张 伟,陆晓波,姜 勇

(1.南京市环境监测中心站,江苏 南京 210013;2.江苏省环境监测中心,江苏 南京 210036)

·监测技术·

浅谈灰霾自动监测系统的建设

张 伟1,陆晓波1,姜 勇2

(1.南京市环境监测中心站,江苏 南京 210013;2.江苏省环境监测中心,江苏 南京 210036)

灰霾自动监测在中国起步较晚,对于灰霾的研究尚处于初级阶段,国家尚未建立完善的标准和体系,各城市参与时间较短,系统建设及运行尚处于完善阶段。通过实例,介绍了南京市灰霾自动监测系统建设的过程,运行管理以及系统的应用情况。

灰霾自动监测;系统建设;南京市

大气环境中的灰霾又称作大气棕色云,是指大量极细微尘粒子,均匀漂浮在空中,使空气普遍混沌,水平能见度小于 10 km的现象[1]。灰霾的主要污染物为道路扬尘、汽车尾气、建筑施工、工业排放等一次粒子及硫酸与硫酸盐、硝酸与硝酸盐、黑碳、有机碳氢化合物等气粒转化过程中产生的超细粒子,对人体健康产生极大的损害,并且影响区域气候及交通。

为了摸清灰霾天气对环境空气质量的影响,探索灰霾监测分析方法和质量控制管理方法,建立统一的技术规范和标准化的监测体系,国家环保部和中国环境监测总站决定开展关于灰霾天气对环境空气质量影响的研究工作。2007年选择天津、上海、南京等城市作为试点城市。

灰霾的组分相当复杂,包括了数百种大气颗粒物。其中有害人类健康的主要是直径小于 10μm的气溶胶粒子,如矿物颗粒物,海盐、硫酸盐、硝酸盐、有机气溶胶粒子等[2],影响和表征灰霾污染程度的因子也有很多,如气象因素中的太阳辐射、温湿度、大气稳定度、能见度。因此,灰霾自动监测系统复杂,监测要素很多,需要投入较大资金进行系统建设和运行管理。

1 系统建设

相对于气象部门 ,环保部门对于灰霾的监测与研究起步较晚,监测时间短、因子少、连续性差、自动化程度低,尚未形成完善的自动监测系统,更未建立完善的标准体系,南京市环境监测中心站根据总站要求,广泛考察了相关试点城市的建设情况,结合自身实际,于 2008年开始进行灰霾自动监测系统建设,在近 2年的时间里完成了点位选取、仪器选型、招标、安装、系统调试等工作。2009年底,系统通过了验收。

1.1 点位选取

按照总站的要求,结合空气自动监测技术规范,在已有的大气国控点中选取灰霾自动监测点 2个。草场门大气国控点设置在开阔地带,不受局地污染影响,作为趋势点,反映城市区域灰霾污染趋势。仙林大学城大气国控点设置在灰霾污染输送上风向,且离市区较远,作为远郊点反映区域尺度灰霾特征。

1.2 监测因子选择

选取的监测因子主要有:基本污染因子——SO2、NO2、CO、O3;颗粒物浓度监测 ——PM10、PM2.5;气象条件观测——气象 5参数、能见度、太阳辐射 (总辐射、紫外辐射);灰霾前驱体——高低沸点挥发性有机物 (VOC);灰霾组分与形态——黑碳、颗粒物粒径等。

1.3 系统配置

国内对于灰霾的监测尚属起步阶段,仪器设备多以进口为主,用户相对较少。在仪器选型采购中做了充分的市场调研,远赴广东、上海、北京进行深入调研,在原有常规监测项目的基础上,采购了 5套不同种类的监测仪器和相关辅助设备,以自动监测设备为主,辅以手工采样—实验室分析,形成较为完备的监测系统。

灰霾监测系统建设在原有环境空气自动监测系统的基础上,增加了灰霾特征因子的监测设备。

1.3.1 在线挥发性有机物VOCs监测系统

该系统主要通过在线气相色谱的原理,连续监测与大气中二次污染物臭氧前驱体 (POCP)有关的多种挥发性有机污染物,不仅包括 C2-C5的低沸点碳氢分析仪及 C6-C 12的高沸点碳氢分析仪,还包括校准设备、氢气发生器、氮气发生器及标气等。

1.3.2 黑碳分析仪

黑碳气溶胶(Black Carbon,BC)是大气气溶胶中最主要的吸光物质,除去一些特殊的天气状况(如沙尘、扬尘),黑碳气溶胶对气溶胶总的光吸收贡献在 90%到 95%以上。黑碳仪正是利用黑碳气溶胶对光的这种吸收特性进行测量。

1.3.3 颗粒物粒径谱分析仪

颗粒物粒径谱分析仪 (Grimm 180)利用光的散射技术,通过 31个通道对直径 0.25～32μm之间的颗粒物进行测量。基于粒子密度的假设,可以实时计算 PM10、PM2.5及 PM1的质量浓度。

1.3.4 PM10/PM2.5双通道颗粒物分析仪

可同时测量 P M10、PM2.5-10、PM2.5的质量浓度,且能通过技术弥补 Rp1400测尘仪监测过程中挥发性物质的损失。监测仪由两大部分构成,带有虚拟冲击器的采样组件和带有 FDMS系统的TEOM 1405-DF单元。用户利用一个彩色触摸屏向 TEOM 1405-DF单元中输入系统参数。系统配有用于个人计算机 (PC)的软件,允许用户下载数据和更新设备的固件。

