大氣監測在城市環保治理中的實用價值及對策探析

邊希春

（煙臺市環境監控中心，山東 煙臺 264000）

清新的空氣和干凈的水源是人們生產生活和經濟發展的基本要素，伴隨著社會經濟的快速發展和城市工業化進程的推進，在給我們帶來便利生活的同時也對環境產生了嚴重污染。低碳、綠色、清潔的發展理念不斷深入人心，各地政府和企業都認識到環境保護的重要性，其中大氣污染的防治在城市污染治理中的地位顯著，因而大氣監測勢在必行。

1 大氣污染現狀和大氣監測的重要性

1.1 大氣污染現狀分析

城市化和工業化給我國經濟發展帶來了顯著效益，居民生活水平日益提高，與此同時由于煤和石油的大量使用，燃燒過程中產生的顆粒污染物、SO2、NO2、CO等有害氣體肆意排放，嚴重影響了城市大氣質量和人民的生命健康。

目前各監測點設置的主要監測項目有SO2、NO2、O3、CO、PM10、PM2.5等共計6項監測指標的濃度值和監測范圍。但受到當時技術和管理水平的限制，以及網絡更新速度慢、大數據平臺未能同步建立等的影響，原有監測點位和設備的加速更新迭代已經不能科學反映大氣整體質量。

近十年來是大氣監測迅速發展的成長期，依托發達的互聯網技術和大云物移等新技術、新領域、新發明的投入使用，大氣監測的精準度和監測點的設置越來越科學。本研究以濟南市為例，采用多目標優化方法，對濟南市省以上監測點和市級監測點進行科學優化，引入了“量子治霾”監測網，這在全國范圍內是首次嘗試，該技術能夠助力實現顆粒物的精準溯源，其采用的“光量子雷達”技術能夠在10分鐘內繪制生成3D彩色實時全景“大氣污染地圖”[1]。

1.2 大氣監測綜合治理情況——以濟南市為例

大氣監測技術發展至今，從80年代最初的人工現場監測采樣，再帶回實驗室進行分析，到新世紀，隨著計算機技術的迅猛發展，結合遠程遙感（RS）、地理信息系統（GIS）和全球衛星定位系統（GPS）等相關技術手段，使大氣環境監測系統發展到了連續自動監測階段。

以濟南市為例，2013年是濟南大氣十條頒布的初始之年，那時濟南污染嚴重，霧霾天氣頻繁，十年來，市政府通過大手筆搬遷改造濟鋼集團，一批石化、化工等企業相繼搬出城區，以壯士斷腕的勇氣對于企業污染進行嚴格治理，強化監管水平，使得城市空氣環境質量實現歷史性、突破性轉變。與此同時，仍有部分企業不準守規定，履行污染治理工作流于形式，偷排、高耗情況時有發生。根據8月份舉報數據顯示，全市共收到投訴舉報101件，其中舉報中反映的大氣污染54件，噪聲污染36件，水污染14件，其他污染1件。大氣污染占比位居首位，占投訴總數的一半以上，其次是噪聲污染，占34.3%。其中，廢氣污染投訴39件，占大氣污染投訴的75%，其次是煙塵污染投訴8件，占大氣污染投訴的14.8%。因此，做好大氣污染綜合防治工作，科學合理布置監測點，對監測數據進行嚴格追根溯源，加大執法力度是做好污染治理的重中之重[2]。

2 現有大氣監測系統模式及存在的問題

改革開放以來，我國大氣環境監測從開始的人工采樣監測方式發展到如今的連續自動監測方式，歷經了三、四十年的技術更新迭代。目前，現有的大氣環境監測系統為智慧環保一體化平臺。通過利用大云物移和人工智能等技術手段，整合全市生態環境信息資源，能夠對大數據進行快速分析研判和響應，有力提高管理決策的精準性。

2.1 智慧環保一體化平臺介紹

濟南市大氣監測平臺包括實時監測、系統分析、智能決策、在線監管、應急響應五大應用系統，不僅可以排查全市環境整體情況，同時還可以對污染物進行溯源，對違法排污企業形成強有力的震懾和打擊。

該系統采用地面走航與高空無人機協同監管的新模式，對重點企業集聚地、工廠場地等區域進行全天候“四維一體化”動態監管，能夠迅速過濾所掃碼區域，實時出具污染源的定位和傳輸方向，做到靶向定位、精準溯源，讓揚塵、黑煙和直排無處遁形，實時掌握管控區域內的大氣環境問題，為環保部門的大氣防治工作提供行動思路和依據，高效、省時，促進空氣質量持續改善。當發生突發環境事件時，通過無人機的傳圖設備把推送至地面站的視頻通過WiFi推送到應急指揮車通訊系統，應急指揮車通訊系統通過衛星或4G設備與環保監控指揮中心進行連接，把視頻實時推送至環保監控指揮中心的接收端、移動端，呈現在GIS地圖上（位置、視頻等）。

