1 前言
近悉國務(wù)院辦公廳印發(fā)了“生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案”。明確指出了生態(tài)文明監(jiān)測(cè)是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ),是生態(tài)文明建設(shè)的重要支撐。所以從事自動(dòng)化科學(xué)技術(shù)的人們,有必要系統(tǒng)地學(xué)習(xí)生態(tài)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)、生態(tài)文明、生態(tài)文明建設(shè)等關(guān)鍵詞相關(guān)的學(xué)科、工程技術(shù)、社會(huì)需求、經(jīng)濟(jì)價(jià)值等方面的內(nèi)涵,這就像以往我們深入了解工業(yè)中被控制對(duì)象,如流程工業(yè)中塔、釜、罐、機(jī)、泵等,及相關(guān)系統(tǒng)一樣。只有這樣,我們才能參與到生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)之中,為生態(tài)文明建設(shè)做好服務(wù)。
2 生態(tài)文明建設(shè)
人們?cè)谖镔|(zhì)文明和精神文明發(fā)展的過程中,特別是在工業(yè)化和四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)過程中、在城市化的過程中,對(duì)原來純自然生態(tài)(生物的生理特性和生活習(xí)性)的研究已經(jīng)覺得很不夠了,必須要考慮自然環(huán)境所受到的干擾(人類開發(fā)活動(dòng)等),從而生態(tài)學(xué)(ecology)發(fā)展出城市生態(tài)學(xué)、工程生態(tài)學(xué)及人類生態(tài)學(xué)等。
作為研究生物與環(huán)境相關(guān)關(guān)系的生態(tài)學(xué),20世紀(jì)中葉得到了發(fā)展。我國在1956年制定的12年科學(xué)發(fā)展規(guī)劃中,生態(tài)環(huán)境和高能物理、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等學(xué)科并列,50年代派出的留蘇學(xué)生中,就有這方面的專業(yè)人士。
我國自動(dòng)化學(xué)科和生態(tài)學(xué)專家們對(duì)人口控制方面的研究和實(shí)踐受到了國際好評(píng)。聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會(huì)以來,我國在可持續(xù)發(fā)展的理論和實(shí)踐方面,一直是走在世界的前列。
20世紀(jì)30~40年代,Tansley提出了生態(tài)系統(tǒng)(ecosystem)概念,為認(rèn)識(shí)和解決當(dāng)代的生態(tài)問題、環(huán)境問題進(jìn)行了理論準(zhǔn)備。生態(tài)系統(tǒng)由生產(chǎn)者(如綠色植物)、消費(fèi)者(如動(dòng)物)、分解者(如微生物)和非生命物質(zhì)(無機(jī)界)四部分組成。其功能是物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。隨著人口、資源、環(huán)境等全球性問題的激化,生態(tài)系統(tǒng)的非線性思維方法的進(jìn)入,出現(xiàn)了舉世聞名的國際生物學(xué)計(jì)劃(IBP)和人與生物圈計(jì)劃(MAB),以及防治荒漠化等一系列計(jì)劃,使生態(tài)系統(tǒng)工程學(xué)及各種半人工生態(tài)系統(tǒng)、人工生態(tài)系統(tǒng)及復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)得到發(fā)展。有鑒于歐、美、日等發(fā)達(dá)國家,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中生態(tài)環(huán)境資源等方面的教訓(xùn),我們不能走“先發(fā)展、后治理”的老路,所以要進(jìn)行生態(tài)文明建設(shè)。文明者,乃當(dāng)時(shí)先進(jìn)的文化也,或者說是具有當(dāng)代水平的科學(xué)和文化,是社會(huì)發(fā)展到較高階段的行為準(zhǔn)則和物質(zhì)財(cái)富、精神財(cái)富的綜合體,所以我們當(dāng)下要以人為本,要按法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)辦監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),要公平、公正、公開,這就是我們生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的要求,這樣做就算是文明了。
生態(tài)文明建設(shè)涉及眾多行業(yè),與監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的,如美國長期生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(LTER)、英國環(huán)境變化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(ECN)、德國陸地生態(tài)學(xué)研究網(wǎng)絡(luò)(TERN)等,及亞洲—太平洋地區(qū)全球變化研究網(wǎng)絡(luò)(APN)、亞洲農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(APAN)等, 還有全球性的全球環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、全球海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(GOOS)、全球陸地觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(GTOS)等,還有全球分析、研究和培訓(xùn)系統(tǒng)(START)等。在我國1988年開始籌建的中國科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)建設(shè),就屬于這一類,對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)臺(tái)站包括農(nóng)業(yè)、森林、草原、湖泊、海洋的29個(gè)基本臺(tái)站,新建的水分、土壤、大氣和生物5個(gè)學(xué)科分中心及1個(gè)綜合研究中心,還有各行業(yè)的定位研究站,如林業(yè)部門的11個(gè)森林定位研究觀測(cè)站。其他建設(shè)項(xiàng)目或已運(yùn)行的項(xiàng)目下面會(huì)談到,雖然這些文明建設(shè)項(xiàng)目有一定的學(xué)術(shù)目的,但當(dāng)下所指的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案應(yīng)該涵蓋它,或者作頂層設(shè)計(jì)時(shí)要有它們一席之地。
