng)用研究

郭興盛

(呂梁市生態(tài)環(huán)境局汾陽分局汾陽市監(jiān)測站，山西 呂梁 032200)

引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，環(huán)境污染問題越發(fā)嚴(yán)重，特別是霧霾、沙塵等，給公共健康安全和全球生態(tài)平衡造成了嚴(yán)重的影響，因此，對環(huán)境監(jiān)測的效率和精度，直接關(guān)系到環(huán)境治理的速度等。目前，對大氣環(huán)境的監(jiān)測主要是通過分布在各地的地面環(huán)境監(jiān)測站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但由于地理因素，導(dǎo)致地面監(jiān)測站的有效監(jiān)測范圍小、數(shù)據(jù)采集后需人工解析等，監(jiān)測效率低，大量的地面監(jiān)測站也極大地提升了環(huán)境監(jiān)測的費(fèi)用，無法滿足快速監(jiān)測的需求[1]。

在對多種環(huán)境監(jiān)測方案進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的大氣環(huán)境監(jiān)測方法，以激光雷達(dá)為核心，利用其波長短、體積小，對大氣云和氣溶膠敏感的特性來實(shí)現(xiàn)對霧霾、沙塵等大氣污染的監(jiān)測，根據(jù)激光雷達(dá)的工作機(jī)理，應(yīng)用激光雷達(dá)對大氣污染物邊界層高度監(jiān)測、污染物溯源監(jiān)測、走航監(jiān)測方案進(jìn)行了分析，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，采用激光雷達(dá)對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測的方案具有效率高度、成本低、精確性好的優(yōu)點(diǎn)，顯著提升了大氣監(jiān)測效率和可靠性[2]。

1 激光雷達(dá)工作原理

激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)，主要包括激光發(fā)生裝置、接收裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和光電轉(zhuǎn)換裝置等，其工作原理如圖1所示[1]。

圖1 激光雷達(dá)工作原理示意圖

由圖1可知，激光雷達(dá)首先發(fā)出一束定向激光脈沖，激光在空氣中傳輸時(shí)遇到大氣氣溶膠，激光和氣溶膠粒子發(fā)生散射，散射后的激光信號向四周擴(kuò)散，然后部分再返回到激光雷達(dá)的接收裝置內(nèi)，系統(tǒng)接收后將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后信號在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換分析。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過對發(fā)射、接收時(shí)間差、反射量等的分析處理，獲取大氣中氣溶膠的分布狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對大氣污染狀態(tài)的有效監(jiān)測。

激光雷達(dá)的類型多樣，通過對垂直監(jiān)測雷達(dá)、水平掃描雷達(dá)和米散射雷達(dá)工作機(jī)理的分析，最終選擇了米散射雷達(dá)作為監(jiān)測雷達(dá)，根據(jù)雷達(dá)的實(shí)際特性和大氣污染度監(jiān)測需求，利用激光雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，主要是對污染物的消光系數(shù)、光學(xué)厚度、退偏振比、顆粒物質(zhì)量濃度、邊界層高度等進(jìn)行測量，滿足大氣污染的監(jiān)測需求[3-4]。

2 大氣污染邊界層高度監(jiān)測

大氣污染物的邊界層高度是衡量大氣污染嚴(yán)重度的重要指標(biāo)之一[2]，邊界層高度越低說明大氣污染物的擴(kuò)散能力越差，污染持續(xù)時(shí)間就越長，利用激光雷達(dá)監(jiān)測的太原市2020年11月份的大氣污染物顆粒濃度隨邊界層運(yùn)動的情況如圖2所示。

圖2 大氣污染物邊界層高度監(jiān)測示意圖

由圖2可知，污染物邊界層高度的變化和大氣污染物的濃度緊密相關(guān)，邊界層高度和污染物濃度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，在11月8日的時(shí)候污染物的邊界層高度約為500 m，其最大污染物質(zhì)量濃度達(dá)到了169 μg/m3，隨著時(shí)間的增加，在氣流的作用下集聚的污染物質(zhì)量逐漸擴(kuò)散，因此邊界層高度逐漸升高，當(dāng)其達(dá)到2 000 m時(shí)，地面上的污染物質(zhì)量濃度降低到了28 μg/m3。