2.2 目前大氣監測技術存在的問題

2.2.1 空氣質量預報基礎模型有待進一步優化

目前空氣質量預報基本模型一是基于機器學習算法的統計預報模型，二是基于大氣化學傳輸模式的機理預報模型，這兩種預測模型都存在各自的優勢和不足。其中國家監測點一般多集中在經濟較發達地區，相反目前西部內陸地區反而污染嚴重，這種空間分布不均勻、功能區劃分不夠科學的統計預測數據更多用于單站點預報，其結果沒有能力代表整個研究區域，更不能科學展現各項污染物的變化趨勢。此外，單站點預報在很大范圍內精簡了輸入數據結構，這就導致部分輸入數據缺失非典型污染事件信息，因此導致預報模型在這種非典型污染事件上顯示出了預報能力的不足。

第二種預測模型是基于大氣化學傳輸模式的機理預報模型。這種模型是采用三維立體大氣預處理數據，其優點在于可以將大氣狀態和污染物傳輸之間的關系考慮在內，更加適合再大區域范圍內對大氣污染程度進行較為科學地預報。該模型需要提供預報區域內詳實的地表污染源排放列表作為預報模型的進入文件，同時需要深入理解預報區域內大氣中各類成分的物理化學機制相互轉化內在因子和關系式，才能選取適當的物理化學機制進行模型模擬計算。這種方法需要的數據較為龐大，并且隨著社會的不斷轉型，區域經濟發展的不確定性和污染源排放清單的變化越來越快，因此清單的時效性和準確性對機理預報模型非常重要。加上大氣傳輸體系龐大復雜，僅憑人的理解能力很難對這中間的物理化學變化進行量化處理，于是便使用某種近似或者簡化的方式來描述變化過程，這就引起了機理預報模式與實際觀測值產生較大偏差[3]。

2.2.2 監測點的設置和人工安全性有待解決

一是監測點的科學設置仍需進一步改進，且運維成本高昂。目前的監測點基本上都是傳統固定式監測站，其固定性就不會對外界環境變化做出靈活處理，監測模式單一，且外部環境適應性較低。同時采樣點分布應設置在污染濃度高中低不同的地方，選擇風向上風口，按照功能區布點法、網格布點法或同心圓布點法等科學布局。但是現實存在污染重的地區設點少、人口密集小的地區反而設點多，空間代表性差。同時目前大部分跟蹤空氣污染的多數方法還是依賴于固定的監測站，同時在國監測和省監測點周邊各市都集中全力保障其達標，這就無形中隱藏了污染問題，使數據的收集不夠靈活，同時其真實性和全面性也不夠精準。二是當危險氣體泄漏事故發生時，需要現場對事故進行快速決策，傳統監測方式在氣體采集監測時，由于人工采集不僅速度慢，同時危害性強，存在人身傷亡風險。三是由于監測站的設備在不斷更新和增加，前后技術存在迭代和接口不對應，在逐步向無人值守化過渡的過程中，進一步加大了故障設備排查的工作量。同時存在部分地區連續監測數據但沒有得到有效利用的情況，還是利用人工去推論，缺乏智能分析和數據的處理能力。一但環境監測設備出現故障，將會直接影響整個環境監測業務的正常運行。

3 抓好大氣監測的幾點措施

3.1 充分利用最新科技成果，助力大氣監測更加科學精準

基于大數據平臺的監測信息系統能夠實時更新大氣污染狀況，對環境質量進行科學評估并預測后期趨勢，對查找溯源和預警決策從而開展強有力的聯防聯控具有重要意義。因此，借助新興科技手段應用于大氣監測能夠有效提高監測結果的精準度。

3.1.1 引入量子雷達技術

以濟南市為例，通過借助光量子雷達技術與環保治霾、氣象監測、生態環境保護相結合，加速推動量子產業向更好發展的同時也助力生態環境的保護，實現了雙贏局面。今年濟南市引進了7臺顆粒物光量子雷達，該雷達使用近紅外量子探測技術，通過收集并分析大氣氣溶膠等顆粒物的散射信號，吸取出大氣顆粒物的各項數值和特征。雖然其整體高度不足1米，但輕巧實用，精準度非常高，對于城市揚塵監測、大氣顆粒物污染源追蹤定位、云層探測至關重要，同時還能自動識別污染物系本土還是外來飄入。通過自主研發先進的識別算法，顆粒物光量子雷達能夠準確識別大氣污染的排放，大幅降低誤報漏報[4]。

3.1.2 借助車聯網+，實現大氣監測數據的實時移動監測

通過車載終端+后臺服務中心的結合，利用遺傳算法和混合遺傳模擬算法在內的組合優化，求解優選車載監測點模型，通過城市不同功能區的劃分、不同季節和地理區位實現智能監測。

3.1.3 數據實時上“云”，實現數據的分析處理

監測的結果能夠第一時間反饋回信息中心，并通過溯源分析找到污染源，從而快速進行現場處理。秸稈焚燒之季，當違法進行焚燒秸稈操作時，無人機可以實時追蹤到污染源，快速在煙霧之上盤旋，分析大氣中SO2、NO2、PM10、PM2.5等數據，同時可以實時顯示在環保部門運監中心的大屏上，并實時進行現場干預，實現零對接。

