發布時間：2020-03-12所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：在廣州黃埔老港區周邊開展環境空氣自動監測，結合廣州市不同季節的主導風向，在港區的不同方位布了6個監測點位。首次使用傳感器法微型站和國標法的標準站相結合的方式對廣州市的港口區域環境空氣進行監測，同時采用外場比對的方法進行微型站的質量控制
摘要：在廣州黃埔老港區周邊開展環境空氣自動監測，結合廣州市不同季節的主導風向，在港區的不同方位布了6個監測點位。首次使用傳感器法微型站和國標法的標準站相結合的方式對廣州市的港口區域環境空氣進行監測，同時采用外場比對的方法進行微型站的質量控制。廣州黃埔港環境空氣自動監測的構建為在港口等復雜環境下開展環境空氣自動監測提供了參考，為開展微型站監測，提高微型站監測數據質量提供技術借鑒。
關鍵詞：黃埔老港港口環境空氣自動監測
1引言
港口作為運輸服務綜合設施，依托航道、碼頭泊位、集疏運設施與通道，與水運、陸運和空運等緊密聯系，在全球物流鏈系統中，對貨物進行區域性集散整合[1]。2017年，進入全球集裝箱吞吐量前10名港口，中國大陸有6名，為上海、寧波-舟山、深圳、青島、廣州和天津[2]。這些港口多集中在珠三角、長三角、環渤海等人口稠密地區。美國長灘港的研究發現，船舶在停泊時的排放可占到其總排放的41%，幾乎等同于水上運輸時的排放量。燃用重油的大型低速柴油機排氣中排放大量的PM、NOx、SOx、CO[3]，研究表明，船舶排放占全球NOx排放的7%，占全球SOx排放的4%[4]。這些排放中70%以上是在海岸線400公里內的區域產生的，從而對當地環境造成較大威脅。據測算，一艘中到大型集裝箱船，如果使用含硫量為3.5%的船用燃料油，并以70%最大功率的負荷行駛，那么一天排放的PM2.5污染物相當于50萬輛國IV貨車一天的排放量。上海港船舶排放對SO2、NOx和PM2.5的排放分擔率分別達到12.0%、9.0%和5.3%[5]。廣州市2016年度PM2.5來源解析結果顯示船舶源占比達8.9%[6]，船舶的排放對廣州環境空氣質量改善影響較大。宋亞楠的研究表明，天津、唐山、秦皇島、黃驊四大港口2013年各大污染物排放量均達到萬噸左右，且船舶越靠近港口，其排放密度越大，距離港口15海里范圍內，是排放最密集的區域[7]。港口區域特別是位于珠江河口內的港口對廣州市環境空氣的影響已經不容忽視，對港口碼頭環境空氣質量的監測研究，掌握港口污染特征顯得非常必要。
我國的船舶大氣污染防治工作起步較晚，存在法律、標準體系不完善，船舶污染排放清單編制工作滯后，監管信息不完善，并且缺乏準確高效的監測、檢測設備等問題[8]。為及時、準確掌握船舶港口碼頭區域空氣質量狀況及其對周邊區域及城市空氣質量的影響，建設港口碼頭專題空氣質量自動監測站，開展業務化監測，為加大港口船舶污染排放治理、實現區域聯防聯治提供技術支撐。
2選址
為研究港口對城市環境空氣質量的影響，開展港口監測首選距離廣州市中心城區較近，珠江口內的港口;為了能夠更好的研究比對，所選港口附近最好能有已經開展監測的空氣質量監測點位。廣州市黃埔老港區(以下建成“黃埔港”)符合以上選址標準。黃埔港歷史悠久，是中國古代“海上絲綢之路”的起點和我國最早的一類通關口岸之一，黃埔港位于南海珠江河口內，廣州市東南部珠江口內的北岸(113°2616"E，23°0549"N)，廣州新中軸線東側，黃浦區西側，臨近天河區，距市地標建筑廣州塔12公里，距香港88海里，航道水深9米。距離黃埔港最近的環境空氣自動站為“八十六中”國控點(廣州市51個發布點之一)，直線距離約1公里，黃埔港的位置如圖1所示。
3構建及實現
為了能夠客觀反映廣州黃埔港及周邊空間范圍內的環境空氣質量水平和變化規律，監測黃埔港對其周邊環境空氣質量的影響，監測點位需要具備以下功能：①監測方法實際可行，能夠在港口復雜的環境條件下開展監測，且監測點位距離港口水域不超過1km;②能夠監測港口區域整體環境質量的點位，具備掌握港口及其周邊區域環境空氣質量的狀況與特性，監測數據科學可靠。
3.1分析構建
受港區內建設場地以及安全的限制，長期在線開展環境空氣監測難度較大，在合理設置港區的監測點位的基礎上，綜合采用了不同監測分析技術。