3 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)
根據(jù)建設(shè)方案要求:
(1)到2020年,全國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)基本實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量、重點(diǎn)污染源、生態(tài)狀況監(jiān)測(cè)全覆蓋,各級(jí)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)互聯(lián)共享,監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警、信息化能力和保障水平明顯提升,監(jiān)測(cè)與監(jiān)管協(xié)同聯(lián)動(dòng),初步建成陸海統(tǒng)籌、天地一體、上下協(xié)同、信息共享的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),使生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)能力與生態(tài)文明建設(shè)要求相適應(yīng)。
(2)全面設(shè)點(diǎn)完善生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。關(guān)于環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,建設(shè)涵蓋大氣、水、土壤、噪聲、輻射等要素,建立統(tǒng)一的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò);健全重點(diǎn)污染源監(jiān)測(cè)制度,落實(shí)信息公開的法定責(zé)任,國家重點(diǎn)監(jiān)控排污單位建設(shè)穩(wěn)定運(yùn)行的污染物排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng);加強(qiáng)生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)。建立天地一體化的生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng),研制發(fā)射系列化的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星和后續(xù)星并組網(wǎng)運(yùn)行,加強(qiáng)無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)和地面生態(tài)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)重要生態(tài)功能區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等大范圍、全天候監(jiān)測(cè)。
(3)全國聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息集成共享。建立生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成共享機(jī)制,環(huán)保、國土資源、住房城鄉(xiāng)建設(shè)、交通運(yùn)輸、水利、農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生、林業(yè)、氣象、海洋等部門和單位獲取的環(huán)境質(zhì)量、污染源、生態(tài)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要實(shí)現(xiàn)有效集成、互聯(lián)共享,建立重點(diǎn)污染源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)布機(jī)制,重點(diǎn)排污單位要按照環(huán)境保護(hù)部門要求將自行監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)上傳;構(gòu)建生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái),開展大數(shù)據(jù)并聯(lián)分析,提供決策、管理和執(zhí)法相關(guān)數(shù)據(jù)支持;統(tǒng)一發(fā)布生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息,建立發(fā)布機(jī)制,規(guī)范發(fā)布內(nèi)容、流程、權(quán)限、渠道。
(4)自動(dòng)預(yù)警,科學(xué)引導(dǎo)環(huán)境管理與風(fēng)險(xiǎn)防范。
(5)依法追責(zé),建立生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與監(jiān)管聯(lián)動(dòng)機(jī)制。
(6)健全生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)制度與保障體系。除法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)事權(quán)、監(jiān)測(cè)市場(chǎng)外,還提出強(qiáng)化監(jiān)測(cè)科技創(chuàng)新等能力,如研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備,推進(jìn)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備國產(chǎn)化,又如積極開展國際合作,借鑒監(jiān)測(cè)科技先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),提升我國技術(shù)創(chuàng)新能力,還具體指出提高樣品采集、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析及現(xiàn)場(chǎng)快速分析測(cè)試能力等。
對(duì)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)具體方案,筆者提出如下參考意見:
對(duì)多年來已建成并運(yùn)行的基層站點(diǎn),要盡量使用并升級(jí)換代。
盡量采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),應(yīng)盡量按照行政區(qū)劃,實(shí)行網(wǎng)格化,對(duì)省、地、區(qū),應(yīng)打包提供標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和裝備,實(shí)行政府采購,規(guī)范化建設(shè)驗(yàn)收,按COTS(Commercial-off-the-shefftechnology)原則選擇硬件和軟件。