3.2 科學設置監測點，實現“線上+線下”聯動監管

實現網格化監測和云圖式相結合，一方面在城市商業區、工業區和居民區不同區位設立針對性的監測設備，例如標準空氣站、組分站、揚塵在線監測儀、TVOC在線監測儀等設備，形成密集的監測網絡，同時運用車載在線監測儀、走航車、量子雷達技術等設備，形成云圖式空間分布。通過線上和線下相結合的方式，形成高效的監測體系。

在前臺與線上，通過確定目標函數和一定的約束條件從而進行數學建模，采用多目標組合優化算法求解數學模型的方法來求解監測站點的位置；一方面利用固定監測點和可移動的走航車、車載終端，通過設計的最優車載監測點選取模型，選取大量樣本進行試驗，得到季節性、空間性和功能區性差異，并選取合理的區位和數學模型進行網絡優化和應用仿真，力爭達到以最少的監測點實現最科學的監測結果，以節省人力和財力。同時可以采用基于無人機的實時大氣污染物監測技術，將搭載在無人機上進行校準后的包括ZE25-O3臭氧傳感器、顆粒物傳感器等在內的污染物濃度傳感器和氣象參數監測傳感器所收集到的監測信息，在保證安全性及穩定性的基礎上，能夠實時地利用GPRS技術將無人機上的傳感器監測數據實時輸送到地面終端，實現前臺和后臺的有效數據傳遞[5]。

在后臺和線下，將監測點收集的寶貴信息進行智能分類和篩選，提取關鍵信息，確保信息的完整性和真實性。在數據遠程傳輸技術方面，充分利用WiFi、藍牙、ZigBee、GPRS等不同傳輸方式在不同環境下的特征和優點，對監測數據進行多維度實時傳遞并進行快速智慧統計，并利用網絡爬蟲和數據挖掘技術，同時采用圖表和圖片的形式將信息生動真實地展現給執法人員，輔助其科學制定防護措施。

3.3 執法與幫扶并重，健全完善的責任體系

科學的監測結果必須經過溯源改善并加以解決才是實現環保的最后一環，否則監控數據將毫無用處。監測人員一方面要對監測設備進行重點盯防，強化對設備和系統的管理，對于數據缺失、不連續、不閉環等情況要加大執法力度，且多部門要協同布局，聯合城管、工商和公安部門，對重點排污單位的自動監控系統進行全面檢查、徹底整治，堅決打擊以篡改、偽造監測數據為主要手段逃避生態環境監管的環境違法犯罪行為。另一方面是精準畫像，鎖定治污方向。環境執法人員要結合監測數據繪制出“污染圖”，并針對重點排污企業開展四不兩直回頭看工作，切實做到監測一例、整改一例，合格一例，后續徹底整改，同時建立重點企業黑白名單制度，對于合格企業實行政策傾斜，鼓勵支持其發展。

4 大氣污染監測的成效和發展前景

通過引入新技術手段，實現人防+技防相結合，濟南市大氣污染監測實現了新的突破，進而對污染物的治理和環境保護起到了定海神針之用。通過構建“1+9”市級生態環境監控體系，濟南市按照1個市中心、9個分中心的模式，初步建成了7處量子雷達監測點位，全國首張“量子治霾”監測網落戶濟南，為實現空氣質量監測“由點到面”的擴展提供了支撐。

根據大氣監測數據顯示，2021年全市環境空氣中PM2.5的濃度下降到61.2%，優良天數增加了106%，重污染天數減少了86.8%。濟南市空氣質量綜合數據下降到了4.7，全年市區空氣質量良好以上天數達到了229天，優良及以上天數占比為62.7%，成功退出全國重點城市空氣質量排名后30名。同時，全年城區環境空氣中可吸入顆粒物（PM10）的年均濃度78 μg/m3，細顆粒物（PM2.5）為40 μg/m3，二氧化硫為11 μg/m3，二氧化氮為33 μg/m3，排名大幅提升。

通過采用光量子雷達，不僅實現了顆粒物溯源的問題，對于后期防治結合和依法懲治改良意義重大，同時其本身就是無噪聲、節能的綠色產品。現場試驗發現，將雷達設備放在監測站時，當對試驗區域進行水平掃描監測，氣候條件正常時，可以將半徑15 km范圍內的所有顆粒物污染突發排放的點“抓”出來，其時效性和速度較之傳統雷達大幅提升。通過引入無人機等先進設備進行全天候無死角防控；通過試驗達到了當試驗中的污染物從某區域飄來時，應用激光雷達和量子高光譜等技術，實現了屏幕中清晰展現污染成分及其動態漂移變化，從而達到溯源的目的。同時充分利用可移動、多角度、靈活性強的分布式車聯網這種新型監測手段，不斷推動傳統大氣環境監測行業的轉型升級，實現了環境監測監控的現代化和環境管理的智慧化。