广州市空气质量梯度监测网设计及实现

【核心介绍】广州市空气质量梯度监测网依托广州塔而建，2014年底完成；从地面至高空500米高度内布设了四个站点，监测数据为研究城市中心城区污染物浓度垂直分布和扩散规律提供支持。结合两年多的工作实践，总结了广州市空气质量监测梯度网的设计和建设中的问题以及运行质量保证方面的经验，旨在为相关技术人员提供建设和管理方面的借鉴。 　

广州市空气质量梯度监测网设计及实现

潘宁，黄祖照，裴成磊，邝俊侠，钟华恩

（广州市环境监测中心站，广东 广州 510030）

摘 要：广州市空气质量梯度监测网依托广州塔而建，2014年底完成；从地面至高空500米高度内布设了四个站点，监测数据为研究城市中心城区污染物浓度垂直分布和扩散规律提供支持。结合两年多的工作实践，总结了广州市空气质量监测梯度网的设计和建设中的问题以及运行质量保证方面的经验，旨在为相关技术人员提供建设和管理方面的借鉴。

关键词：广州塔；空气质量；自动监测；梯度

中图分类号：X84

The Design and Implementation of the Air Quality Gradient Monitoring Network

Pan Ning; Huang Zuzhao; Pei Chenglei; Kuang Junxia; Zhong Hua’en

(Guangzhou Environmental Monitoring Center, Guangzhou, Guangdong 510030, China)

Abstract: The air quality gradient monitoring network of Guangzhou was established in Canton Tower by Guangzhou Environmental Monitoring Center at the end of 2014. Four automatic monitoring stations were laid on Canton Tower at the height 0 to 500m. Monitoring data can be used to support the research on the vertical distribution dynamic change and diffusion rule in the city center. In the two years of working practice, the design and construction issues and quality assurance experience of air gradient monitoring network had been summarized in it. Hope to provide some references of construction and management for technicians and managers.

Key words: Canton Tower; Air quality; Automatic monitoring; Gradient

    广州塔位于广州市新中轴线，是向城市中心区输送污染物的东西方向和南北方向污染输送通道的交汇点。能够在不同高空对空气污染物浓度进行监测^[1-2]。在广州塔上建立不同高度的空气质量自动监测点，组建广州市空气质量梯度监测网，既提供广州市不同高度层的环境空气质量状况和污染物浓度空间分布,也可以监控污染物的高空输送问题，包括大气污染物物理化学转化、大气污染物迁移输送、湍流扩散研究。并且还可以通过与地面监测站点相结合，研究一次污染和二次污染的分布特征和来源，为城市的大气污染防治提供科学决策。2012年7月广州塔梯度站的建设方案经论证，得到环保部、中国科学院、中国环境监测总站等多个单位专家的一致认可，2014年底完成四个梯度站的建设并投入运行。

1  梯度监测设计及实现

1.1  点位选取及监测项目

研究城市中心区域空气质量垂直分布，对了解城市环境空气质量变化规律、污染成因等研究具有重要作用。而在城市中心区域的不同高度建设空气质量监测站点是最直接、最有效的方法，长期监测的数据也最能反映空气垂直空气质量状况。因空气自动监测站点需要有露天采样口，因此站点一般都建设在建筑物的楼顶。因此，要在中心城区建设空气质量梯度监测站，一要考虑不同高度站点距离临近；二是要考虑选取不同高度建设；三是不同高度位置处建设环境具有良好的通风性能，确保没有遮蔽。广州塔位于广州市核心区域，如图1所示。广州塔由钢筋混凝土内核心筒及钢结构外框筒以及连接两者之间的组合楼层组成，梯度站建设于塔内平台，平台外围为网状漏风空洞的钢结构，站点四周有良好的通风条件。

图1 广州市空气质量梯度监测网地理位置（左）、站点位置（中）以及透空结构（右）

理论上，在不同高度设置监测点，高度间隔越密，点位越多，越能精确反映垂直高空污染物的分布变化及迁移规律。但是，目前城市建成区，受制于建设场地和建设经费的限制，无法做到很高密度的点位建设。其次，广州目前六项指标中的PM_2.5、O₃和NO₂是首要污染物，SO₂和CO浓度长期保持在较低浓度值。因此，广州市结合广州塔实际特点，在广州塔建设了共设有四个站点：地面站、118米梯度站、168米梯度站和488米梯度站。四个梯度站均开展的监测项目包括：SO₂、NO-NO₂-NOx、CO、O₃、PM_2.5、PM₁、气象参数（风速、风向、温度、气压、湿度、降雨量）；为进一步开展研究性的监测，广州塔对颗粒物的监测以细粒子研究为主，开展对粒径尺寸更小的PM₁的监测；在地面站安装有气溶胶激光雷达，可实时获取不同高度的消光系数。