國標法標準站(以下簡稱“標準站”)是開展環境空氣自動監測最常用的方法，國標法的技術成熟，監測儀器種類齊全，儀器性能可靠，具備完善的一整套的采樣、分析以及校準系統。但使用國標法需要建設監測站房，站內必須接入通訊及電力。此外，標準站還需有配套的數據系統，能夠完成站內全部監測項目的采集和存儲，具有很好的兼容性，既能夠采集常規監測指標，也可以擴展采集非常規監測指標。
港口作業區及周邊環境復雜，在港口開展施工建設需要面臨港口安全中的諸多問題[9]，建設標準站需要開展建設、用電和通訊施工，難度較大。鑒于此，必須綜合采用新型的、靈活的監測技術，功能設計要求包括：①體積小，部署靈活;②具備市政220V供電和太陽能供電兩種方式;③在無市政供電的情況下，要能夠在無外接電源時能夠保持連續工作不少于30天;④能夠自動存儲監測數據，同時具備無線網絡傳輸數據的能力;⑤校準手段靈活。
3.2設計實現
在具備有建站條件的地方建設標準站，參照環保部有關標準執行，其中監測點、采樣口及監測項目等的設置參考了《環境空氣質量監測點位布設技術規范(試行)》(HJ664-2013)中的要求，包括了對采樣口周圍環境，采樣口周圍水平面空間、周圍環境狀況等要求[10]。監測常規六項指標(SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5)的監測點位及環境等的要求參考了《環境空氣顆粒物(SO2、NO2、O3、CO)連續自動監測系統安裝和驗收技術規范》(HJ193-2013)和《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》(HJ655-2013)，包括了對系統的組成及原理、安裝、調試和試運行等要求[11，12]。
微型站采用的主要是傳感器法，即采用電化學、光學等的傳感器開展監測。傳感器法微型站(以下簡稱“微型站”)具有體積小巧，點位布設靈活(可布設在一根支撐桿上，無需站房建設);時間分辨率高;功耗小，可采用太陽能供電;可以采用無線通訊方式傳輸數據。
黃埔港有碼頭岸線2858米，生產用碼頭泊位16個，其中萬噸級泊位10個(洪圣沙碼頭核算靠泊船舶噸級5萬噸級泊位2個);港內萬噸級作業錨地4個。港區占地總面積99萬平方米，年吞吐能力達3000萬噸以上，國際集裝箱年吞吐能力達90萬標準箱以上[13]。綜合黃埔港的實際特點，在距離江邊300米的黃埔港北岸即為成熟的城市建成區，配套設施齊全，具備站房建設條件，因此使用國標法開展監測;黃埔港作業區周邊，碼頭工作繁忙，車輛及大型機械眾多，站房建設困難，因此采用傳感器法開展監測。
為了能夠覆蓋黃埔港作業區，同時結合廣州不同季節的主導風向(夏季為東南風，冬季為西北風)，監測點位的布設采用了南北邊界布設、點位間隔均勻的設計方案。最終完成的監測點位分布如圖2所示，①在港口作業區南北邊界外圍布設5個微型站(圖2中白色點位)，可以監測南北不同主導風向時，監測數據差異;②微型站監測點位沿著黃埔港作業區邊界布設，并覆蓋了內河通航水域，針對性很強;③5個微型站間基本為等間距分布，平均間距1.2km，最小間距為0.83km，最大間距為1.4km，避免空間間距過大帶來的差異;④在作業區的北岸設置1個標準站(圖2中五星點位)，標準站距離“八十六中”國控點1.4km，可以實現比對分析的功能;⑤標準站與各微型站間距離均小于1.5km，可以實現與微型站監測數據的比對和校準的功能。
標準站數據系統包括子站段數據采集系統和中心端數據存儲分析系統兩部構成，具備通用的數據傳輸協議及數據傳輸網絡系統：①子站系統由工控機和數據采集軟件構成，采用統一的數據通訊協議，對每次采集的數據進行編碼后組成數據發送條，數據條內容主要包括時間、站點編號、監測項目名稱、濃度、儀器報警信息、開始和結束標識符等;②中心系統由中心系統服務器和系統軟件組成，按照子站系統相同的通訊協議編寫的系統軟件，接受子站系統的數據;③通訊系統采用ADSL作為主通訊網絡，無線輔助通訊網絡，無線網絡作為備份網絡，主副通訊網絡自動切換，確保通訊正常。如圖3所示，建設實現的數據系統能夠采集常規六項監測指標，同時可以滿足拓展項目采集的需求。
