天津市街镇级空气自动监测系统设计及应用

杨 宁 关玉春 陈 魁 肖致美 毕温凯 高璟赟 李 鹏

(天津市环境监测中心，天津 300191)

引言

天津市街镇级空气自动监测系统设计及应用

杨 宁 关玉春 陈 魁 肖致美 毕温凯 高璟赟 李 鹏

(天津市环境监测中心，天津 300191)

基于网格化大气污染防治工作，开展小尺度、密集网布设空气自动监测点位的研究，构建天津市街镇级空气自动监测系统。利用该系统对街镇级别尺度的颗粒物浓度进行监测，精细分析颗粒物浓度时空分布特征，精准定位高污染区域。该系统可广泛用于污染精准定位、空气质量考核以及区域传输分析，对科学开展大气污染防治工作提供技术支撑，对其他省市开展相关工作提供了借鉴。

街镇级；小尺度监测；大气污染防治；网格化管理

引言

环境空气质量的实时监测是评价污染现状的基本前提和科学基础。小尺度、密集网布设的空气质量监测点位可以提供精细化的监测数据，对于准确掌握区域污染分布情况，提高大气污染防治工作的针对性、科学性和合理性具有重要指导作用。

国外发达国家经过多年探索发展，已结合自身空气污染特征建立相对成熟的监测网络。美国主要按照人口和污染程度确定监测点位的最低数量要求，如细颗粒物监测点位应尽量代表居住社区的空气质量，多数点位代表尺度为几公里半径。欧洲在确定空气质量监测点位时，基本按居住区人口数量确定点位数量，一般25万人口设置1～2个点[1-2]。我国空气自动监测网络经过多年发展，目前已在338个地级以上城市建成1436个监测点位，初步完成覆盖全国、监测因子完善的国家环境空气质量监测网络[3-5]。与发达国家相比，我国空气自动监测点位布设主要针对城市尺度开展，点位布设密度较低、单点位覆盖面积较大，无法精准把握小尺度区域的污染分布状况[6-7]。针对上述问题，天津市开展街镇级空气自动监测系统研究，拟建设全面覆盖辖区内所有乡、镇、街道以及重点区域的街镇级空气自动监测系统，为精细分析颗粒物浓度时空分布、精准定位污染区域、科学开展大气污染防治工作提供技术支撑。

1 街镇级空气自动监测系统设计

天津市街镇级空气自动监测系统是为大气污染防治网格化管理服务，因此点位选址、监测项目选择、仪器选型、仪器运维等方面均在借鉴国家标准的基础上，充分利用原有27个国控、市控级别监测点位、结合属地的财政能力、人员水平、管理需要等实际情况进行设计。市、区两级的监测数据管理平台汇总街镇监测数据，实现审核、统计、评价以及展示功能。

1.1 监测点位布设

空气质量监测网络的设计方法主要有空间相关分析法、法规模式法、等浓度线法、系统选择法等[8]。基于为大气污染防治工作服务的目的，天津市街镇级空气自动监测点位布设采用法规模式法与系统选择法相结合，以乡、镇、街道和重点区域等大气污染防治二级网格为基础进行布设[9]。监测点位选址应遵循代表性、可比性、整体性、前瞻性和稳定性等原则，同时满足监测设备运行要求。

①监测点位应位于乡、镇、街道、重点区域的建成区内。在满足规范的前提下，优先选择乡镇政府、街道办事处、园区管委会所在地，以保证用电、通信条件，监测仪器安全以及后期运维便捷。

②监测仪器周围不能有阻碍环境空气流通的障碍物。

③监测点距地面高度根据选址情况和仪器要求确定，建议离地高度3～20m。

④监测仪器周围至少50米范围内无明显固定污染源。

⑤监测点位应远离主干道，避免车辆尾气等直接对监测结果产生干扰。

1.2 监测项目选择

近四年监测数据显示，颗粒物是影响天津市空气质量的主要污染物，PM2.5和PM10对天津市空气质量综合指数贡献超过50%，是大气污染防治的工作重点。因此，在设计街镇级空气自动监测系统时，出于抓住主要问题的考虑，优先选取PM2.5和PM10两项污染物作为必监测项目；经济条件、运行能力允许，或有特殊要求的监测点位可同步开展SO2、NO2、CO和O3等气态污染物以及特殊污染物监测。