1.2 站房及数据系统设计及建设

1.2.1 站房设计

三个梯度站点的建设面积均较常规子站的标准面积小很多，且在高空上作业建设，会有较多的特殊要求。具体对站房的基本要求有：（1）站房为前后开门、且为无窗密封型结构，墙体、天面均应有良好的保温性能（不采取三合土结构）。（2）站房内应配有专业空调，要求：空调能24小时稳定运行；因特殊原因站房断电或跳闸并来电后能够自动启动，启动后温度保持在断电前设定的温度。（3）站房具有非常好的防风（阵风十二级以上）、防水、防潮措施，故站房前后门采用舰艇式密封门。（4）采样装置抽风机排气出口和监测仪器排气出口的位置，应设置在靠近站房下部的墙壁上，排气口离站房内地面的距离应该保持在20cm以上。（5）站房的供电应采用五线三相380伏电源供电（加地线和零线）由甲方提供的开关控制箱穿管引入站房内，分相使用。供监测仪器使用一相；供空调使用另一相为监测仪器的外界泵、照明和常规插座使用。（6）子站站房供电系统应配有电源过压、过载和漏电保护装置，电源波动不超过220V±10%。（7）站房应有防雷和防电磁波干扰的措施。站房应有良好的接地线路，接地电阻＜4欧姆。（8）站房建设需考虑站房的重量（站内仪器设备重量约200公斤），站房设计的总负荷应与原建筑的承重要求相适应。

图2 广州塔4个点位实物图

1.2.2 数据系统设计及实现

广州塔环境空气自动监测梯度站内监测数据的采集和传输，建立了数据采集系统，由子站数据系统（如图3所示）、中心数据系统（如图4所示）和通讯网络组成：（1）子站数据系统由工控机和数据采集软件构成，采用统一的数据通讯协议，对每次采集的数据进行编码后组成数据发送条，数据条内容主要包括时间、站点编号、监测项目名称、浓度、仪器报警信息、开始和结束标识符等。（2）中心数据系统是由中心系统服务器和系统软件组成。按照子站系统相同的通讯协议编写的系统软件，可以接受子站系统实时发送的数据。中心系统在接收数据条并存入数据库后将发送回复数据条，子站系统在收到数据回复条后将对应数据条删除并停止发送。（3）通讯系统采用ADSL作为主通讯网络，3G无线辅助通讯网络,3G无线网络作为备份网络确保通讯正常^[3]。

图3 子站系统

图4 中心数据系统

图5为2015年全年广州塔梯度站开展的6个项目年均值监测结果，由图可知，从地面到高空NO₂、CO、PM_2.5、PM₁浓度基本上是随着高度的增高而降低；但是臭氧浓度则基本上是随着高度的增高而增高；SO₂在118米高度处浓度最高。

图5 2015年年均值监测结果

1.3  监测项目设计

空气质量监测受制于实际建设场地的限制，每个站点监测项目一般考虑具备满足常规监测的需求，了解不同高度空气质量状况。其次，在常规监测的基础上开展研究性监测，为进行大气污染物迁移输送，来源及成因研究提供技术支持。

1.3.1 基本项目

基本监测项目包括气态监测四个项（SO₂、NO₂、CO、O₃），颗粒物监测两个项目（PM_2.5、PM₁）以及气象参数，并且具备气态仪器的动态校准系统、数据采集系统、温控系统、稳压系统。梯度站受制于监测场地空间的限制，一般站房内部空间狭小，最小站房内空间仅3.6㎡。为综合利用有限的空间，采用了多层仪器架结构，仪器架顶部布设颗粒物监测仪器，下层布设气态监测仪器、校准仪器、工控机、稳压电源等设备，仪器架设计成抽拉式结构。同时根据站房形状定制仪器架尺寸，如图6所示。这种设计充分利用了站内空间，又能极大方便进行仪器运维工作。

