淺談我國大氣、水及土壤環境監測技術的發展

俞 衛

（昆山市環境科學研究所 江蘇蘇州 215300）

引言

環境監測技術作為我國現代環境科學的一個重要的分支領域，主要是通過對各種環境監測技術的系統性調查和研究來測定各種可能影響環境質量的因素的代表值并針對這些因素進行了綜合評估和分析，從而判斷出環境的質量或者受到污染的嚴重程度以及其變化趨勢,環境監測這一具有系統性的工作可以為我國的環境治理和社會環境建設發展提供基礎和依據[1]。

在我國的環境科學體系中，環境監測工作作為一個基礎性的環節還可以為我國的環境管理、污染源防治控制、環境計劃等工作提供一個科學的依據，而我國環境科學的每一個分支領域都是以深入了解、評價環境質量及其變化趨勢的數據為主要理論基礎，來針對性地進行各種研究和設計并制定與環境相關的方政策和經濟法規在科技迅猛發展的今天，提高監測質量對我國環境監測工作的開展更是至關重要，更加大力地推進監測工作才能為其他各項環境保護工作奠基[2]。

1 環境監測的對象和分類

隨著現代工業和社會經濟科學的進步，環境監測的范圍和內容也得以有所拓寬，不僅僅是對于工業中各種污染源的監測，現已逐漸發展為對于大環境的監測，即環境監控的對象從直接影響環境質量的各種污染性因子擴展為對于生物、生態變化等各種環境的監控；從現階段的環境實時質量目標的確立，到未來進行環境質量的預測。

2 環境監測戰略的發展

20 世紀50 年代，我國生態與環境科學已經開始向前進步，成長為一門新興學科，生態與環境監測事業和我國生態與環境保護工作也一同展開，1978 年以后我國生態與環境監測事業逐步發展，回顧我國生態與環境監測事業的發展歷程，學者將其分為四個時期—初創期（1973-1980 年）、成長期（1980-2005年）、躍升期（2005-2012 年）、改革期（2012 年至今）[3]。

初創期我國的環境保護事業剛剛起步，環境監測階段由被動監測轉為主動監測，監測方向逐漸從生物監測向生態監測發展，但當時存在監測方法不規范、監測數據不精確與監測人員不專業等問題。而后中國在1979 年底成立了環境監測總站，從此，中國環境監測事業發展掀開了新的篇章。

在成長期，國家通過召開全國環境監測會議起草討論并修改了多份文件使得我國環境監測事業走向制度化、規范化道路，第四次全國環境監測會議召開后，污染源監測就成為了重點。

躍升期伊始，2005 年的“松花江特大污染事件”[4]促使了我國環境監測預警體系的創建，我國環境監測事業的焦點逐漸改為環境質量監測。隨著新綱要的發布，對新時期的環境保護工作要求更高，即建立先進的環境預警機制，完善公共服務型環境監測體系，改善環境質量狀況。

而進入改革時期，黨的十八大將我國經濟社會文明建設擺在了更加重要的戰略地位，國務院也隨之頒布了“大氣十條”、“水十條”、“土十條”文件，更是加大了環境整治的力度，時至今日我國已建立起較為完整的監測網絡體系、監測管理體系、監督技術體系和監測技術保證體系等，所形成的國家生態環境監測網絡要素齊全、覆蓋全國、功能完善，主要以地面監測為主、遙感監測為輔，以污染監測與生態監測并重，所實施的大氣、水、土壤污染防治行動計劃也初步獲得成效，所獲數據質量明顯提高[5～8]。

3 環境監測技術的發展

隨著環境監測技術體系的日漸完備，目前，已確立了環境空氣、地表水、噪聲、固定污染源、生態、固體廢物、土壤、生物等9 個要素的監測技術路線[9]，但數據仍是環境監測工作的生命線，確保監測數據準確、真實、全面,才能保證環境監測工作完成的質量與效率。現階段我國環境監測質控體系已漸漸完備，大氣、水、土壤監測要素全覆蓋，故對此三要素的具體監測技術發展進行簡要總結。

3.1 大氣監測技術發展

空氣中各種大氣污染物的數量龐雜，按照《環境空氣質量標準》 中規定的各種大氣污染物監測項目要求來合理地確定空氣監測的項目，分為必測項目和選擇性監測項目，必測的項目主要有SO2、NOx、PM2.5、PM10、CO、O3，選測項目主要有鉛、氟化物、苯并[a]芘、有毒有害有機物，每種污染物皆有多種方法監測，具體方法如表1[10]。