采用3S技術(shù)(遙感RS、地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS),其中GIS和GPS更應(yīng)普遍采用,使其形成的時(shí)間標(biāo)簽、地理標(biāo)簽在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有信息上都得到通行。要讓遙感技術(shù)結(jié)合無人機(jī)技術(shù)在土地資源、生物資源(農(nóng)作物)、水資源、礦產(chǎn)資源等的調(diào)整勘測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、開發(fā)利用和保護(hù)等方面都見到實(shí)效并普及。
生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的各種數(shù)據(jù),或稱信息類型,具有多樣性。由上文已經(jīng)知道有不只一般的站點(diǎn)的物理量或稱連續(xù)量如溫度、壓力、流量及濁度、粒度、物理分析等數(shù)值;還有化學(xué)量或稱分析量,有的是光譜、色譜、質(zhì)譜,轉(zhuǎn)化后才能成為數(shù)值及化學(xué)分子式;有的是圖像、文字、表格、視頻等。獲取信息的取樣方式也是多種多樣的,固定地點(diǎn)的自動(dòng)連續(xù)采樣當(dāng)然是主要內(nèi)容形式;但手工方式采樣、實(shí)驗(yàn)室分析,數(shù)值手工錄入計(jì)算機(jī)的方式也很常見;便攜式分析儀、車載式測(cè)控設(shè)備也是常用的設(shè)備。所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了無線傳輸、多媒體傳輸?shù)雀鞣矫嬉?,而且?duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層配套軟件要求較高。
對(duì)大數(shù)據(jù)平臺(tái)與云計(jì)算等應(yīng)該同時(shí)給予充分重視。對(duì)于數(shù)據(jù)庫,應(yīng)該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫并重。硬件、軟件均應(yīng)采用模塊化結(jié)構(gòu),應(yīng)用軟件要采用“組態(tài)”方式操作,便于非計(jì)算機(jī)專業(yè)技術(shù)人員參與。
在監(jiān)測(cè)的同時(shí),不少站點(diǎn)也對(duì)監(jiān)控或污染治理等方面有所要求,這對(duì)監(jiān)測(cè)取得數(shù)據(jù)也是很有利的,所以應(yīng)該鼓勵(lì)。下面結(jié)合固定源排放廢氣連續(xù)監(jiān)測(cè)等展開敘述,希望這樣可為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè),提供感性認(rèn)識(shí)。
4 廢氣和水質(zhì)等的監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀
4.1 固定源排放廢氣連續(xù)監(jiān)測(cè)
由于我國對(duì)固定源排放廢氣中的污染物實(shí)行濃度控制和總量控制,所以近十年來,我國安裝了1.8萬套連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CEMS(Continuous Emission Monitoring System),具體標(biāo)準(zhǔn)有HJ/T75固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范、HJ/T76固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及監(jiān)測(cè)方法、HJ/T212污染源在線自動(dòng)監(jiān)控(監(jiān)測(cè))系統(tǒng)傳輸標(biāo)準(zhǔn),具體監(jiān)測(cè)二氧化硫、氮氧化物和顆粒物,為污染物排放總量考核、監(jiān)督執(zhí)法、排污申報(bào)核定等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),提高環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理水平,也為流程工業(yè)企業(yè),決定本企業(yè)的鍋爐、加熱爐等燃燒控制等工藝方面的對(duì)策提供幫助。目前我國這方面的制造廠商有近100家,已形成產(chǎn)業(yè),還有成套工程、售后服務(wù)、為運(yùn)行保駕護(hù)航的全生命周期服務(wù)能力。
生產(chǎn)數(shù)量最多的CEMS系統(tǒng)是完全抽取煙氣樣品,然后用非分散紅外分析儀監(jiān)測(cè)SO2、NOx;其次是直接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和稀釋抽取監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。國內(nèi)生產(chǎn)廠和在我國有生產(chǎn)基地或通過我國適用性監(jiān)測(cè)的外國公司有:完全抽取-非分散紅外法(52家,艾默生等大多數(shù)公司為紅外分析儀,聚光等3家為紫外分析儀)、直接監(jiān)測(cè)紫外差分吸收法(5家)、稀釋抽取-發(fā)光法(4家)、顆粒物CEMS,流速(流量)和含濕量連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)(3家)、分析儀多反射長光程吸收池(5家)。近來國內(nèi)對(duì)PM2.5監(jiān)測(cè)儀需求大增,青島佳明公司等單位已進(jìn)行了開發(fā)。還有對(duì)大氣中揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的監(jiān)測(cè),也受到重視。
目前還試點(diǎn)燃煤電廠排放煙氣中汞的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、超聲波流速測(cè)定儀解決低流速(≤3m/s)煙氣測(cè)定、適應(yīng)寬范圍氣體濃度的測(cè)定等項(xiàng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)由“點(diǎn)末端監(jiān)控”向“全過程監(jiān)控”的轉(zhuǎn)變,協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)項(xiàng)目、便攜式儀器檢測(cè)項(xiàng)目等,適應(yīng)新形勢(shì)下對(duì)生態(tài)文明的要求。
4.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
