殷小鴿 張 偉 李 喆 李 璐 陳 磊

（1. 天津港保稅區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，天津 300457；2.羅克佳華科技集團股份有限公司，北京 101100；3.太原羅克佳華工業(yè)有限公司，山西 太原 030000）

0 概述

根據(jù)《2019年中國生態(tài)環(huán)境公報》，2019年337個地級及以上城市中，有53.4%的城市環(huán)境空氣質(zhì)量超標；337個城市6項污染物年均濃度同比2018年僅PM10下降1.6%、SO2下降15.4%，其余因子均同比持平或同比上升，可見環(huán)境空氣質(zhì)量改善的壓力和難度依舊較大。借助環(huán)境空氣自動化監(jiān)測設(shè)備，為環(huán)保部門提供精準、高效的監(jiān)測結(jié)果，是提升環(huán)境管理科學決策水平和精細化管控水平、改善環(huán)境空氣質(zhì)量狀況的重要手段之一[1]。

1 傳統(tǒng)監(jiān)測和網(wǎng)格化監(jiān)測的對比

1.1 基本情況對比

目前，各級政府及主管部門以屬地管理為原則，分別建立針對地級及以上城市的國家環(huán)境空氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和縣級城市的地方監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)空氣質(zhì)量評價城市點[1]，以空氣質(zhì)量標準站監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，定期對下轄地區(qū)空氣質(zhì)量情況排名和考核[2]。由于傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量標準站成本高、體積大、運維難度大，無法實現(xiàn)大面積建設(shè)，在數(shù)據(jù)異常等情況發(fā)生時，無法在空間和時間上為污染排查工作提供全方位有力的數(shù)據(jù)支撐，排查難度較大。想要有效應(yīng)對大氣污染防治嚴峻形勢，全力提高空氣質(zhì)量，就必須加快轉(zhuǎn)變大氣環(huán)境管理方式，逐步向精細化管控模式轉(zhuǎn)變。

大氣網(wǎng)格化監(jiān)測就是大氣環(huán)境管理轉(zhuǎn)向精細化的重要舉措之一。網(wǎng)格化監(jiān)測設(shè)備微觀站憑借低成本、體積小、易安裝、易維護等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)多區(qū)域覆蓋，在依托高時空分辨率的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，能夠及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染事件及突發(fā)性問題，縮短異常情況響應(yīng)時間，為高效準確的監(jiān)管和執(zhí)法提供定性定量的數(shù)據(jù)支撐[2]，形成一套集監(jiān)測、預(yù)警、指揮、執(zhí)法、管理五位一體的環(huán)境監(jiān)管模式，解決了監(jiān)測點位單一，數(shù)據(jù)飆升時無法快速定位污染源的痛點問題。

1.2 監(jiān)測方法對比

標準站和微觀站監(jiān)測參數(shù)均包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3（常規(guī)6項參數(shù)），在監(jiān)測方法、測量范圍、測量誤差方面上存在一定的差異性。

參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標準（GB3095-2012）》、《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物（SO2、NO2、O3、CO）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法（HJ654-2013）》、《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物（SO2、NO2、O3、CO）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運行和質(zhì)控技術(shù)規(guī)范（HJ818-2018）》、《環(huán)境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法（HJ653-2013）》，標準站SO2、NO2、O3分析儀器測量范圍為0ppb～500ppb，CO分析測量范圍為0ppm～50ppm，PM10和PM2.5濃度測量范圍（0～1000）μg/m3或（0～10000）μg/m3（可選）；準確度審核時，根據(jù)《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物（SO2、NO2、O3、CO）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)運行和質(zhì)控技術(shù)規(guī)范（HJ818-2018）》中要求，SO2、NO2、CO、O3儀器示值平均誤差為≤5%；PM10和PM2.5根據(jù)《環(huán)境空氣顆粒物（PM10和 PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝和驗收技術(shù)規(guī)范（HJ 655-2013）》中參比方法比對調(diào)試，2項顆粒物的斜率應(yīng)滿足（1±0.15），截距應(yīng)滿足（0±10）μg/m3。

