浅析环境空气自动监测系统的优势及发展前景

浅析环境空气质量监测系统的现状及发展前景

摘要，环境空气质量监测是伴随着日益严重的大气污染而发展起来,在本文中，笔者对近年来在我国得到普遍应用的环境空气质量自动监测系统的现状予以介绍，并在此基础上对其发展前景提出展望，以期能达到为我国空气检测工作贡献一份心力的目的。

关键字，空气质量自动检测发展前景

1、我国环境空气质量自动监测概况

1.1环境空气质量自动监测系统概念

环境空气质量自动监测系统是一套自动监测仪器为核心的自动“测-控”系统。空气质量的自动监测系统一般采用湿法和干法两种方式。湿法的测量原理是库仑法和电导法等，需要大量试剂，存在试剂调整和废液处理等问题，操作繁琐，故障率高，维护量大。干法基于物理光学测量原理，利用定电位电解传感器原理，结合国际上成熟的电子技术和网络通讯技术研制、开发出的最新科技产品。使样品始终保持在气体状态，没有试剂的损耗，维护量较小，具有较强的实用性和理想的性能价格比。

1.2我国空气质量自动监测工作现状

随着工业化进程的加快，科技的不断进步，环境空气监测从传统的事后的大气污染调查监测，事中大气染源监督发展到对大气的实时监测，据不完全统计，现阶段在我国空气质量监测工作的已经基本覆盖1800多个市、县，2000年，47个环保重点城市中只有25个城市建立了空气自动监测站,总数仅为109，,创建24小时连续自动采样系统的监测站为22个，多个城市共同建立了一个空气自动监测站的情况，大大降低了空气监测的准确性。2004年, 42 个城市待建，除此之外的很多城市，因为城市和地区必要的仪器设备和专业人才的缺失,只能采用“五日法”监测，监测的项目具有局限性，监测常规指标为SO2 、NO2 、PM10和气象5参数，监测特异指标为CO2 、CH4 、H2O、NH3 、总烃、苯、二甲苯等。观察我国环境空气监测工作现状，普遍化、自动化、标准化较世界先进水平都具有一定差距，为了更好地保证监测数据代表性、准确性、精密性和完整性，一方面应当抓紧空气自动监测站的普及，另一方面也要在监测技术上有所突破。

2、空气质量自动监测系统的发展

空气质量自动监测系统的硬件主要集中在子站，而子站的硬件又主要包括采样系统、监测仪器、校准设备，通信设备、数据处理设备等。其中监测仪器是最重要的仪器。

空气质量监测仪器经历了第一代湿法仪器，第二代干法仪器，近年来，国内部分城市引进了瑞典OPSIS公司、美国TE公司或法国ESA公司的基于差分光谱法（也称长光程法）原理的监测仪器来代替SO2、NO2、O3等参数的测量，主要是利用长光程空气质量监测技术，能够分时测量以上三个主要参数外还能测量如：THC、CH4、n-MHC、BTX等有机污染参数，开启了空气监测仪器的第三个时代，在国内采用此类设备的空气自动监测系统即为DOAS大气环境质量监测系统，与第一代的湿法仪器和第二代的干法仪器相比，第三代的DOAS监测仪器的有点主要表现在以下几个方面，

第一，传感器的使用率上，湿法仪器和干法仪器都无法避免其传感器和样气的直接接触，这样一来，湿法仪器就要经常更换库仑池中的溶液，而干法仪器传感器内中的光学元件会在受到气溶胶一类污染物的污染导致性能下降。而第三代DOAS监测仪和样气接触的是由发射端发射的光，传感器不会跟样气直接接触，各污染物的吸收光谱是通过接收端会聚后由光导纤维传导到仪器内部的传感器去的，确保了DOAS内部的分光计不受样气中污染物的污染，从而可以有效保证传感器的使用效率。

