大氣網格化監測應用
——以天津市某區為例

殷小鴿 張 偉 李 喆 李 璐 陳 磊

（1. 天津港保稅區環境監測站，天津 300457；2.羅克佳華科技集團股份有限公司，北京 101100；3.太原羅克佳華工業有限公司，山西 太原 030000）

0 概述

根據《2019年中國生態環境公報》，2019年337個地級及以上城市中，有53.4%的城市環境空氣質量超標；337個城市6項污染物年均濃度同比2018年僅PM10下降1.6%、SO2下降15.4%，其余因子均同比持平或同比上升，可見環境空氣質量改善的壓力和難度依舊較大。借助環境空氣自動化監測設備，為環保部門提供精準、高效的監測結果，是提升環境管理科學決策水平和精細化管控水平、改善環境空氣質量狀況的重要手段之一[1]。

1 傳統監測和網格化監測的對比

1.1 基本情況對比

目前，各級政府及主管部門以屬地管理為原則，分別建立針對地級及以上城市的國家環境空氣監測網絡和縣級城市的地方監測網絡空氣質量評價城市點[1]，以空氣質量標準站監測數據為依據，定期對下轄地區空氣質量情況排名和考核[2]。由于傳統的空氣質量標準站成本高、體積大、運維難度大，無法實現大面積建設，在數據異常等情況發生時，無法在空間和時間上為污染排查工作提供全方位有力的數據支撐，排查難度較大。想要有效應對大氣污染防治嚴峻形勢，全力提高空氣質量，就必須加快轉變大氣環境管理方式，逐步向精細化管控模式轉變。

大氣網格化監測就是大氣環境管理轉向精細化的重要舉措之一。網格化監測設備微觀站憑借低成本、體積小、易安裝、易維護等優勢，可以實現多區域覆蓋，在依托高時空分辨率的環境監測數據基礎上，能夠及時發現環境污染事件及突發性問題，縮短異常情況響應時間，為高效準確的監管和執法提供定性定量的數據支撐[2]，形成一套集監測、預警、指揮、執法、管理五位一體的環境監管模式，解決了監測點位單一，數據飆升時無法快速定位污染源的痛點問題。

1.2 監測方法對比

標準站和微觀站監測參數均包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3（常規6項參數），在監測方法、測量范圍、測量誤差方面上存在一定的差異性。

參照《環境空氣質量標準（GB3095-2012）》、《環境空氣氣態污染物（SO2、NO2、O3、CO）連續自動監測系統技術要求及檢測方法（HJ654-2013）》、《環境空氣氣態污染物（SO2、NO2、O3、CO）連續自動監測系統運行和質控技術規范（HJ818-2018）》、《環境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續自動監測系統技術要求及檢測方法（HJ653-2013）》，標準站SO2、NO2、O3分析儀器測量范圍為0ppb～500ppb，CO分析測量范圍為0ppm～50ppm，PM10和PM2.5濃度測量范圍（0～1000）μg/m3或（0～10000）μg/m3（可選）；準確度審核時，根據《環境空氣氣態污染物（SO2、NO2、O3、CO）連續自動監測系統運行和質控技術規范（HJ818-2018）》中要求，SO2、NO2、CO、O3儀器示值平均誤差為≤5%；PM10和PM2.5根據《環境空氣顆粒物（PM10和 PM2.5）連續自動監測系統安裝和驗收技術規范（HJ 655-2013）》中參比方法比對調試，2項顆粒物的斜率應滿足（1±0.15），截距應滿足（0±10）μg/m3。

微觀站監測設備的采用傳感器技術，能夠將被監測污染物信息按照一定的方法轉化為電信號[3]，具有一定靈敏性。對微觀站而言，顆粒物（PM2.5和PM10）傳感器國內外多為光散射原理[3]，根據江蘇省環境監測協會基于19家微型空氣質量監測儀器PM2.5比對測試結果[4]，約50%以上的儀器平行性≤15%，66.7%的儀器相關性在85%以上，滿足相關監測要求；氣態因子SO2、NO2、CO、O3采用電化學的傳感器檢測方法。二者自動監測方法對例如表1所示。根據山西省地方標準《空氣質量網格化監測技術規范（DB14/T2009-2020）》所述，PM10和PM2.5的測量范圍為0μg/m3～1000μg/m3，室外比對最大允許測量誤差±25μg/m3（≤100μg/m3）或 ±20%（ >100μg/m3）[5]；SO2、NO2、O3測量范圍為0nmol/mol～500nmol/mol，室外比對最大允許測量誤差為± 20nmol/mol （≤100 nmol/mol ）或 ±20%（ >100nmol/mol）；CO測量范圍為0μmol/mol～10μmol/mol，室外比對最大允許測量誤差為± 0.4μmol/mol （≤2μmol/mol）或 ±20%（ >2μmol/mol）。

