大气监测在城市环保治理中的实用价值及对策探析

边希春

（烟台市环境监控中心，山东 烟台 264000）

清新的空气和干净的水源是人们生产生活和经济发展的基本要素，伴随着社会经济的快速发展和城市工业化进程的推进，在给我们带来便利生活的同时也对环境产生了严重污染。低碳、绿色、清洁的发展理念不断深入人心，各地政府和企业都认识到环境保护的重要性，其中大气污染的防治在城市污染治理中的地位显著，因而大气监测势在必行。

1 大气污染现状和大气监测的重要性

1.1 大气污染现状分析

城市化和工业化给我国经济发展带来了显著效益，居民生活水平日益提高，与此同时由于煤和石油的大量使用，燃烧过程中产生的颗粒污染物、SO2、NO2、CO等有害气体肆意排放，严重影响了城市大气质量和人民的生命健康。

目前各监测点设置的主要监测项目有SO2、NO2、O3、CO、PM10、PM2.5等共计6项监测指标的浓度值和监测范围。但受到当时技术和管理水平的限制，以及网络更新速度慢、大数据平台未能同步建立等的影响，原有监测点位和设备的加速更新迭代已经不能科学反映大气整体质量。

近十年来是大气监测迅速发展的成长期，依托发达的互联网技术和大云物移等新技术、新领域、新发明的投入使用，大气监测的精准度和监测点的设置越来越科学。本研究以济南市为例，采用多目标优化方法，对济南市省以上监测点和市级监测点进行科学优化，引入了“量子治霾”监测网，这在全国范围内是首次尝试，该技术能够助力实现颗粒物的精准溯源，其采用的“光量子雷达”技术能够在10分钟内绘制生成3D彩色实时全景“大气污染地图”[1]。

1.2 大气监测综合治理情况——以济南市为例

大气监测技术发展至今，从80年代最初的人工现场监测采样，再带回实验室进行分析，到新世纪，随着计算机技术的迅猛发展，结合远程遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球卫星定位系统（GPS）等相关技术手段，使大气环境监测系统发展到了连续自动监测阶段。

以济南市为例，2013年是济南大气十条颁布的初始之年，那时济南污染严重，雾霾天气频繁，十年来，市政府通过大手笔搬迁改造济钢集团，一批石化、化工等企业相继搬出城区，以壮士断腕的勇气对于企业污染进行严格治理，强化监管水平，使得城市空气环境质量实现历史性、突破性转变。与此同时，仍有部分企业不准守规定，履行污染治理工作流于形式，偷排、高耗情况时有发生。根据8月份举报数据显示，全市共收到投诉举报101件，其中举报中反映的大气污染54件，噪声污染36件，水污染14件，其他污染1件。大气污染占比位居首位，占投诉总数的一半以上，其次是噪声污染，占34.3%。其中，废气污染投诉39件，占大气污染投诉的75%，其次是烟尘污染投诉8件，占大气污染投诉的14.8%。因此，做好大气污染综合防治工作，科学合理布置监测点，对监测数据进行严格追根溯源，加大执法力度是做好污染治理的重中之重[2]。

2 现有大气监测系统模式及存在的问题

改革开放以来，我国大气环境监测从开始的人工采样监测方式发展到如今的连续自动监测方式，历经了三、四十年的技术更新迭代。目前，现有的大气环境监测系统为智慧环保一体化平台。通过利用大云物移和人工智能等技术手段，整合全市生态环境信息资源，能够对大数据进行快速分析研判和响应，有力提高管理决策的精准性。

2.1 智慧环保一体化平台介绍

济南市大气监测平台包括实时监测、系统分析、智能决策、在线监管、应急响应五大应用系统，不仅可以排查全市环境整体情况，同时还可以对污染物进行溯源，对违法排污企业形成强有力的震慑和打击。

该系统采用地面走航与高空无人机协同监管的新模式，对重点企业集聚地、工厂场地等区域进行全天候“四维一体化”动态监管，能够迅速过滤所扫码区域，实时出具污染源的定位和传输方向，做到靶向定位、精准溯源，让扬尘、黑烟和直排无处遁形，实时掌握管控区域内的大气环境问题，为环保部门的大气防治工作提供行动思路和依据，高效、省时，促进空气质量持续改善。当发生突发环境事件时，通过无人机的传图设备把推送至地面站的视频通过WiFi推送到应急指挥车通讯系统，应急指挥车通讯系统通过卫星或4G设备与环保监控指挥中心进行连接，把视频实时推送至环保监控指挥中心的接收端、移动端，呈现在GIS地图上（位置、视频等）。