微觀站監(jiān)測設(shè)備的采用傳感器技術(shù)，能夠?qū)⒈槐O(jiān)測污染物信息按照一定的方法轉(zhuǎn)化為電信號[3]，具有一定靈敏性。對微觀站而言，顆粒物（PM2.5和PM10）傳感器國內(nèi)外多為光散射原理[3]，根據(jù)江蘇省環(huán)境監(jiān)測協(xié)會基于19家微型空氣質(zhì)量監(jiān)測儀器PM2.5比對測試結(jié)果[4]，約50%以上的儀器平行性≤15%，66.7%的儀器相關(guān)性在85%以上，滿足相關(guān)監(jiān)測要求；氣態(tài)因子SO2、NO2、CO、O3采用電化學的傳感器檢測方法。二者自動監(jiān)測方法對例如表1所示。根據(jù)山西省地方標準《空氣質(zhì)量網(wǎng)格化監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（DB14/T2009-2020）》所述，PM10和PM2.5的測量范圍為0μg/m3～1000μg/m3，室外比對最大允許測量誤差±25μg/m3（≤100μg/m3）或 ±20%（ >100μg/m3）[5]；SO2、NO2、O3測量范圍為0nmol/mol～500nmol/mol，室外比對最大允許測量誤差為± 20nmol/mol （≤100 nmol/mol ）或 ±20%（ >100nmol/mol）；CO測量范圍為0μmol/mol～10μmol/mol，室外比對最大允許測量誤差為± 0.4μmol/mol （≤2μmol/mol）或 ±20%（ >2μmol/mol）。

表1 標準站和微觀站對比

1.3 擴展性對比

標準站可擴展CO2、NMHC、VOCs組分等多項因子，但在擴展時須同步擴充監(jiān)測站房面積，對已有面積較小的站房，存在改擴建的問題，投資成本較大，存在一定的局限性；微觀站可擴展TVOCs、TSP、溫度、相對濕度、風速、風向等因子，不需要額外增加占地面積，投資成本相對較小。

2 網(wǎng)格化監(jiān)測國內(nèi)進展

近幾年國內(nèi)很多地區(qū)先后開展了大氣網(wǎng)格化監(jiān)管工作，基本實現(xiàn)了對監(jiān)測區(qū)域的全覆蓋式精準監(jiān)控，實時掌握區(qū)域內(nèi)污染分布狀況及空氣質(zhì)量變化趨勢。京津冀大氣污染傳輸通道城市即“2+26”城市建立約3.6萬個網(wǎng)格，有效提升了區(qū)域大氣管理水平[6]。太原市[7]作為傳輸通道城市之一，是全國重要的能源化工城市，共計布設(shè)108個熱點網(wǎng)格，利用報警信息形成督辦單，在太原市環(huán)境監(jiān)控中心和“12369”環(huán)保舉報中心形成閉環(huán)，確保網(wǎng)格報警能夠及時反饋，形成了太原特色。

上海市嘉定區(qū)[8]作為長三角節(jié)點型城市利用85臺顆粒物傳感器設(shè)備搭配顆粒物激光雷達掃描聯(lián)合監(jiān)管，形成網(wǎng)格化監(jiān)測體系，并結(jié)合2017—2018年監(jiān)測數(shù)據(jù)，為探究上海市嘉定區(qū)空氣質(zhì)量狀況提供了參考。烏魯木齊[2]根據(jù)本市地理環(huán)境，劃分10個監(jiān)測斷面，在國控點周邊、敏感區(qū)域、重點污染源、重點道路、工地揚塵等進行專項監(jiān)測，共計設(shè)置96個監(jiān)測站點，實現(xiàn)了全覆蓋式網(wǎng)格化監(jiān)控，提升了環(huán)境監(jiān)管能力；瀏陽市[9]作為長沙市涉氣企業(yè)比重較大的城市，在2018年建設(shè)10個環(huán)境空氣自動監(jiān)測小微站，基于2018年11月—2019年3月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，掌握了各區(qū)域污染排放情況，識別了區(qū)內(nèi)污染來源及污染特征。