表1 標準站和微觀站對比

1.3 擴展性對比

標準站可擴展CO2、NMHC、VOCs組分等多項因子，但在擴展時須同步擴充監測站房面積，對已有面積較小的站房，存在改擴建的問題，投資成本較大，存在一定的局限性；微觀站可擴展TVOCs、TSP、溫度、相對濕度、風速、風向等因子，不需要額外增加占地面積，投資成本相對較小。

2 網格化監測國內進展

近幾年國內很多地區先后開展了大氣網格化監管工作，基本實現了對監測區域的全覆蓋式精準監控，實時掌握區域內污染分布狀況及空氣質量變化趨勢。京津冀大氣污染傳輸通道城市即“2+26”城市建立約3.6萬個網格，有效提升了區域大氣管理水平[6]。太原市[7]作為傳輸通道城市之一，是全國重要的能源化工城市，共計布設108個熱點網格，利用報警信息形成督辦單，在太原市環境監控中心和“12369”環保舉報中心形成閉環，確保網格報警能夠及時反饋，形成了太原特色。

上海市嘉定區[8]作為長三角節點型城市利用85臺顆粒物傳感器設備搭配顆粒物激光雷達掃描聯合監管，形成網格化監測體系，并結合2017—2018年監測數據，為探究上海市嘉定區空氣質量狀況提供了參考。烏魯木齊[2]根據本市地理環境，劃分10個監測斷面，在國控點周邊、敏感區域、重點污染源、重點道路、工地揚塵等進行專項監測，共計設置96個監測站點，實現了全覆蓋式網格化監控，提升了環境監管能力；瀏陽市[9]作為長沙市涉氣企業比重較大的城市，在2018年建設10個環境空氣自動監測小微站，基于2018年11月—2019年3月的監測數據，掌握了各區域污染排放情況，識別了區內污染來源及污染特征。

為科學開展大氣污染防治工作，天津市在充分利用原有27個環境空氣質量國控、市控級別監測點的同時，建立鄉、鎮、街道和重點區域等大氣污染防治二級網格[10]，但受限于點位覆蓋率和密度，無法在大區域范圍內實現對污染源的精準識別。

3 天津某區應用案例

為掌握區域整體環境空氣質量狀況，使用高密度網格布點法，實時監控污染物的濃度，提升網格化監測的時空分辨率[11]，進一步精準分辨區內主要污染來源，提高對大氣環境要素及各種污染源全面感知和實時監控的能力。天津某區根據區域內污染源的類型分布，布設了60余套大氣環境監測微觀站設備，監測因子在標準站的常規六項監測因子基礎上，增加VOCs、濕度等參數。

3.1 識別典型傳輸

由于相同傳感器之間具有一致性，因此大氣網格化監測體系在發現區內外傳輸影響、識別區外上風向污染源方面，具有重要的輔助作用以及數據支撐作用。該文選擇2019年5月9日典型傳輸過程進行分析。

將區內微觀站，按照地理位置劃分為南部、中部、北部，對每個方位內微觀站濃度數據取均值，分別得到南部均值、中部均值和北部均值。

2019年5月9日微觀站變化趨勢如圖1所示。由圖1可知，從各方位均值來看，19：25南部點位CO濃度最先出現峰值4.4mg/m3，19：30-19：40中部點位CO平均濃度達到峰值5.0 mg/m3，19：40-19：50北部點位CO平均濃度達到峰值5.6 mg/m3，整體呈現時間延后、濃度峰值依次升高特性。基于微觀站點濃度數據制成濃度熱力圖，結果如圖2所示，從18：00-19：30，在區內由南向北形成一條明顯的傳輸路徑，且在東風條件下，自東向西推移，最終積聚在區內西北側，傳輸特征明顯。綜上所述，高空間密度的微觀站在捕捉傳輸過程中具有很好的輔助作用。