2.2 目前大气监测技术存在的问题

2.2.1 空气质量预报基础模型有待进一步优化

目前空气质量预报基本模型一是基于机器学习算法的统计预报模型，二是基于大气化学传输模式的机理预报模型，这两种预测模型都存在各自的优势和不足。其中国家监测点一般多集中在经济较发达地区，相反目前西部内陆地区反而污染严重，这种空间分布不均匀、功能区划分不够科学的统计预测数据更多用于单站点预报，其结果没有能力代表整个研究区域，更不能科学展现各项污染物的变化趋势。此外，单站点预报在很大范围内精简了输入数据结构，这就导致部分输入数据缺失非典型污染事件信息，因此导致预报模型在这种非典型污染事件上显示出了预报能力的不足。

第二种预测模型是基于大气化学传输模式的机理预报模型。这种模型是采用三维立体大气预处理数据，其优点在于可以将大气状态和污染物传输之间的关系考虑在内，更加适合再大区域范围内对大气污染程度进行较为科学地预报。该模型需要提供预报区域内详实的地表污染源排放列表作为预报模型的进入文件，同时需要深入理解预报区域内大气中各类成分的物理化学机制相互转化内在因子和关系式，才能选取适当的物理化学机制进行模型模拟计算。这种方法需要的数据较为庞大，并且随着社会的不断转型，区域经济发展的不确定性和污染源排放清单的变化越来越快，因此清单的时效性和准确性对机理预报模型非常重要。加上大气传输体系庞大复杂，仅凭人的理解能力很难对这中间的物理化学变化进行量化处理，于是便使用某种近似或者简化的方式来描述变化过程，这就引起了机理预报模式与实际观测值产生较大偏差[3]。

2.2.2 监测点的设置和人工安全性有待解决

一是监测点的科学设置仍需进一步改进，且运维成本高昂。目前的监测点基本上都是传统固定式监测站，其固定性就不会对外界环境变化做出灵活处理，监测模式单一，且外部环境适应性较低。同时采样点分布应设置在污染浓度高中低不同的地方，选择风向上风口，按照功能区布点法、网格布点法或同心圆布点法等科学布局。但是现实存在污染重的地区设点少、人口密集小的地区反而设点多，空间代表性差。同时目前大部分跟踪空气污染的多数方法还是依赖于固定的监测站，同时在国监测和省监测点周边各市都集中全力保障其达标，这就无形中隐藏了污染问题，使数据的收集不够灵活，同时其真实性和全面性也不够精准。二是当危险气体泄漏事故发生时，需要现场对事故进行快速决策，传统监测方式在气体采集监测时，由于人工采集不仅速度慢，同时危害性强，存在人身伤亡风险。三是由于监测站的设备在不断更新和增加，前后技术存在迭代和接口不对应，在逐步向无人值守化过渡的过程中，进一步加大了故障设备排查的工作量。同时存在部分地区连续监测数据但没有得到有效利用的情况，还是利用人工去推论，缺乏智能分析和数据的处理能力。一但环境监测设备出现故障，将会直接影响整个环境监测业务的正常运行。

3 抓好大气监测的几点措施

3.1 充分利用最新科技成果，助力大气监测更加科学精准

基于大数据平台的监测信息系统能够实时更新大气污染状况，对环境质量进行科学评估并预测后期趋势，对查找溯源和预警决策从而开展强有力的联防联控具有重要意义。因此，借助新兴科技手段应用于大气监测能够有效提高监测结果的精准度。

3.1.1 引入量子雷达技术

以济南市为例，通过借助光量子雷达技术与环保治霾、气象监测、生态环境保护相结合，加速推动量子产业向更好发展的同时也助力生态环境的保护，实现了双赢局面。今年济南市引进了7台颗粒物光量子雷达，该雷达使用近红外量子探测技术，通过收集并分析大气气溶胶等颗粒物的散射信号，吸取出大气颗粒物的各项数值和特征。虽然其整体高度不足1米，但轻巧实用，精准度非常高，对于城市扬尘监测、大气颗粒物污染源追踪定位、云层探测至关重要，同时还能自动识别污染物系本土还是外来飘入。通过自主研发先进的识别算法，颗粒物光量子雷达能够准确识别大气污染的排放，大幅降低误报漏报[4]。

3.1.2 借助车联网+，实现大气监测数据的实时移动监测

通过车载终端+后台服务中心的结合，利用遗传算法和混合遗传模拟算法在内的组合优化，求解优选车载监测点模型，通过城市不同功能区的划分、不同季节和地理区位实现智能监测。

3.1.3 数据实时上“云”，实现数据的分析处理

监测的结果能够第一时间反馈回信息中心，并通过溯源分析找到污染源，从而快速进行现场处理。秸秆焚烧之季，当违法进行焚烧秸秆操作时，无人机可以实时追踪到污染源，快速在烟雾之上盘旋，分析大气中SO2、NO2、PM10、PM2.5等数据，同时可以实时显示在环保部门运监中心的大屏上，并实时进行现场干预，实现零对接。

