治霾新“神器”:立体环境传感监测网
时间: 2016-03-23 来源:千人杂志
提要:政策的春风下,甘中学博士带领团队打造“立体环境传感监测网,建设城市一级的环境神经系统,完成全方位的大气污染监测,为大气污染治理提供依据。为保障监测数据质量、实现监测与监管执法联动提供重要支撑。

治霾新“神器”:立体环境传感监测网

 

口述/甘中学 记者/魏晶晶

在水、气、土环保之战中,大气治理在近年来一直受到了高度重视,各级政府和环保部门做了大量工作以应对日益严重的空气污染,其中很重要的,就是大气环境质量监测。2015年8月,国务院办公厅印发《生态环境监测网络建设方案》,对今后一个时期我国生态环境监测网络建设做出全面规划和部署。到2020年,全国生态环境监测网络基本实现环境质量、重点污染源和生态状况监测的全覆盖,以及各级各类监测数据系统的互联共享。

政策的春风下,甘中学博士带领专家团队打造“立体环境传感监测网,建设城市一级的环境神经系统,完成全方位的大气污染监测,为大气污染治理提供依据。为保障监测数据质量、实现监测与监管执法联动提供重要支撑。

让数据监测更“精准”

2012年,“雾霾”这一词汇走入大众视野后再未离去,特别是进入采暖期,东北、京津冀及周边地区出现空气重污染的天数急速增加,十面“霾”伏时有发生。有网友调侃,若将PM2.5定一个科学的名字,严肃一点的叫“公雾源”;霸气上点的叫“尘疾思汗”;乐观上点的叫“尘世美”。据环保部监测的2015年第三季度74个重点城市,空气质量超标天数比例超过20%的城市占比达43.3%,其中超标比例超过50%的达6.8%。雾霾的经久不散,已严重影响到民众生活。

    防霾、治霾的声音时刻敲击着社会的警钟,为此,国家出台多项治理政策和措施;大多数城市都布设或完善了既有的细颗粒物监测设备,形成了国控点结合省控点分布密集的地面PM2.5检测网。但从治理结果来看,成效并不明显。主要表现在“对监测站信息是否能代表监测覆盖区域的水平”和“通过这些数据是否能发现确定污染源”等几类问题上。对此,由甘中学博士带领的专家团队,在结合国内本领域专家研究的基础上,提出建立“立体环境传感监测网”的概念,立体环境传感监测网的实质是建设城市一级的环境神经系统,完成从地面到空中,从道路到企业,从白天到黑夜的全方位全时段大气污染状况监测,为决策者提供控霾和治霾的依据,为公众提供防霾和抑霾的参考。

根据甘中学介绍,环境监测网的建设目前面临的难题之一是监测数据“名不符其实”,即依据地面监测数据所作出的数据预测与实际环境污染状况的发展一般还存在较大差距。大气污染无疑是强劲的健康“杀手”之一,但其变化过程并非我们想象的那么简单,在宏观上还受到气象因素的强烈影响,2015年12月1日晚一场仅有两级的西北风就足以让北京人民看到星星。于是有人断言:抗霾主要靠风。“诚然,PM2.5除与我们所知的二氧化硫、氮氧化物等5项污染物有关外,还与风力、温度、湿度和光照等多项因素相关,并且在不同的地区、不同的时段变化的幅度也不一样。但目前还没有一个相对简单的模型可以描述其变化,因此在实际监测中,就不得不采用数值化的方式进行处理和推测。我们的团队在廊坊、保定、杭州、余姚等地的考察数据分析表明,细颗粒物的地理分辨率在1km²以内才较为有效,如果可能,网节密度还应再大一些,特别是对于一次颗粒物源聚集的区域更是如此,这说明现在的监测站密度与实际需要的网格密度相去甚远。”甘中学说道。

将污染物质一“网”打尽

在数据之外,环境监测网若要达到地域空间和时域空间的立体监测,传感网内的传感终端须具备“经济好、可移动、准确性高、可靠性强”等条件,此外,还需符合时下大数据和云服务的智能网标准。但走高端标准化设备的路线在经济上难以承受,需要另辟蹊径满足市场需求。甘博士团队认为,应从电化学传感器入手,他们与多个传感器供应商和集成商合作,对包括alpha和city等多个国外知名品牌的传感器进行了国控点监测站同期对比测试和标定,对多种类污染物交互影响进行了敏感性分析,通过不断比对和调整,得出了“电化学传感器在通过应用区域实地、宽浓度范围、温湿度等因素的标定修正后,其时均值精度上可以满足伴随监测补充数据网格需求”的结论。对于光散射型颗粒物探测器的温湿度和粒径差异影响,也形成一套修正方法,使得PM2.5在常规浓度区取得了较好的质量浓度修正。

为了满足立体传感网对传感器移动性的要求,甘中学团队采用自主开发的旋翼无人机作为传感器搭载平台进行监测和数据采集。采用无人机对大气污染物进行监测有助于在立体尺度上详细了解大气污染物的分布特点,并藉此厘清其发生机制,为城市大气污染治理提供有效的数据支撑及治理效果反馈。团队开发出的4轴及6轴旋翼无人机与传感器设备和通讯设备进行了耦合,在廊坊、余姚等几个地区进行数据采集服务,并于2015年在杭州的云栖互联网大会进行了现场数据采集展示。甘博士提到:“无人机监测目前的主要工作是6项污染物的垂直高程规律和企业排放实时监测。前者在允许飞行高度内获得了重污染天气下PM10随高程增加渐减而PM2.5相对稳定的一般性结论;后者则发现被检企业的排放特点存在于两种极端,要么与背景环境相仿,要么较为严重,居于两者之间的比例较低。”

无人机解决了传感器移动性的问题,传感器将搜集的数据上传到云端,再通过大数据进行分析,为雾霾治理决策提供有效的依据。如果说传感器是监测网的眼睛,那么大数据云中心就是环境监测网的大脑。甘中学团队开发的真气环境大数据云中心收集了全国500余个国省控城市所有自动监测站点的6项大气污染物浓度数据及气象数据,还有在廊坊、余姚等地部署的数百个传感器数据。大数据云中心通过智能数据引擎算法定时向国家监测平台获取环境和气象数据,并经过加工处理存储到云数据库,2013年起,至今已经达到了几亿的数据规模。通过大数据数据挖掘分析及可视化,可以直观地展示雾霾的形成变化规律,预测未来5天的变化趋势,为决策人员提供控霾和治霾的依据,为公众出行提供防霾和抑霾的建议。

通过对一段时期以来治霾控霾工作的总结和分析,甘中学团队逐渐认识到,建立一个“立体环境传感监测网”对相关部门从“监”到“控”的重要性。“监”不是“绣花”,而是要科学的“撒芝麻”,要对污染溯源,把昂贵的源解析和标准化的仪器送到最需要他们的地方,这样的“监”才能为真正的“控”带来抓手。

“无人机、传感器、大数据、云服务”,立体环境传感监测网从形成概念到工作实践经历了2年多的历程,其中既有坎坷的艰辛,也有收获的喜悦。甘博士常说:我们所做的工作,离我们的构想还很遥远,但是千里之行始于足下,矢志不渝,终能有所收获。

 

项目名称:立体环境传感监测网

负责人/创始人:甘中学(国家“PM2.5特别防治小组”组长)

所属领域:科学仪器设备

 


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