江津区大气污染源的激光雷达监测研究

秦皓　肖艳平　牟军　廖雨超

摘要：指出了如何有效开展城市大气污染防治工作，确保环境空气质量持续改善是大气环境保护工作的核心。结合环境监测新兴技术，与科技企业通力合作，利用3D可视激光雷达技术对江津区大气污染源进行了监测研究，获得了分区域的污染分布图，以期为环境监测、管理、预警体系建设提供参考。

关键词：大气污染源；激光雷达；监测；研究

中图分类号：X511

文獻标识码：A文章编号：16749944（2017）12003005

1引言

近年来，与人类生存和发展密切相关的环境污染已经成为人民群众非常关心的重要问题。大气污染严重影响人们的生活品质，如何有效开展城市大气污染防治工作，确保环境空气质量持续改善是大气环境保护工作的核心[1～4]。城市大气污染源主要包括工业生产、居民生活、道路交通、建筑施工排放到大气中的颗粒物、硫氧化物、氮氧化物、卤化物、碳化合物等，来源比较复杂且相互作用形成复合污染[4]。激光雷达是大范围快速监测大气环境的新一代的高新技术手段，具有实时、快速、连续、长期的遥感监测等优势[5，6]。利用3D可视型激光雷达进行垂直/水平扫描，可以对污染物的时空分布及其扩散进行跟踪监测[6～8]。因此，由于激光雷达技术具有的独特优势， 逐渐成为开展城市污染演变、区域性污染物分布、污染物跨界输送以及污染溯源监测的主要手段之一。本文利用3D可视激光雷达技术对江津区大气污染源进行了监测研究，以期为环境监测、管理、预警体系建设积累宝贵经验。

2实验条件与方法

2.1监测仪器

北京怡孚和融科技有限公司3D可视型激光雷达，型号为3D-Scan-CAM。

2.2监测地点

江津城区中心御景华庭小区17栋楼顶，扫描半径5～10 km。

2.3监测方法

选取颗粒物浓度作为主要监测因子，采用垂直、水平、切面监测方式，通过连续不间断扫描，协同风向、风速、湿度、气压、气温等气象监测，结合空气自动监测站实时数据进行校正后实施数据分析。

2.4监测条件

制作江津城区监测期间城市近空500 m高度位置所有后向轨迹图得到垂直扫描时间段，城区主要以上升气流为主（5月31日至 6月3日），利于污染扩散，不易形成累积污染；水平扫描时间段，江津以下降气流为主，易受外来污染影响，本地也易于形成污染累积。经查，与该地区历年风场统计信息相符。

3结果与讨论

3.1垂直监测

将6月1日晚21点至3日午间12点日激光雷达垂直监测图与江津区近地自动站PM10数据结合分析可知：在监测区域内，近地湿度较大，并有间断降雨，对污染有稀释作用，污染不易累积。结合垂直扫描图（图1）可知江津城市污染演变主要分为几个过程：1日21点至2日凌晨3点，随气流下降，进而污染累积，在21日至24日，在近空600 m处的近地污染团过境，造成本地污染升高，自动站监测数据PM10升高。2日4点至16点，近空云层过境，并伴有降雨过程，污染沉降，污染逐渐减轻。2日16点至3日5点，降雨停止，近空云层向上扩散，气流上升，近地湿度先降低后上升，本地污染逐步累积，近地消光系数增高，自动站监测显示PM10数据逐渐升高。3日5点至12点，近空云层降低，造成本地PBL层降低，污染不利于扩散，本地PM10逐渐升高并累积。在雷达监测的时段内，江津区近地湿度大，污染物随下降气流，易累积，形成污染团。随湿度降低或降雨等易形成污染沉降，但不会形成长时间的连续大面积污染。

3.2水平监测

制作雷达测试区域内PM10浓度图（图2），颜色的深浅代表污染的严重程度，经纬度和测点距离等点击可查。蓝色标记点位是测点位置，红色标记点位是空气自动监测站位置。图中红线圈出部分为城市外部污染，未圈出区域颜色较深区域为城市污染源污染。逐一分析见图3～图6。

区域一污染分布图（图3）给出了该区域的主要污染分布，结合实地状况由左至右依次分析判断：大西门转盘及西门路周边污染团早晚高峰出现，夜间有零星出现，主要为交通污染及生活污染；三通街、几江向阳小学周边污染团夜间出现，且连续出现，为本地生活污染（夜市）；奎星广场、天香街附近污染团昼夜均出现，为本地生活污染（餐饮）。

区域二污染分布图（图4）给出了该区域的主要污染分布，结合实地状况由左至右依次分析判断：青木苑、祥瑞步行街周边污染团白天集中于南边，夜间为弥散型，为交通污染、道路施工污染及生活污染；鼎山大道沿线污染团集中出现于7日、8日两天的早间及午后，为交通污染；琅山大道长风路口污染团出现时间不固定，集中于上下班高峰期，周边有加油站，为交通污染。天之味酒楼污染团集中于午间及傍晚吃饭时间，为生活污染（餐饮）。江州大道、文菁路沿线污染团夜间出现，为生活污染（夜市）。交警支队后侧污染团白天出现，污染弥散，为本地生活和交通污染。

区域三污染分布图（图5）给出了该区域的主要污染分布，结合实地状况由左至右依次分析判断：艾坪山山脚位置污染团日间周期性出现，为建筑施工污染；几江中学、鼎山大道周边污染团白天周期性出现，为建筑施工污染。琅山中心校污染团夜间出现，为生活污染（夜市）。