1.3 监测仪器选型

颗粒物自动监测的国家标准方法包括振荡天平法和β射线法，其仪器稳定性和数据准确性要好于其他方法监测仪器，但成本造价也较高，应用于高密度监测点位布设经济成本过高，即便是发达国家也无法承受。同时国家标准方法监测仪器对安装、运行环境要求较高，需要单独建设站房用于安装监测仪器，不适于密集网布设。国际上的监测技术发展趋势是设备尺寸越来越小，架设所需要的支持设施越来越少，并且运维简便。在这种形势下，光散射法的颗粒物监测仪器凭借造价低廉、安装方便、运维简易的特点，逐渐发展成熟。国内外相关工作人员对光散射方法颗粒物监测仪器与滤膜称重法进行比对测试，结果显示其测量精度、稳定性可满足颗粒物监测的一般需要。如德国的Grimm Model EDM 180 PM2.5Monitor在2011年3月取得了美国环保局(USEPA)等效方法认证[10-14]。

综合考虑系统建设成本和密集安装要求，天津市街镇级空气自动监测系统优先选用光散射法颗粒物监测仪器，满足建站条件、经济条件允许的监测点位可选用振荡天平法和β射线法的国家标准监测仪器。为使各区县辖区内各点位监测数据具有较好的可比性，各区县辖区内各点位应使用同一生产厂家的同类型监测仪器。

1.4 监测数据管理

数据采集采用区、市两级平台逐级采集，终端监测仪器的分钟级监测数据实时传输至各区县独立的数据库，最后汇总至市级街镇空气自动监测数据平台。数据管理平台基于地理信息系统开发，应用GIS的地图处理能力以及数据分析功能，将带有空间位置的空气监测大数据可视化显示。数据库选用高效、灵活可与Microsoft Visual Studio. Net等开发工具及软件系统进行无缝集成的SQL Sever。

监测系统软件部分主要有五大模块：数据采集模块、数据处理和统计模块、数据超标报警模块以及报表产生模块，包括管理平台和手机APP两部分，实现街镇空气自动监测点位分布展示功能，提供全市所有街镇空气自动监测点位实时数据、历史数据以及变化曲线查询。

1.5 系统运维管理

天津市街镇空气自动监测点位数量庞大，平均每个区需建设、运维近20个监测点位，点位最多的武清区共36个街镇监测点位。由于区县监测站长期以来并不具备空气自动监测站运维工作能力，单纯依靠市监测中心专业技术人员很难完成日常运行维护任务。因此天津市街镇空气自动监测系统的运维维护工作由第三方运维公司承担。

街镇空气自动监测系统由专业运维公司运维，解决了监测部门人员不足、能力不够的问题，但也存在诸多隐患。一是运维公司以追求经济利益为目标，可能会出现降低运维频次、不及时更换耗材、不严格质控检查等问题；二是国家对于运维公司的资质管理、日常考核、人员素质等方面尚无明确要求，导致市场上运维公司良莠不齐[15-16]。

为规范第三方运维公司的运维工作，保证街镇监测数据的准确性，由各区县监测站承担运维公司的运维质量的监督、管理、考核工作，制定运维技术规定以及相应的绩效考核方案，从准入资质、运行维护内容、运行维护频次、质量控制手段、质量保证体系等方面约束运维公司行为。相对应的评估体系主要分为准入资质评估、运维服务评估和运维绩效评估等3个方面，采取以运维绩效为主、准入和运维服务为辅的权重分配原则，根据实际运维需求赋予各要素不同的分值，以百分制进行量化评估。依据综合评分结果开展运维服务商的准入、遴选、考核、变更等工作。