由于環(huán)保的要求,水質(zhì)在線分析儀表及系統(tǒng)已經(jīng)成了環(huán)保部門對(duì)轄區(qū)水質(zhì)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的主要手段,已能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地提供準(zhǔn)確、快速的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。作為水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè),還要實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,達(dá)到掌握主要流域重點(diǎn)斷面水體的水質(zhì)狀況、預(yù)警預(yù)報(bào)重大或流域性水質(zhì)污染事故、解決跨行政區(qū)域的水污染事故糾紛、監(jiān)督總量控制、排放達(dá)標(biāo)情況等目的。在水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中,中心站通過衛(wèi)星和電話撥號(hào)兩種通訊方式實(shí)現(xiàn)對(duì)子站的實(shí)時(shí)監(jiān)視,托管站也可以通過電話撥號(hào)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)所托管子站的實(shí)時(shí)監(jiān)控。每個(gè)子站是一個(gè)獨(dú)立的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),一般子站有一臺(tái)或多臺(tái)的多參數(shù)水質(zhì)自動(dòng)化分析儀組成,另有固定式子站和流動(dòng)式子站(拖車—監(jiān)測(cè)小屋)共三種。子站分采水單元、配水單元、分析單元、控制單元、子站站房及配套設(shè)施。分析單元即水質(zhì)在線分析儀表,如廣州怡文環(huán)境科技有限公司的EST-WQMS整體柜式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站,具有小型化、模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)。
一般監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有常規(guī)五參數(shù)分析儀(水溫、pH、溶解氧DO、電導(dǎo)率、濁度)、常用監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(化學(xué)需氧量COD、高錳酸鹽指數(shù)、總有機(jī)碳TOC、氨氮總氮、總磷)、其它監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(氟化物、氯化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氰化物、硫酸鹽、磷酸鹽、活性氯、生化需氧量BOD5、石油類、酚、葉綠素、金屬離子如六價(jià)鉻等),這些項(xiàng)目國內(nèi)分析儀生產(chǎn)廠有100多家。在工業(yè)用水中,軟化及除鹽水處理中,有硬度在線分析儀、二氧化硅在線分析儀;循環(huán)冷卻水處理中有濁度/懸浮物分析儀;凝結(jié)水應(yīng)用中,有鈉離子分析儀等。其中鈉離子分析儀監(jiān)測(cè)水汽聯(lián)合裝置化學(xué)水系統(tǒng)的陽床運(yùn)行,克服了實(shí)驗(yàn)室分析不夠及時(shí)的缺點(diǎn),水處理質(zhì)量提高,并可快速判斷床層是否失效。又為了防止在蒸汽冷凝水和冷卻水中滲入芳烴化合物,采用如賽默飛世爾公司的Arospector在線芳烴分析儀,使用脈沖紫外熒光分析法,為我們提供了解決方案。
目前國內(nèi)在水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展中,一方面對(duì)在線分析儀如COD、TOC、BOD、氨氮、總氮、總磷等儀表靈敏度、可靠性、新分析方法的采用及商品化程度等還有較大差距;另一方面就是遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)及形成中心站、托管站、托管子站的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展上,還要適應(yīng)通信技術(shù)進(jìn)步,實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代。流動(dòng)式子站應(yīng)與固定式子站同樣得到發(fā)展。
原污染源排放口一般安裝COD在線分析儀,“十三五”期間已進(jìn)一步安裝氨氮在線分析儀及總磷在線分析儀。氨氮濃度及正磷酸鹽濃度的控制,已經(jīng)為污水處理廠工藝優(yōu)化立下了汗馬功勞。目前國內(nèi)已有30多家企業(yè)有認(rèn)證合格的相關(guān)產(chǎn)品。在2003年我國頒布的“氨氮水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求”(HJ/T101-2003)標(biāo)準(zhǔn)中,規(guī)定了地表水、工業(yè)污水和市政污水的基本電極法和分光光度法的氨氮水質(zhì)自動(dòng)分析儀的技術(shù)性能要求和性能試驗(yàn)方法。
4.3 最后提醒
建設(shè)網(wǎng)絡(luò),不要忘了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)賴以立足的實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),LIMS實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)是必須受到重視的。我們要像錢學(xué)森等老前輩關(guān)注園林園藝、秸稈處理等與生態(tài)文明建設(shè)有關(guān)的事那樣,貢獻(xiàn)余熱。
作者簡介
卞正崗(1936-),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,1961 年畢業(yè)于清華大學(xué)電機(jī)系,早年從事電機(jī)及微型電機(jī)研究,后多年從事工業(yè)自動(dòng)化儀表、集散系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的研制和自動(dòng)化系統(tǒng)集成的工程實(shí)踐,享受政府特殊津貼,曾任北京市自動(dòng)化系統(tǒng)成套工程公司總工程師?,F(xiàn)為中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)委員,曾獲得有色總公司科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和國家機(jī)械總局科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。
摘自《自動(dòng)化博覽》2015年12月刊