為科學開展大氣污染防治工作，天津市在充分利用原有27個環(huán)境空氣質(zhì)量國控、市控級別監(jiān)測點的同時，建立鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道和重點區(qū)域等大氣污染防治二級網(wǎng)格[10]，但受限于點位覆蓋率和密度，無法在大區(qū)域范圍內(nèi)實現(xiàn)對污染源的精準識別。

3 天津某區(qū)應(yīng)用案例

為掌握區(qū)域整體環(huán)境空氣質(zhì)量狀況，使用高密度網(wǎng)格布點法，實時監(jiān)控污染物的濃度，提升網(wǎng)格化監(jiān)測的時空分辨率[11]，進一步精準分辨區(qū)內(nèi)主要污染來源，提高對大氣環(huán)境要素及各種污染源全面感知和實時監(jiān)控的能力。天津某區(qū)根據(jù)區(qū)域內(nèi)污染源的類型分布，布設(shè)了60余套大氣環(huán)境監(jiān)測微觀站設(shè)備，監(jiān)測因子在標準站的常規(guī)六項監(jiān)測因子基礎(chǔ)上，增加VOCs、濕度等參數(shù)。

3.1 識別典型傳輸

由于相同傳感器之間具有一致性，因此大氣網(wǎng)格化監(jiān)測體系在發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)外傳輸影響、識別區(qū)外上風向污染源方面，具有重要的輔助作用以及數(shù)據(jù)支撐作用。該文選擇2019年5月9日典型傳輸過程進行分析。

將區(qū)內(nèi)微觀站，按照地理位置劃分為南部、中部、北部，對每個方位內(nèi)微觀站濃度數(shù)據(jù)取均值，分別得到南部均值、中部均值和北部均值。

2019年5月9日微觀站變化趨勢如圖1所示。由圖1可知，從各方位均值來看，19：25南部點位CO濃度最先出現(xiàn)峰值4.4mg/m3，19：30-19：40中部點位CO平均濃度達到峰值5.0 mg/m3，19：40-19：50北部點位CO平均濃度達到峰值5.6 mg/m3，整體呈現(xiàn)時間延后、濃度峰值依次升高特性。基于微觀站點濃度數(shù)據(jù)制成濃度熱力圖，結(jié)果如圖2所示，從18：00-19：30，在區(qū)內(nèi)由南向北形成一條明顯的傳輸路徑，且在東風條件下，自東向西推移，最終積聚在區(qū)內(nèi)西北側(cè)，傳輸特征明顯。綜上所述，高空間密度的微觀站在捕捉傳輸過程中具有很好的輔助作用。

圖1 5月9日微觀站CO傳輸變化趨勢圖

圖2 5月9日微觀站傳輸變化熱力圖

3.2 識別區(qū)內(nèi)源

例如2019年11月25日-30日，如圖3所示，區(qū)內(nèi)25號微觀站點PM10于20：00-21：00出現(xiàn)規(guī)律性突升，且顯著高于周邊2km范圍內(nèi)點位?；趨^(qū)內(nèi)已建立的網(wǎng)格化監(jiān)管流程，針對該數(shù)據(jù)突升情況進行了派單，經(jīng)巡查人員巡查，距離該微觀站點直線距離600m的施工工地有走土和土方施工作業(yè)。說明微觀站的高密度布設(shè)，對識別區(qū)內(nèi)污染源上具有一定的技術(shù)支持作用。

圖3 2019年11月25日-30日微觀站PM10變化趨勢圖

3.3 風場輻合分析

如圖4所示，2019年7月17日凌晨該區(qū)域標準站PM2.5濃度持續(xù)較高，且于4：30出現(xiàn)突升?；趨^(qū)內(nèi)建立的大氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域內(nèi)微觀站高值點（圖5）集中分布在標準站附近，輻合天氣特征影響明顯。綜上，微觀站在反映局部區(qū)域發(fā)生風場擠壓或輻合等不利氣象條件中具有一定的參考價值。