区域四污染分布图（图6）给出了该区域的主要污染分布，结合实地状况由上至下依次分析判断：客运站及转盘周边污染团几乎全天出现，集中于早晚高峰，为交通污染和生活污染；丁香街沿线污染团日间出现，特别是于7日早、午集中出现，为交通污染（拥堵）。

敏感点分析：结合4日中午至5日早上的江津区空气自动监测站PM10连续数据图（图7 ），可以看出在4日18点至22点，两自动站PM10有明显数值增高过程，判断为傍晚高峰及人为活动形成的近地污染整体升高。其中西关自动站数据有明显异常升高，并在21点左右达到峰值。由4日18点至5日4点的风场后向轨迹图（图8）可知时间段内为完全下降气流，持续受东北风向影响，随后转为西北风。即污染自东北风形成，至西北风向消散。

如污染影响图（图9）中所示，箭头所指点位为西城环境空气自动监测位置，闭合线圈出的位置即为可能对自动站周边造成影响的污染团，箭头为对应污染团对自动站影响的路径。污染主要贡献过程为：鼎山大道、客运站转盘周边污染团在监测点位正东北方向，污染出现时间在18～22点，距离较近，直接影响自动站数据。青木苑、祥瑞大道步行街及鼎山大道沿线污染团出现时间为17～23点，在监测点位东北方向，受当时风向作用直接影响自动站数据。鞍子街及天香街污染团在监测点位东北方向，污染出现时间为10～22点，随当时风向会对自动站数据产生一定影响。西门转盘及三通街周边污染团在监测点位正北方向，夜间出现，会对自动站数据产生一定影响。此外的其他污染团，如鼎山隧道、对岸德感周边污染团等，因污染出现时间和当时风向原因等，未对此次污染过程提供贡献。其中以德感周边污染为例：出现时间至夜间23点，并处于西北位置，此时为东北风向，污染未能扩散至监测点位。随后凌晨3点风向转向至西北，此时德感周边已无污染团。

由此可见，此次过程中敏感点受东北方向污染团影响较大，主要为城市内污染（交通、建筑施工及生活污染）。

3.3切面监测

连续切面扫描数据图（图10）可直接显示切面上的气溶胶变化和切面上污染物通量，污染边界及过境污染。6月6日晚22点至7日凌晨4点的连续切面扫描数据图像，图像每2 h一张。从图像中我们看到了从22日零点开始的明显污染团过境过程，并于次日3点完全过境，导致近地污染增加，污染团高度在1000 m左右。同时也观测到，这段时间城市PBL层高度在400 m～600 m之间。

4结论

江津区主要生活污染为居民生活、餐饮油烟、夜市烧烤等，移动污染主要为主干道及城市核心街区汽车尾气、主河道船舶尾气。固定污染源为城市周边砖瓦窑企业和沿江码头堆场和部分地块裸土扬尘。外来污染源主要为城区正北方向新城建设污染扩散、东北方向工业园区污染扩散、长江对岸毗邻区堆场、码头污染扩散。输送通道主要是由北向南，由西向东。其中外来源形成时间集中于夜间至早晨，而本地污染源主要在日间形成城市污染，污染物明显呈周期性变化。

对于敏感点（空气自动监测站），西城站受本地污染及外来污染双重影响，日间道路污染影响交大，夜间受北部污染扩散影响。东城站受本地源污染较少，但易受到北部污染扩散影响。

利用3D可视激光雷达技术进行城市大气污染监测研究，可以明确城市中的大气污染点源的空间分布和污染排放的时间分布，得到相对准确的城市污染源对于城市环境空气质量影响的信息，同时也可以分析外来污染源的来源、成因、输送通道、具体影响等，将为城市大气污染源解析提供更多的方法和选择，为城市环境空气监测-预警机制的进一步建立打下了良好基础，为环境保护和经济发展政策的制定提供依据。

2017年6月绿色科技第12期

参考文献：

[1]

黄忠伟，倪简白，周天.利用多通道扫描式激光雷达监测大气污染物的3D分布[C]∥中国颗粒学会.第十一届全国气溶胶会议暨第十届海峡两岸气溶胶技术研讨会论文集.北京：中国颗粒学会气溶胶专业委员会，2013：5.

[2]张寅超，胡欢陵，谭锟，等.AML-1 车载式大气污染监测激光雷达样机研制[J].光学学报，2004，8（24）：1025～1031.

[3]张寅超，胡欢陵，邵石生，等.北京市大气SO2、NO2和03的激光雷达监测实验[J].量子电子学报，2006，3（23）：346～350.

[4]蔡思彤.生活废气对城市大气污染的控制现状与研究进展[J].广东化工，2016，5（43）：124～125.

[5]董云升，劉文清，刘建国，等.激光雷达在城市交通污染中应用研究[J].光学学报，2010，2（30）：315～320.

[6]王惠.3D激光雷达扫描控制技术与数据可视化处理研究[D]. 西安：西安理工大学，2014.

[7]王德钊，张红兴，陈传治.激光雷达技术在大气污染监测中的应用[J].风与大气环境科学进展，2008（11）：380～384.

[8]尹青，何金海，张华.激光雷达在气象和大气环境监测中的应用[J].气象与环境学报， 2009，25（5）：48～56.