1.3.5 多组分采样器

由美国 RP公司生产,采用哈佛大学专利的ChemComb Cartridge技术进行采样分析,可以分析PM10或者 PM2.5,并且可以在同一台仪器上实现设计通道分别采集 PM10、PM2.5样品,此功能通过Cartridge上的切割器和撞击板实现。采用标准47mm标准采样膜。根据分析物质不同,采用多个通道采集大气中的气体和颗粒物的有关物质。

仪器名称、型号配置如表 1。

表1 灰霾监测系统监测项目和仪器配置

2 系统安装调试与验收

按照空气自动监测技术规范及灰霾试点监测的要求,对站房进行了总体改造。系统由一家供应商负责总集成,各系统供应商的技术人员负责仪器设备安装,对仪器进行通电试验和测试运行,由仪器供应商技术人员和本站人员共同进行流量检查、气路检查、零漂检查、多点校准和响应时间检查等。经过 6天的单机测试,各台仪器设备均符合技术指标的要求。经过 3个月的试运行,系统运行正常,通过验收。

3 实际应用

3.1 灰霾监测

2009年 11月 7日至 8日,南京及周边部分城市受不利天气条件和秸秆焚烧影响,出现重污染天气,11月 8日南京空气质量日报指数 319,灰霾现象显著。

期间,草场门灰霾子站黑碳、颗粒物粒径谱及颗粒物双通道监测仪器监测数据变化显著。其中,11月 7日晚 17时起,黑碳浓度异常升高,最大小时质量浓度达到 37.5 mg/m3,超出正常空气质量时黑碳质量浓度 (5 mg/m3)7.5倍,说明污染物主要来自物质的燃烧;不同粒径颗粒物数量浓度也存在同样的变化趋势,7日晚 17时起颗粒物数量明显增多;Rp1405 DF的监测结果更加直观地显示颗粒物质量浓度的变化,PM10中 PM2.5的比重较大,而PM2.5-10粗颗粒物浓度无明显变化,说明污染物主要以细颗粒 PM2.5为主。[3]

3.2 灰霾的研究

灰霾自动监测系统的建成,提供了大量的监测数据,为灰霾研究提供了可能,在此基础上,我们立项省、市二级课题《南京市灰霾天气成因与预警技术研究》及《南京市灰霾天气成因、对策及预警技术研究》,进一步深入地研究灰霾成因与预警,为环境管理部门对灰霾污染防范与治理提供科学依据。

4 问题与建议

(1)灰霾监测点位较少,分布不均匀,只能从小尺度反映局地污染,尚难反映出整个城市灰霾分布特点与发展趋势。

(2)相对于常规项目监测设备,部分灰霾监测仪器种类繁多,有些监测原理缺乏权威验证,有些仪器缺少严格的质量保证控制手段,不能进行有效地比对和计量,监测数据的准确性难以把握,建议尽快统一并制定灰霾监测仪器的标准方法、质控方法和计量方法。

(3)南京站目前的灰霾监测系统还有待完善,气象监测、颗粒物组分分析等方面需增加有机碳/无机碳、气溶 3胶光学厚度 (AOD)、风廓线、大气稳定度等的监测,以利于从不同角度研究灰霾的污染程度、来源解析和形成机理。

(4)灰霾监测系统提供了海量的数据,对于数据的统计分析和评价,目前没有国家标准和规范可循,建议尽快制定细颗粒物浓度国家评价标准。

5 结语

南京市灰霾自动监测系统的建设为灰霾的深入研究提供了可能,取得了初步的成果。灰霾自动监测系统的日常运行积累了一些经验,有利于制定灰霾监测的规范和标准。

灰霾自动监测起步较晚,运行时间较短,使用过程中还存在很多问题,对于灰霾的研究尚处于初级阶段。鉴于灰霾监测和研究的复杂性和长期性,尚需进行长期的深入的研究和实践,拓展监测方式和项目,完善监测系统,最终建设灰霾监测的超级站,涵盖了颗粒物浓度监测、气象条件监测、粒径谱监测、颗粒物组分分析和源解析、能见度观测、垂直探测、遥感探测等,更好地为灰霾监测与研究服务。

[1]中国气象局.地面气象观测规范[S].2003:25.

[2]王佳,韩见弘,黄蕊.浅析灰霾的形成和危害[J].内蒙古科技与经济,2007,147(17):37.

[3]陆晓波,许建华.一次典型灰霾天气过程及成因分析[J].环境监控与预警,2009 1(1):10-13.

D iscussion on the Construction of Dust Haze AutomaticallyM on itoring System

ZHANGWei1,LU Xiao-bo1,J IANG Yong2
(1.Nanjing EnvironmentalMonitoring Central Station,Nanjing,Jiangsu 210013,China;2.Jiangsu Provincial EnvironmentalMonitoring Center,Nanijing,Jiangsu 210036,China)

Dust haze autom atically m onitoring in China started fairly late and the standards and system w ere not established.Research on dust haze w as currently in the prim ary stage and cities participated only in a short period of tim e.The system construction and operation w ere still being improving.Introduced the construction process,operation m anagem ent and application of dust haze autom atically m onitoring in N anjing by an example.

dust haze autom atically m onitoring;system construction;N anjing

X 831

B

1674-6732(2010)-06-0015-03

10.3969/j.issn.1674-6732.2010.06.005

2010-02-03;

2010-03-08

张伟(1976—),男,工程师,本科,从事环境监测工作。