图6 488米点位站内实物图

1.3.2 细颗粒物PM_2.5监测

为能够监测不同高度细颗粒物PM_2.5的分布情况，以及对PM_2.5的变化过程进行观测^[4]，以大气细粒子质量浓度监测技术和激光雷达消光系数监测技术为基础，将点式在线监测和地基遥感监测相结合，开展对大气细粒子质量浓度垂直分布在线监测的研究。研究表面研究表明通过消光系数反演细粒子质量浓度是可行的^[3-4]，因此利用激光雷达遥感监测不同高度的消光系数，同时对应时段在广州塔3个不同高度进行PM_2.5的在线监测，从而确定细颗粒物浓度与消光系数时间的反演关系，利用该关系式可以随时得到不同高度PM_2.5的浓度值，并且具有很高的时间和空间分辨率。分析了2015年10月12至10月22期间的监测数据，可知：在广州塔开展的PM_2.5自动监测的垂直浓度和激光雷达消光系数间具有很好的线性关系，如图7所示。因此，利用消光系数反演PM_2.5不同高度的浓度是可行的。

图7 PM_2.5与激光雷达消光系数线回归分析

1.3.3  臭氧及前体物监测

对于不同高度O₃浓度在监测，主要依托臭氧雷达遥感监测技术手段，研究表面臭氧雷达监测数据的测量数据具有较好的可靠性^[7]。因此，利用臭氧雷达遥感监测不同高度的臭氧浓度数据，同时对应时段在广州塔3个不同高度进行O₃在线监测，通过O₃在线监测数据对臭氧雷达监测结果进行实时修正，可以监测得到准确可靠的O₃垂直浓度数据。在广州塔118米站内设有VOCs监测仪，能够监测50多种挥发性有机物。将O₃的垂直监测以及和VOCs的监测结合，能为O₃的垂直分布和变化，成因分析提供基础数据。

1.4  运行质量保障

高空点位的运行和质量保证较常规地面站而言面临的最大难题维护难度大，因此如何保障不同高度站点的稳定运行、及时判断仪器的正常运行是十分重要的工作。同时对站点的质量控制关系到监测数据的准确性和可靠性。针对广州塔运维的特点，对气态监测项目（SO₂、NO₂、CO、O₃）的零点、跨度点、精密度检查采用自动方法，时间精度为零跨检查每三天一次、精度检查每两周一次，检查结果自动形成报表，见图8所示。如果发现检查结果超出范围，可以进行自动校准。

图8 自动检查任务表

对于颗粒物监测仪器各项维护工作只能手工完成，为减少上塔次数，按照标准规范，每月定时完成清洗切割头、检查分析仪喷嘴、压环等部件；检查动态加热装置；检查和校准流量；检查和校准分析仪的温度、压力和时钟；气密性和纸带使用情况检查和维护。

2  结语

2013年广州塔空气质量梯度监测网开始建设，到2014年底建设完成并正式投入运行。梯度监测网的设计和建设充分考虑了高空梯度监测的特点，监测方法上使用了在线监测和遥感监测技术，在固定高度上设置满足需求的监测项目基础上，能够开展不同高度的精细化监测。质量控制充分利用了自动化的技术手段，保障监测数据的准确性和可靠性。2015年1月全面开始监测以来，各项数据小时值捕获率均在95%以上，小时值有效率均在90%以上，各项监测数据的准确可靠，为进一步开展污染物迁移规律研究、成因解析以及污染控制对策提供了重要的技术支持。

参考文献

[1] 高文康，唐贵谦，遥青等. 天津重污染期间大气污染物浓度垂直分布特征[J]. 环境科学研究，2012，25(7)：731-738.

[2] 杨维. 北京城区PM_2.5浓度空间变化及对呼吸健康影响[D]. 首都师范大学硕士学位论文，2013.

[3] 黄祖照，裴成磊，伦伟明等. 基于3G技术的空气质量自动监测子站辅助通信系统设计及实现[J]. 现代科学仪器，2012，3：55-56,59.

[4] 黄祖照，董云升，刘建国等. 珠三角地区一次灰霾天气过程激光雷达观测与分析[J]. 大气与环境光学学报，2013，8(2)：114-123.

[5] 何涛，侯鲁健，吕波等. 激光雷达探测反演PM_2.5浓度的精度研究[J]. 中国激光，2013，40(1)：0113001-1-0113001-6.

[6] 谭建成，林国杨，陈政豪等. 利用激光雷达测量都市上空气溶胶的浓度分布[J]. 光散射学报，2008，20(4)：375-378.

[7] 曹开法，黄见，胡顺星. 边界层臭氧差分吸收激光雷达[J]. 红外与激光工程，2015,44(10):2912-2917.