3.2 科学设置监测点，实现“线上+线下”联动监管

实现网格化监测和云图式相结合，一方面在城市商业区、工业区和居民区不同区位设立针对性的监测设备，例如标准空气站、组分站、扬尘在线监测仪、TVOC在线监测仪等设备，形成密集的监测网络，同时运用车载在线监测仪、走航车、量子雷达技术等设备，形成云图式空间分布。通过线上和线下相结合的方式，形成高效的监测体系。

在前台与线上，通过确定目标函数和一定的约束条件从而进行数学建模，采用多目标组合优化算法求解数学模型的方法来求解监测站点的位置；一方面利用固定监测点和可移动的走航车、车载终端，通过设计的最优车载监测点选取模型，选取大量样本进行试验，得到季节性、空间性和功能区性差异，并选取合理的区位和数学模型进行网络优化和应用仿真，力争达到以最少的监测点实现最科学的监测结果，以节省人力和财力。同时可以采用基于无人机的实时大气污染物监测技术，将搭载在无人机上进行校准后的包括ZE25-O3臭氧传感器、颗粒物传感器等在内的污染物浓度传感器和气象参数监测传感器所收集到的监测信息，在保证安全性及稳定性的基础上，能够实时地利用GPRS技术将无人机上的传感器监测数据实时输送到地面终端，实现前台和后台的有效数据传递[5]。

在后台和线下，将监测点收集的宝贵信息进行智能分类和筛选，提取关键信息，确保信息的完整性和真实性。在数据远程传输技术方面，充分利用WiFi、蓝牙、ZigBee、GPRS等不同传输方式在不同环境下的特征和优点，对监测数据进行多维度实时传递并进行快速智慧统计，并利用网络爬虫和数据挖掘技术，同时采用图表和图片的形式将信息生动真实地展现给执法人员，辅助其科学制定防护措施。

3.3 执法与帮扶并重，健全完善的责任体系

科学的监测结果必须经过溯源改善并加以解决才是实现环保的最后一环，否则监控数据将毫无用处。监测人员一方面要对监测设备进行重点盯防，强化对设备和系统的管理，对于数据缺失、不连续、不闭环等情况要加大执法力度，且多部门要协同布局，联合城管、工商和公安部门，对重点排污单位的自动监控系统进行全面检查、彻底整治，坚决打击以篡改、伪造监测数据为主要手段逃避生态环境监管的环境违法犯罪行为。另一方面是精准画像，锁定治污方向。环境执法人员要结合监测数据绘制出“污染图”，并针对重点排污企业开展四不两直回头看工作，切实做到监测一例、整改一例，合格一例，后续彻底整改，同时建立重点企业黑白名单制度，对于合格企业实行政策倾斜，鼓励支持其发展。

4 大气污染监测的成效和发展前景

通过引入新技术手段，实现人防+技防相结合，济南市大气污染监测实现了新的突破，进而对污染物的治理和环境保护起到了定海神针之用。通过构建“1+9”市级生态环境监控体系，济南市按照1个市中心、9个分中心的模式，初步建成了7处量子雷达监测点位，全国首张“量子治霾”监测网落户济南，为实现空气质量监测“由点到面”的扩展提供了支撑。

根据大气监测数据显示，2021年全市环境空气中PM2.5的浓度下降到61.2%，优良天数增加了106%，重污染天数减少了86.8%。济南市空气质量综合数据下降到了4.7，全年市区空气质量良好以上天数达到了229天，优良及以上天数占比为62.7%，成功退出全国重点城市空气质量排名后30名。同时，全年城区环境空气中可吸入颗粒物（PM10）的年均浓度78 μg/m3，细颗粒物（PM2.5）为40 μg/m3，二氧化硫为11 μg/m3，二氧化氮为33 μg/m3，排名大幅提升。

通过采用光量子雷达，不仅实现了颗粒物溯源的问题，对于后期防治结合和依法惩治改良意义重大，同时其本身就是无噪声、节能的绿色产品。现场试验发现，将雷达设备放在监测站时，当对试验区域进行水平扫描监测，气候条件正常时，可以将半径15 km范围内的所有颗粒物污染突发排放的点“抓”出来，其时效性和速度较之传统雷达大幅提升。通过引入无人机等先进设备进行全天候无死角防控；通过试验达到了当试验中的污染物从某区域飘来时，应用激光雷达和量子高光谱等技术，实现了屏幕中清晰展现污染成分及其动态漂移变化，从而达到溯源的目的。同时充分利用可移动、多角度、灵活性强的分布式车联网这种新型监测手段，不断推动传统大气环境监测行业的转型升级，实现了环境监测监控的现代化和环境管理的智慧化。