表1 大氣環境監測中的主要方法

為進一步提高天空大氣監測的質量，越來越多的專家和學者建立了地空一體化監測系統，在空中，利用先進的無人機遙感技術來確認周圍的環境和災害；在地面上，采取各種監測措施，從而實現精細化的綜合監測[11]。針對大氣遙感技術應用較為普及的領域有車載地基遙感監測、車載行駛走航立體監測、機載遙感監測和行星載遙感監測，其中，車載行駛走航立體監測具有較強的機動性，適合于在不利氣象條件下進行的測量和工作以及對工業區域污染物排放的通量；機載遙感監控所具有的強大優點主要有：在多個時間和尺度下依然可以進行全面、長期、連續的監控，同時對污染源數據進行積累，與地圖疊加還能夠便于迅速識別污染源；而這種衛星遙感器的優勢有其自身獨特的一些優點：不僅可以實現全球范圍內的覆蓋，收集數據也較為快速，并且有多個光譜能夠收集大量信息。

而具體污染物的測定則是基于大氣環境高靈敏光譜探測技術原理，常用技術方法有傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術、激光雷達（LIDAR）技術、熒光光譜技術、可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術、以差分光學吸收光譜（DOAS）技術、非分光紅外（NDIR）技術、激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術、光聲光譜技術[12][13]。

3.2 水體監測技術發展

水體監測項目是以水體被污染情況、水體功能、廢（污）水中含污染物質及客觀條件等因素為依據的，細分為地表水（江、河、湖、庫、渠；海水）、地下水、生活飲用水、廢（污）水、其他行業用水監測項目[10]，水體不同所選擇測定的污染物質及標準亦有差別。

常規的環境監控技術主要是包含許多關于水質保護的項目，如有機物、微生物、無機體、重金屬及其他常規工程。常規監控技術的發展及其應用持續時間相對較長，相關的技術已趨于成熟，運行制度體系也較為完整[14]。

但由于常規技術具有時效性差等特點，學者們逐漸提出新技術，較為熱門的有以下三種：3S 技術、物聯網技術、PLC 技術以及生物監測技術。

3S 技術是以遙感技術（RS）、地理信息系統（GIS）和全球定位系統（GPS）為基礎，將RS、GIS、GPS 三種獨立技術應用領域當中的相關部分與其他各種高新技術應用領域的相關部分（例如互聯網技術、通訊技術等）有機結合起來，從而發展出一項嶄新的綜合性技術。

目前3s 技術廣泛應用于對水資源的調查評估和評價、監測濕地水域和河流中的水體沼澤物分布及其變化情況、同時還可以用來監測濕地中的水體富營養化和一些泥沙的污染，另外，3s 技術在我國濕地科學研究工作中的應用尤為廣泛[15]。

物聯網技術主要特點就是將跟蹤技術、射頻識別、云計算和無線通信網絡技術等有機結合在一起，其主要是被廣泛應用于各種分布式的傳感器和網絡，能夠實現全方位、立體地跟蹤河流橫斷面積的水質、含量和相關的氣象參數，這就促使我們在對河流中物化與生物等相關信息的追溯監控能力以及自動化監測水平技術有了新突破。

而將物聯網技術、無線電技術與嵌入式系統技術緊密結合，我們不僅可以直接采集得到湖泊的水溫、水位等各種湖泊的基本情況信息，還能夠監測到湖泊內磷酸鹽濃度。物聯網還可以通過在線直接采集和處理監測到的數據，這就可以保證物聯網能夠實時地傳輸和處理數據，全面地提升了對水環境的監測時效性，再通過對水環境的現狀進行綜合分析,根據其中存在的一些問題和需求來研究制定合理的解決辦法和方案，由此，物聯網技術能夠最大程度地實現人機合作[14、16]。

可編程邏輯控制器（programmable logical controller，PLC）是有效結合了計算機自動化技術與無線電通訊自動化技術的一種新型工業自動化控制裝置，其在整體結構上增添了耐熱、防塵、防潮、抗震等特點，在各種軟硬件上所需要選擇的材料主要有以下幾種具有較高的抗干擾性能：包括隔離、屏蔽、濾波、接地等，因此它們非常合理地應用于環境惡劣的戶外和工業現場[17]。