圖1 5月9日微觀站CO傳輸變化趨勢圖

圖2 5月9日微觀站傳輸變化熱力圖

3.2 識別區內源

例如2019年11月25日-30日，如圖3所示，區內25號微觀站點PM10于20：00-21：00出現規律性突升，且顯著高于周邊2km范圍內點位。基于區內已建立的網格化監管流程，針對該數據突升情況進行了派單，經巡查人員巡查，距離該微觀站點直線距離600m的施工工地有走土和土方施工作業。說明微觀站的高密度布設，對識別區內污染源上具有一定的技術支持作用。

圖3 2019年11月25日-30日微觀站PM10變化趨勢圖

3.3 風場輻合分析

如圖4所示，2019年7月17日凌晨該區域標準站PM2.5濃度持續較高，且于4：30出現突升。基于區內建立的大氣監測網絡，區域內微觀站高值點（圖5）集中分布在標準站附近，輻合天氣特征影響明顯。綜上，微觀站在反映局部區域發生風場擠壓或輻合等不利氣象條件中具有一定的參考價值。

圖4 2019年7月17日3：00-6：00微觀站PM2.5變化趨勢圖

圖5 2019 年 7 月 17 日 3：00-6：00 風場輻合期間微觀站分布

3.4 預警作用

某日傍晚以南風為主，從圖7可知，19:10該區南部微觀站點CO開始出現6mg/m3～8mg/m3高值，至19:20開始出現向區內傳輸，且部分微觀站點出現高于10 mg/m3情況，圖6顯示標準站19：25才出現上升趨勢，可見微觀站對空氣質量預警有一定作用。微觀站具備高時空分辨率優勢，在空氣質量預警方面具有一定的指導意義。

圖6 標準站 CO 濃度變化趨勢

圖7 微觀站預警

4 網格化的優勢和改進建議

4.1 大氣網格化監測的優勢

相比傳統監測方法，大氣網格化監測具有很多優勢：1）網格化監測改變了傳統的環境監測和管理模式，通過自動化監測技術實現高頻次數據采集分析、環境空氣質量狀況的實時監測和遠程監控，極大地提升了環境監測和監管的工作效率；充分整合有效的環境管理資源，提高了環境管理效能，這是城市大氣環境管理發展的必然趨勢[12]。2）可提高標準站周邊精細化管理水平。通過網格化監測系統，實時監測區域內主要污染源動態變化，快速捕捉污染源的異常排放行為并實時預警；通過實時分析，甄別區域污染的主要來源，并對其進行靶向治理，并為后期環境污染治理提供有力的數據支撐。

4.2 改進建議

目前大氣網格化監測還存在些許問題，須改進：1）提高網格化監測設備微觀站傳感器精度，加強監測結果質控管理。一是根據標準站數據定期進行傳感器自動校驗，盡量減少零漂、溫漂等現象；二是進一步優化傳感器性能和校準關系，一方面，降低氣態傳感器氣態物質間交叉干擾影響和濕度對顆粒物傳感器的影響；另一方面，提高傳感器壽命，避免頻繁更換傳感器帶來的數據誤差。2）不斷結合區域工業產業結構、污染源布局和排放清單優化點位布設情況，同時在微觀站監測基礎上，進一步融合走航監測、雷達監測、源解析分析等監測技術手段，豐富完善大氣網格化監測方式，以期達到精準溯源，改善環境空氣質量的目標。

5 結語

大氣網格化監測是大氣環境管理由粗放式向精細化轉變的重要舉措。其中，微觀站采用傳感器的方式，具有低成本、體積小、易安裝、易維護等優勢。目前，大氣網格化監測在京津冀及周邊地區、珠三角地區、西北地區和長三角地區具有廣泛的應用。該文以天津市某區為例，基于污染過程分析，介紹了微觀站在發現傳輸過程影響、發現本地污染源、輔助分析風場輔合、監測預警等方面的重要作用，進而說明大氣網格化在提升大氣精細化管控方面的現實意義。