江津區(qū)大氣污染源的激光雷達監(jiān)測研究

秦皓　肖艷平　牟軍　廖雨超

摘要：指出了如何有效開展城市大氣污染防治工作，確保環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善是大氣環(huán)境保護工作的核心。結(jié)合環(huán)境監(jiān)測新興技術(shù)，與科技企業(yè)通力合作，利用3D可視激光雷達技術(shù)對江津區(qū)大氣污染源進行了監(jiān)測研究，獲得了分區(qū)域的污染分布圖，以期為環(huán)境監(jiān)測、管理、預警體系建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：大氣污染源；激光雷達；監(jiān)測；研究

中圖分類號：X511

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）12003005

1引言

近年來，與人類生存和發(fā)展密切相關(guān)的環(huán)境污染已經(jīng)成為人民群眾非常關(guān)心的重要問題。大氣污染嚴重影響人們的生活品質(zhì)，如何有效開展城市大氣污染防治工作，確保環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善是大氣環(huán)境保護工作的核心[1～4]。城市大氣污染源主要包括工業(yè)生產(chǎn)、居民生活、道路交通、建筑施工排放到大氣中的顆粒物、硫氧化物、氮氧化物、鹵化物、碳化合物等，來源比較復雜且相互作用形成復合污染[4]。激光雷達是大范圍快速監(jiān)測大氣環(huán)境的新一代的高新技術(shù)手段，具有實時、快速、連續(xù)、長期的遙感監(jiān)測等優(yōu)勢[5，6]。利用3D可視型激光雷達進行垂直/水平掃描，可以對污染物的時空分布及其擴散進行跟蹤監(jiān)測[6～8]。因此，由于激光雷達技術(shù)具有的獨特優(yōu)勢， 逐漸成為開展城市污染演變、區(qū)域性污染物分布、污染物跨界輸送以及污染溯源監(jiān)測的主要手段之一。本文利用3D可視激光雷達技術(shù)對江津區(qū)大氣污染源進行了監(jiān)測研究，以期為環(huán)境監(jiān)測、管理、預警體系建設(shè)積累寶貴經(jīng)驗。

2實驗條件與方法

2.1監(jiān)測儀器

北京怡孚和融科技有限公司3D可視型激光雷達，型號為3D-Scan-CAM。

2.2監(jiān)測地點

江津城區(qū)中心御景華庭小區(qū)17棟樓頂，掃描半徑5～10 km。

2.3監(jiān)測方法

選取顆粒物濃度作為主要監(jiān)測因子，采用垂直、水平、切面監(jiān)測方式，通過連續(xù)不間斷掃描，協(xié)同風向、風速、濕度、氣壓、氣溫等氣象監(jiān)測，結(jié)合空氣自動監(jiān)測站實時數(shù)據(jù)進行校正后實施數(shù)據(jù)分析。

2.4監(jiān)測條件

制作江津城區(qū)監(jiān)測期間城市近空500 m高度位置所有后向軌跡圖得到垂直掃描時間段，城區(qū)主要以上升氣流為主（5月31日至 6月3日），利于污染擴散，不易形成累積污染；水平掃描時間段，江津以下降氣流為主，易受外來污染影響，本地也易于形成污染累積。經(jīng)查，與該地區(qū)歷年風場統(tǒng)計信息相符。