圖4 2019年7月17日3：00-6：00微觀站PM2.5變化趨勢圖

圖5 2019 年 7 月 17 日 3：00-6：00 風場輻合期間微觀站分布

3.4 預(yù)警作用

某日傍晚以南風為主，從圖7可知，19:10該區(qū)南部微觀站點CO開始出現(xiàn)6mg/m3～8mg/m3高值，至19:20開始出現(xiàn)向區(qū)內(nèi)傳輸，且部分微觀站點出現(xiàn)高于10 mg/m3情況，圖6顯示標準站19：25才出現(xiàn)上升趨勢，可見微觀站對空氣質(zhì)量預(yù)警有一定作用。微觀站具備高時空分辨率優(yōu)勢，在空氣質(zhì)量預(yù)警方面具有一定的指導意義。

圖6 標準站 CO 濃度變化趨勢

圖7 微觀站預(yù)警

4 網(wǎng)格化的優(yōu)勢和改進建議

4.1 大氣網(wǎng)格化監(jiān)測的優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)監(jiān)測方法，大氣網(wǎng)格化監(jiān)測具有很多優(yōu)勢：1）網(wǎng)格化監(jiān)測改變了傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測和管理模式，通過自動化監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)高頻次數(shù)據(jù)采集分析、環(huán)境空氣質(zhì)量狀況的實時監(jiān)測和遠程監(jiān)控，極大地提升了環(huán)境監(jiān)測和監(jiān)管的工作效率；充分整合有效的環(huán)境管理資源，提高了環(huán)境管理效能，這是城市大氣環(huán)境管理發(fā)展的必然趨勢[12]。2）可提高標準站周邊精細化管理水平。通過網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)主要污染源動態(tài)變化，快速捕捉污染源的異常排放行為并實時預(yù)警；通過實時分析，甄別區(qū)域污染的主要來源，并對其進行靶向治理，并為后期環(huán)境污染治理提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

4.2 改進建議

目前大氣網(wǎng)格化監(jiān)測還存在些許問題，須改進：1）提高網(wǎng)格化監(jiān)測設(shè)備微觀站傳感器精度，加強監(jiān)測結(jié)果質(zhì)控管理。一是根據(jù)標準站數(shù)據(jù)定期進行傳感器自動校驗，盡量減少零漂、溫漂等現(xiàn)象；二是進一步優(yōu)化傳感器性能和校準關(guān)系，一方面，降低氣態(tài)傳感器氣態(tài)物質(zhì)間交叉干擾影響和濕度對顆粒物傳感器的影響；另一方面，提高傳感器壽命，避免頻繁更換傳感器帶來的數(shù)據(jù)誤差。2）不斷結(jié)合區(qū)域工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、污染源布局和排放清單優(yōu)化點位布設(shè)情況，同時在微觀站監(jiān)測基礎(chǔ)上，進一步融合走航監(jiān)測、雷達監(jiān)測、源解析分析等監(jiān)測技術(shù)手段，豐富完善大氣網(wǎng)格化監(jiān)測方式，以期達到精準溯源，改善環(huán)境空氣質(zhì)量的目標。

5 結(jié)語

大氣網(wǎng)格化監(jiān)測是大氣環(huán)境管理由粗放式向精細化轉(zhuǎn)變的重要舉措。其中，微觀站采用傳感器的方式，具有低成本、體積小、易安裝、易維護等優(yōu)勢。目前，大氣網(wǎng)格化監(jiān)測在京津冀及周邊地區(qū)、珠三角地區(qū)、西北地區(qū)和長三角地區(qū)具有廣泛的應(yīng)用。該文以天津市某區(qū)為例，基于污染過程分析，介紹了微觀站在發(fā)現(xiàn)傳輸過程影響、發(fā)現(xiàn)本地污染源、輔助分析風場輔合、監(jiān)測預(yù)警等方面的重要作用，進而說明大氣網(wǎng)格化在提升大氣精細化管控方面的現(xiàn)實意義。