目前，生物傳感技術、藻類生物監測以及PCR（Polymerase Chain Reaction 聚合酶鏈式反應）等生物監測技術已廣泛的應用于環境監測。生物傳感技術是利用特殊的生物敏感材料作為識別元件，可識別敏感生物物質的濃度并轉換為電信號達到監測目的，該技術具有檢測分析快捷、精準度高、經濟性好、專一性強、操作系統簡單等特點；藻類生物監測技術是將某些藻類的作為指示生物，并根據其對不同水環境的生長適宜性來判斷該環境的水質狀況；相較于傳統監測技術，藻類生物作為指示生物繁殖簡單迅速、培養成本低，應用于監測過程中更直接、靈敏，還同時具有整體性、持久性和生態多樣化等優點[18]；PCR 技術的工作原理主要是利用微生物通過體外合成各種特異性的DNA 片段，其具有迅捷、靈敏、準確、簡單、特殊性強等功能[15]。

3.3 土壤監測技術發展

土壤環境污染質量背景監測結果根據調查目的不同可以將其劃分類別為其對土壤環境質量的影響現狀動態監測、土壤環境污染災害事故的動態監測、污染物進入土地治理處置的過程動態調查監控和其對土壤環境質量背景影響數值的動態調查,土壤監測項目則須根據監測目的來確定。

具體的污染物測定方法應參照 《農田土壤環境質量監測技術規范》[10]。土壤環境監測中主要采用的有物理化學技術、3S 技術、信息技術與生物技術。

物理化學技術是指結合了物理材料學、物理光學、分析化學以及高分子有機化學等科學，并將其運用于土壤環境監測。土壤樣品的元素分析常采用原子吸收光譜法、離子色譜法、偏振能量色散X 射線熒光光譜法、電感耦合等離子體質譜法與發射光譜法等方法，土壤痕量元素的測定分析更是以這些方法為主[19]。而對于土壤有機物的監測分析最常用的技術方法為氣相色譜質譜聯用和液相色譜質譜聯用[20]。

3s 技術的綜合應用是指可以有效地對土壤空間信息進行采集、處理、管理、傳遞和應用，滿足實際土壤環保監測的應用大氣信息技術和數據資料的需要。該種方法能夠全面地把握土壤環境的整體情況[21]，具體能夠做到：

（1）通過動態監控對農業耕地的土壤肥力情況進行長期動態的監測；

（2）通過使用GIS 技術的方式來收集和管理各種農業土壤環境的監測資料，并且我們可以通過自己構建的數據庫和一個專門用于土壤環境評價的模型庫、參數倉儲庫等，加之運算方法來直接實現對土壤環境的綜合評價，預測其質量的變化趨勢；

（3）監控產出的農產品；

（4）在已經遭到污染的農業土壤環境區域，通過GIS 中的緩沖區分分析功能來定位具體的農產品污染源和受污地區，再經過受污面積的綜合計算，最終分析并闡明這些污染物在農業土壤種植過程中的殘留物等[22]。

信息技術在土壤監測中主要指無線傳感器網絡技術，該項技術通過在土壤環境中布置傳感器節點，通過各個節點采集環境數據，傳感器節點再通過無線通信組成網絡，并將采集數據發送至網絡中，最終由特定的匯聚節點接收并得出匯總數據[23]。同時這些據都能夠傳送到數據處理中心，相關人員可以對數據中心進行訪問，從而審核校對或調用編輯數據；通過這樣的過程，最終實現對土壤質量參數的在線監控并記錄[24]。

生物技術主要有熒光蛋白標記監測技術、PCR技術、變性梯度凝膠電泳（DGGE）技術、基因測序技術和宏基因組學技術等，依然是通過對微生物進行監測來實現對土壤環境的監測,這些技術在對受污土壤實施生物修復、土壤侵蝕、土壤微生物多樣性監測等方面起著主導的作用[20]，具有速度快、操作簡便、易于進行生態修復等優勢特點[25]。

結語

自我國的環保事業起步以來，相關的工作一直處于有條不紊的發展中，取得了一些成果但也存在一些不足。在自動監測一片大好形勢之下我們依然需要通過不斷的手動監測來確保數據的有效性，同時改良儀器的各項功能；儀器不斷向自動化發展的同時還需注重其體積及便攜性能，針對于惡劣環境下的作業需不斷提升儀器的穩定性，不斷測試數據的準確性，以達到最大程度替代人工作業從而保障監測人員的安全。隨著監測網絡的進一步完善，各項環境要素的立體監測也越來越重要，我們既要看到3S 技術在這一方面的應用，將其不斷完善，也要在此有更多創新，這就需要對環境監測領域加大資金以及人才投入。

生態環境監測發展應當堅持以習近平新時代生態文明理念和指導思想為核心，不斷貫徹實施該理念，以“實現大監測、確保真準全、支撐大保護”為主線和總體思路，構建陸海統籌、天地相通、上下相互協同、信息資源共享的全球化國家生態環境監測服務網絡。