3結(jié)果與討論

3.1垂直監(jiān)測

將6月1日晚21點至3日午間12點日激光雷達垂直監(jiān)測圖與江津區(qū)近地自動站PM10數(shù)據(jù)結(jié)合分析可知：在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，近地濕度較大，并有間斷降雨，對污染有稀釋作用，污染不易累積。結(jié)合垂直掃描圖（圖1）可知江津城市污染演變主要分為幾個過程：1日21點至2日凌晨3點，隨氣流下降，進而污染累積，在21日至24日，在近空600 m處的近地污染團過境，造成本地污染升高，自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)PM10升高。2日4點至16點，近空云層過境，并伴有降雨過程，污染沉降，污染逐漸減輕。2日16點至3日5點，降雨停止，近空云層向上擴散，氣流上升，近地濕度先降低后上升，本地污染逐步累積，近地消光系數(shù)增高，自動站監(jiān)測顯示PM10數(shù)據(jù)逐漸升高。3日5點至12點，近空云層降低，造成本地PBL層降低，污染不利于擴散，本地PM10逐漸升高并累積。在雷達監(jiān)測的時段內(nèi)，江津區(qū)近地濕度大，污染物隨下降氣流，易累積，形成污染團。隨濕度降低或降雨等易形成污染沉降，但不會形成長時間的連續(xù)大面積污染。

3.2水平監(jiān)測

制作雷達測試區(qū)域內(nèi)PM10濃度圖（圖2），顏色的深淺代表污染的嚴重程度，經(jīng)緯度和測點距離等點擊可查。藍色標記點位是測點位置，紅色標記點位是空氣自動監(jiān)測站位置。圖中紅線圈出部分為城市外部污染，未圈出區(qū)域顏色較深區(qū)域為城市污染源污染。逐一分析見圖3～圖6。

區(qū)域一污染分布圖（圖3）給出了該區(qū)域的主要污染分布，結(jié)合實地狀況由左至右依次分析判斷：大西門轉(zhuǎn)盤及西門路周邊污染團早晚高峰出現(xiàn)，夜間有零星出現(xiàn)，主要為交通污染及生活污染；三通街、幾江向陽小學周邊污染團夜間出現(xiàn)，且連續(xù)出現(xiàn)，為本地生活污染（夜市）；奎星廣場、天香街附近污染團晝夜均出現(xiàn)，為本地生活污染（餐飲）。

區(qū)域二污染分布圖（圖4）給出了該區(qū)域的主要污染分布，結(jié)合實地狀況由左至右依次分析判斷：青木苑、祥瑞步行街周邊污染團白天集中于南邊，夜間為彌散型，為交通污染、道路施工污染及生活污染；鼎山大道沿線污染團集中出現(xiàn)于7日、8日兩天的早間及午后，為交通污染；瑯山大道長風路口污染團出現(xiàn)時間不固定，集中于上下班高峰期，周邊有加油站，為交通污染。天之味酒樓污染團集中于午間及傍晚吃飯時間，為生活污染（餐飲）。江州大道、文菁路沿線污染團夜間出現(xiàn)，為生活污染（夜市）。交警支隊后側(cè)污染團白天出現(xiàn)，污染彌散，為本地生活和交通污染。

區(qū)域三污染分布圖（圖5）給出了該區(qū)域的主要污染分布，結(jié)合實地狀況由左至右依次分析判斷：艾坪山山腳位置污染團日間周期性出現(xiàn)，為建筑施工污染；幾江中學、鼎山大道周邊污染團白天周期性出現(xiàn)，為建筑施工污染。瑯山中心校污染團夜間出現(xiàn)，為生活污染（夜市）。

區(qū)域四污染分布圖（圖6）給出了該區(qū)域的主要污染分布，結(jié)合實地狀況由上至下依次分析判斷：客運站及轉(zhuǎn)盤周邊污染團幾乎全天出現(xiàn)，集中于早晚高峰，為交通污染和生活污染；丁香街沿線污染團日間出現(xiàn)，特別是于7日早、午集中出現(xiàn)，為交通污染（擁堵）。

敏感點分析：結(jié)合4日中午至5日早上的江津區(qū)空氣自動監(jiān)測站PM10連續(xù)數(shù)據(jù)圖（圖7 ），可以看出在4日18點至22點，兩自動站PM10有明顯數(shù)值增高過程，判斷為傍晚高峰及人為活動形成的近地污染整體升高。其中西關(guān)自動站數(shù)據(jù)有明顯異常升高，并在21點左右達到峰值。由4日18點至5日4點的風場后向軌跡圖（圖8）可知時間段內(nèi)為完全下降氣流，持續(xù)受東北風向影響，隨后轉(zhuǎn)為西北風。即污染自東北風形成，至西北風向消散。