3 污染物溯源監(jiān)測

利用激光雷達(dá)可以對一定區(qū)域內(nèi)污染物進(jìn)行溯源[3]，實(shí)現(xiàn)污染源的快速定位和處理。太原市2020年12月7日，西山區(qū)域的空氣污染物質(zhì)量濃度為107.3 μg/m3，而河西區(qū)域的平均污染物質(zhì)量濃度為57 μg/m3，利用激光雷達(dá)對區(qū)域進(jìn)行掃描，其消光系數(shù)掃描結(jié)果如圖3a)所示，其退偏振比掃描結(jié)果如圖3b)所示。

圖3 掃描監(jiān)測結(jié)果示意圖

由實(shí)際監(jiān)測結(jié)果可知，在消光系數(shù)圖譜上，矩形區(qū)域內(nèi)的光消散系數(shù)顯著高于其區(qū)域內(nèi)，而在退偏振比掃描結(jié)果中，矩形區(qū)域內(nèi)的退偏振比同樣較大，表明該區(qū)域內(nèi)的大氣污染濃度較大，且污染物主要是以大顆粒污染為主，經(jīng)過監(jiān)測區(qū)域附近的地面觀測站勘探發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)的地表裸露、堆積的煤層未進(jìn)行覆蓋處理，在風(fēng)的作用下產(chǎn)生了大范圍的揚(yáng)塵，最終導(dǎo)致了區(qū)域內(nèi)污染物濃度的增加。

4 激光雷達(dá)走航監(jiān)測

走航監(jiān)測[4]是指將激光雷達(dá)設(shè)置到移動的監(jiān)測車內(nèi)，對不同的區(qū)域進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，獲取監(jiān)測范圍內(nèi)的大氣污染信息，具有靈活度高、機(jī)動性好的優(yōu)點(diǎn)。能夠系統(tǒng)地對不同區(qū)域的污染情況進(jìn)行快速監(jiān)測，走航監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 走航監(jiān)測結(jié)果示意圖

由圖4可知，利用走航監(jiān)測能夠快速對指定區(qū)域進(jìn)行掃描，對不同位置的污染物分布情況進(jìn)行監(jiān)控，提高污染防治效果。該方案能夠極大地減少地面監(jiān)測站的數(shù)量，在保證監(jiān)測效果的情況下降低環(huán)境監(jiān)測成本，具有效率高度、成本低、精確性好的優(yōu)點(diǎn)，顯著提升了大氣監(jiān)測效率和可靠性。

5 結(jié)論

針對目前利用地面環(huán)境監(jiān)測站對大氣環(huán)境監(jiān)測所存在的效率低、成本高、有效監(jiān)測范圍小等不足，提出了一種新的大氣環(huán)境監(jiān)測新方案，以激光雷達(dá)監(jiān)測為核心實(shí)現(xiàn)了對大氣污染物的快速、精確監(jiān)測，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1)激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等為特征量的雷達(dá)系統(tǒng)，主要包括激光發(fā)生裝置、接收裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和光電轉(zhuǎn)換裝置等。

2)利用激光雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，主要是對污染物的消光系數(shù)、光學(xué)厚度、退偏振比、顆粒物質(zhì)量濃度、邊界層高度等進(jìn)行測量，滿足大氣污染的監(jiān)測需求。

3)激光雷達(dá)監(jiān)測方案，能夠極大地減少地面監(jiān)測站的數(shù)量，在保證監(jiān)測效果的情況下降低環(huán)境監(jiān)測成本，具有效率高度、成本低、精確性好的優(yōu)點(diǎn)，顯著提升了大氣監(jiān)測效率和可靠性。