图1 天津市街镇空气自动监测点位分布图

2 街镇级空气自动监测系统建设及应用情况

2.1 系统建设情况

在前期系统设计的基础上，天津市街镇级空气自动监测网络于2015年底初步建成，共包括281个街镇监测点位(参见图1)，全面覆盖全市16个区县的所有乡、镇、街道、重点区域以及天津港、海河教育园区等重点区域。各区县的街镇监测系统数据管理平台以及全市数据汇总平台同期上线，实现街镇空气自动监测数据的实时展示和查询，为精准定位高污染区域、准确把握大气污染物空间分布规律、更好服务大气污染防治网格化管理工作提供技术支撑。

2.2 系统应用情况

街镇级监测系统上线运行后，在天津市大气污染防治工作方面发挥了重要作用。

(1)各区县利用街镇监测数据对辖区内乡、镇、街道及重点区域空气质量进行考核，对空气质量较差、改善不佳的区域负责人采取通报批评、约谈等措施，将空气质量改善压力层层传达，形成上下联动机制，有利于大气污染防治工作的深入开展。

(2)精确到街镇级的监测数据可以精准定位高污染区域，配合网格监督员巡查、摸排，可以准确找到超标排放污染源，特别是一些不在监控体系内的小锅炉、散烧点、露天烧烤、临时施工等污染排放，对于空气质量精细化管理有重要的推动作用。

(3)密集布设的街镇监测点位提供了空气质量监测的大数据源，结合风向、风速等气象数据，可对区域污染输送以及污染成因分析提供重要支撑。

3 结 论

(1)在空气质量持续改善的压力下，现有城市尺度空气质量监测网络已不能满足大气污染防治精细化管理的需要，密集布设街镇级空气自动监测点位对于精准定位高污染区域、溯源高污染排放源有着重要意义。

(2)天津市街镇空气自动监测系统以服务大气污染防治网格化管理为目标，对点位选址、仪器选型、仪器运维、数据管理等方面开展了因地制宜的灵活设计，对其他省市的空气质量密集网监测工作具有借鉴作用。

(3)系统上线运行后，发现部分街镇监测数据存在波动性较大、一致性较差等问题。初步判断除与区域污染特征有关外，与监测设备运维不到位、数据审核不规范也有一定关系，需组织相关业务培训，加强运维服务商的考核监督。

(4)多数监测点位只配置颗粒物监测仪器，无法准确把握气态污染物变化特征，可以考虑逐步增设SO2、NO2、CO和O3等气态污染物监测项目。

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Design and Application of Street-Township Level Air Automatic Monitoring System for Tianjin

YANG Ning GUAN Yuchun CHEN Kui XIAO Zhimei BI Wenkai GAO Jingyun LI Peng

(Tianjin Environmental Monitoring Center，Tianjin 300191)

Based on grid air pollution prevention and control work，research of air automatic monitoring in small scale and dense network were developed，and air automatic monitoring system in street-township level of Tianjin was set up. This system was used for monitoring particulate concentration in street-township level，the space-time distribution characteristics of particulate concentration were fine analyzed，and high pollution areas of particulate concentration were precise located. This system was widely applied for precise location of air pollution，assessment of air quality and analysis of regional transmission of air pollution，and could provide scientific support for air pollution prevention and control，also the reference basis for other provinces to carry out related work.

street-township level；air automatic monitoring in small scale；air pollution control；grid management

杨宁，助理工程师，主要从事环境监测与评价工作

X131.1

A

1673-288X(2017)02-0187-03

项目资助：天津市科技计划项目(15YFYSSF00030)

通讯简介：关玉春，高级工程师，主要从事环境监测与评价、实验室分析以及质控管理工作

引用文献格式：杨 宁 等.天津市街镇级空气自动监测系统设计及应用[J].环境与可持续发展，2017，42(2)：187-189.