第二，在校零问题上，校零对于监测仪器的质控来说是一项重要的工作。但是在零气的购买商，国内缺少正规严格的零气购买途径，各级计量部门并不提供商品零气，致使除少数城市国外进口零气之外，购买高纯度的惰性气体来作为零气，可能会导致干法仪器在校零后出现负值的情况，只能通过微调仪器上的校零旋钮或在仪器上设置一个估计的修正值来解决误差问题。但是对于DOAS监测器而言，其校准装置为一个长1米的校准池，在对仪器校零时，可以在校准池中通零气，由于DOAS一般的监测距离为300米左右，所以零气误差对监测结果的影响是该误差的三百分之一，能够很好地解决校零误差的问题。

第三，代表性，由于干法仪器的监测距离很短，在采集样气的时候是在一个点上，因此干法仪器也被称为点式仪器，这样一来所采集的样气范围较小，其

代表性也较低，需要进行多点采集，还要进行数据分析才能得出较为具有代表性的监测结果。在这一点上，DOAS监测仪的工作原理是利用光线反射，经过100 m甚至1,000 m的长光程来收集数据，这样一来其监测距离为数百米，监测范围相较于干法仪器的监测范围而言，大大增加了，因而有更好的代表性。

第四，异常值的识别。在对污染物浓度的数据进行计算时，如果3个或4个小时连续出现的小时均值为统一数值，一般认为是出现了异常值，如果是干法仪器，整个相同的数值就会被认为是异常数据，但是对于DOAS监测仪来说，在可能出现异常数据情况下，还可以辅以通观察污染物浓度数据对应的光强及偏差来进行进一步的判断，以确定是否属于异常数值。

第五，污染物敏感度上，无论是湿法仪器还是干法仪器，要保证其监测数据准确度的最佳状态，需要污染物浓度在其量程的20%-80%且其线性较好的前提条件，监测数据较为准确。如果空气本身受污染不严重，污染物浓度在仪器量程的20%左右及以下时，鉴于此时仪器线性不好，监测数据基本上变化不大，近似于一条直线，而且此时污染物在采样系统上的损失已不能忽略不计。在这一点上，DOAS的污染物敏感度很高，线形较强，即使污染物浓度很低，也会出现有变化的曲线。

最后，在设备的维护上，DOAS的日常维护比干法仪器简单，没有试剂的损耗，备件较少，维护运转费用较低，具有较高性价比和安全度。

4、环境空气质量自动监测系统的发展趋势

近年来，在对监测仪的研究上，国外还在致力于发展灵敏度更高的长光程吸收光谱仪，区别于DOAS，这种仪器是基于激光光源进行监测，但目前尚处于试验阶段，而且激光雷达技术在环境监测中的应用在国际范围内也受到了广泛的重视，日本通产省已着手研制能观测三维大气中物质密度和组分的环境监测用激光雷达，以测量都市上空的NOx、SOx、O3、甲烷等气体的三维立体分布。成为空气质量自动监测系统发展的新方向。

目前，德国、美国、意大利和瑞典等国已分别研制成功了车载式差分吸收激光雷达样机，并正在进行实用性试验。但是差分吸收激光雷达的技术复杂、造价昂贵、并且对于操作人员专业技术素质要求较高，估计近期内推广使用有困难。但是，拉曼激光雷达技术，虽然探测灵敏度较差，但结构简单、造价较低、性能

可靠，使用维护方便，在对城市大气污染源的流动监测方面可以发挥优势，究其原因是激光雷达本身具有距离分辨率高和实时测量范围较大的特点，再加上一方面利用的是待测气体的吸收和大气（包括气体分子和气溶胶）弹性后向散射的原理，保证了较大的气体吸收截面，另一方面，由于大气气体的弹性后向散射截面也很大，较大的回波强度便于自动监测系统的接收测量。这两方面的结合，形成差分吸收方法测量的高灵敏度，使的激光雷达成为测量气体分子浓度空间分布的一种有力工具。但是对于国内而言，造价仍显昂贵，但是可以作为以后的发展方向，实现设备的国际化接轨。

最后，空气质量自动监测系统的硬件主要集中在子站，在子站管理模式上，我国空气质量自动监测子站将会实现普及，但是随着监测设备的不断进化，监测子站越来越多，因此，监测人员的规范管理和技术培训工作应进一步加强，子站的管理模式也应当从自管和托管两个方式入手，实现子站管理方式的规范化和科学化，这样一来才能更好地保证我国空气质量自动监测工作的进一步开展。

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