如污染影響圖（圖9）中所示，箭頭所指點位為西城環(huán)境空氣自動監(jiān)測位置，閉合線圈出的位置即為可能對自動站周邊造成影響的污染團，箭頭為對應污染團對自動站影響的路徑。污染主要貢獻過程為：鼎山大道、客運站轉(zhuǎn)盤周邊污染團在監(jiān)測點位正東北方向，污染出現(xiàn)時間在18～22點，距離較近，直接影響自動站數(shù)據(jù)。青木苑、祥瑞大道步行街及鼎山大道沿線污染團出現(xiàn)時間為17～23點，在監(jiān)測點位東北方向，受當時風向作用直接影響自動站數(shù)據(jù)。鞍子街及天香街污染團在監(jiān)測點位東北方向，污染出現(xiàn)時間為10～22點，隨當時風向會對自動站數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定影響。西門轉(zhuǎn)盤及三通街周邊污染團在監(jiān)測點位正北方向，夜間出現(xiàn)，會對自動站數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定影響。此外的其他污染團，如鼎山隧道、對岸德感周邊污染團等，因污染出現(xiàn)時間和當時風向原因等，未對此次污染過程提供貢獻。其中以德感周邊污染為例：出現(xiàn)時間至夜間23點，并處于西北位置，此時為東北風向，污染未能擴散至監(jiān)測點位。隨后凌晨3點風向轉(zhuǎn)向至西北，此時德感周邊已無污染團。

由此可見，此次過程中敏感點受東北方向污染團影響較大，主要為城市內(nèi)污染（交通、建筑施工及生活污染）。

3.3切面監(jiān)測

連續(xù)切面掃描數(shù)據(jù)圖（圖10）可直接顯示切面上的氣溶膠變化和切面上污染物通量，污染邊界及過境污染。6月6日晚22點至7日凌晨4點的連續(xù)切面掃描數(shù)據(jù)圖像，圖像每2 h一張。從圖像中我們看到了從22日零點開始的明顯污染團過境過程，并于次日3點完全過境，導致近地污染增加，污染團高度在1000 m左右。同時也觀測到，這段時間城市PBL層高度在400 m～600 m之間。

4結(jié)論

江津區(qū)主要生活污染為居民生活、餐飲油煙、夜市燒烤等，移動污染主要為主干道及城市核心街區(qū)汽車尾氣、主河道船舶尾氣。固定污染源為城市周邊磚瓦窯企業(yè)和沿江碼頭堆場和部分地塊裸土揚塵。外來污染源主要為城區(qū)正北方向新城建設(shè)污染擴散、東北方向工業(yè)園區(qū)污染擴散、長江對岸毗鄰區(qū)堆場、碼頭污染擴散。輸送通道主要是由北向南，由西向東。其中外來源形成時間集中于夜間至早晨，而本地污染源主要在日間形成城市污染，污染物明顯呈周期性變化。

對于敏感點（空氣自動監(jiān)測站），西城站受本地污染及外來污染雙重影響，日間道路污染影響交大，夜間受北部污染擴散影響。東城站受本地源污染較少，但易受到北部污染擴散影響。

利用3D可視激光雷達技術(shù)進行城市大氣污染監(jiān)測研究，可以明確城市中的大氣污染點源的空間分布和污染排放的時間分布，得到相對準確的城市污染源對于城市環(huán)境空氣質(zhì)量影響的信息，同時也可以分析外來污染源的來源、成因、輸送通道、具體影響等，將為城市大氣污染源解析提供更多的方法和選擇，為城市環(huán)境空氣監(jiān)測-預警機制的進一步建立打下了良好基礎(chǔ)，為環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展政策的制定提供依據(jù)。

2017年6月綠色科技第12期

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