3.3質量控制
3.3.1標準站質量控制
標準站的質控可以參照現行相關標準執行：對氣態監測項目(SO2、NO2、CO、O3)的零點、跨度點、精密度檢查采用自動方法，檢查結果自動形成報表;標準站的監測質量審核的很大部分工作及流程目前已經智能化自動的開展實施[14]，對于顆粒物監測只能手工開展的部分質控工作，包括定時完成采樣流量檢查和標定、切割頭的清洗、分析儀器噴嘴的檢查和清洗、動態加熱、溫度、壓力和氣密性的檢查等質控工作，可以在子站定期巡檢時完成。標準站的質控目前已經標準化、流程化，可以很好的保障監測數據的質量。
3.3.2微型站質量控制
微型站的監測質量控制，目前可供參考的相關標準較少;微型站體積小，集成度高，沒有類似標準站的校準系統，無法按照標準站一樣的質量控制及管理方法，這樣容易出現數據質量不可控的情況。研究使用外場比對的方法，對微型站開展質量控制工作：將微型站和標準站統一在同一個實驗場，開展為期不少于7日的比對，利用比對數據來對微型站儀器的監測數據質量進行評判，并因此開展相關的質量控制工作。2017年11月24日至30日，在廣州塔地面站開展了5個傳感器法微型站和國標法標準站的外場比對測試，測試結果見圖4所示。7天比對期間，儀器全部能夠正常運行，數據完整有效。由圖4可知，5個微型站與標準監測數據間趨勢較一致，顆粒物濃度的高值區和低值區時間段、SO2在峰值、NO2和CO的早晚雙峰特點、臭氧午間13時左右的峰值特點等得到了反映。
為進一步檢驗5個微型站數據的準確性，使用了一元線性回歸對數據進行分析，同時參考河北省地方標準《大氣污染防治網格化監測系統安裝驗收與運行技術規范》(DB13/T2546—2017)[15](參數要求見表1、表2)，檢查了各比對參數情況，分析結果見表3所示�！�7天的室外外場比對結果可知，5個微型站與標準站六項監測指標均具有較好的線型關系，絕對誤差和相對誤差均優于河北省地方標準的限值要求，監測結果可信。此外，外出比對數據可以用于微型站的校準，如果發現比對監測數據相差較多，可以通過微型站內置程序進行比對校準。
3.3.3長期運行質量控制
廣州港口環境自動監測構建后，開展24小時連續監測，標準站采用國標方法，監測數據具備評價的能力，數據質量要求高，應嚴格按照相關質控要求開展;微型站設置的主要作用是在不同季節、不同主導風向下，通過趨勢來對黃埔港對周邊環境空氣的影響的研判提供趨勢性的分析。因此，根據功能和設備類型的不同，對標準站和微型站采用不同的質控方式：
標準站的主要質量控制措施：①氣態四項指標(SO2、NO2、CO、O3)每天1次零點檢查，每周1次跨度檢查，每季度一次精密度審核，每半年1次NO2轉換爐的轉換效率檢查;如檢查超過控制限，則進行校準，如發現轉化效率達不到要求則需要更換;②顆粒物(PM10、PM2.5、PM1)：每月1次采樣頭清潔及加熱裝置檢查，每月1次檢漏及流量檢查，每季度1次溫度和壓力檢查，每半年1次標準膜檢查;如檢查超過控制限，則進行校準和更換。
微型的主要質量控制措施：①微型站基于傳感器法，存在受溫度、濕度、環境干擾及時間特征漂移等問題。微型站一般都具有后臺校準功能，即利用微型站與鄰近的標準站的監測數據進行大數據分析，利用算法進行后臺軟件校準，這種方式需要微型站與標準站間距離不能太遠。在對黃埔港環境空氣自動監測的構建時，在能夠滿足對港區覆蓋監測的基礎上，標準站與微型站間距離設置最大不超過1.5km，滿足進行后臺校準的要求，可以隨時進行后臺校準;②可利用備用設備，放置于標準站樓頂，開展長時期序列的外場比對，可定期對各微型站進行輪換;③對更換后的維修站，通過外場比對，如數據偏差較大，則進行更換維修;④定期(一般2～3個月)用高壓氣源吹掃傳感器。
推薦閱讀：污染源自動監測存在的問題及應對方法研究
4結語
2017年7月，在廣州黃埔港選址開展環境空氣質量自動監測，結合廣州市不同季節的的風向，監測范圍分布在黃埔老港的5個不同方位;探索使用微型站和標準站相結合的方式對港口區域開展監測，為在港口復雜環境下開展環境空氣自動監測提供參考;探索采用外場比對的方式開展微型站的質量控制，為提高微型站監測質量提供參考。
SCISSCIAHCI
