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1　前言

近悉國務院辦公廳印發了“生態環境監測網絡建設方案”。明確指出了生態文明監測是生態環境保護的基礎，是生態文明建設的重要支撐。所以從事自動化科學技術的人們，有必要系統地學習生態環境、生態系統、生態文明、生態文明建設等關鍵詞相關的學科、工程技術、社會需求、經濟價值等方面的內涵，這就像以往我們深入了解工業中被控制對象，如流程工業中塔、釜、罐、機、泵等，及相關系統一樣。只有這樣，我們才能參與到生態環境監測網絡建設之中，為生態文明建設做好服務。

2　生態文明建設

人們在物質文明和精神文明發展的過程中，特別是在工業化和四個現代化建設過程中、在城市化的過程中，對原來純自然生態（生物的生理特性和生活習性）的研究已經覺得很不夠了，必須要考慮自然環境所受到的干擾（人類開發活動等），從而生態學（ecology）發展出城市生態學、工程生態學及人類生態學等。

作為研究生物與環境相關關系的生態學，20世紀中葉得到了發展。我國在1956年制定的12年科學發展規劃中，生態環境和高能物理、計算機、自動化等學科并列，50年代派出的留蘇學生中，就有這方面的專業人士。

我國自動化學科和生態學專家們對人口控制方面的研究和實踐受到了國際好評。聯合國環境與發展大會以來，我國在可持續發展的理論和實踐方面，一直是走在世界的前列。

20世紀30～40年代，Tansley提出了生態系統（ecosystem）概念，為認識和解決當代的生態問題、環境問題進行了理論準備。生態系統由生產者（如綠色植物）、消費者（如動物）、分解者（如微生物）和非生命物質（無機界）四部分組成。其功能是物質循環和能量流動。隨著人口、資源、環境等全球性問題的激化，生態系統的非線性思維方法的進入，出現了舉世聞名的國際生物學計劃（IBP）和人與生物圈計劃（MAB），以及防治荒漠化等一系列計劃，使生態系統工程學及各種半人工生態系統、人工生態系統及復合生態系統得到發展。有鑒于歐、美、日等發達國家，在經濟發展過程中生態環境資源等方面的教訓，我們不能走“先發展、后治理”的老路，所以要進行生態文明建設。文明者，乃當時先進的文化也，或者說是具有當代水平的科學和文化，是社會發展到較高階段的行為準則和物質財富、精神財富的綜合體，所以我們當下要以人為本，要按法律法規及標準辦監測網絡，要公平、公正、公開，這就是我們生態系統建設的要求，這樣做就算是文明了。

生態文明建設涉及眾多行業，與監測網絡有關的，如美國長期生態網絡（LTER）、英國環境變化監測網絡（ECN）、德國陸地生態學研究網絡（TERN）等，及亞洲—太平洋地區全球變化研究網絡（APN）、亞洲農林復合系統研究網絡（APAN）等， 還有全球性的全球環境監測網絡、全球海洋觀測網絡（GOOS）、全球陸地觀測網絡（GTOS）等，還有全球分析、研究和培訓系統（START）等。在我國1988年開始籌建的中國科學院生態系統研究網絡（CERN）建設，就屬于這一類，對應基礎臺站包括農業、森林、草原、湖泊、海洋的29個基本臺站，新建的水分、土壤、大氣和生物5個學科分中心及1個綜合研究中心，還有各行業的定位研究站，如林業部門的11個森林定位研究觀測站。其他建設項目或已運行的項目下面會談到，雖然這些文明建設項目有一定的學術目的，但當下所指的生態環境監測網絡建設方案應該涵蓋它，或者作頂層設計時要有它們一席之地。

3　生態環境監測網絡建設

根據建設方案要求：

（1）到2020年，全國生態環境監測網絡基本實現環境質量、重點污染源、生態狀況監測全覆蓋，各級各類監測數據系統互聯共享，監測預報預警、信息化能力和保障水平明顯提升，監測與監管協同聯動，初步建成陸海統籌、天地一體、上下協同、信息共享的生態環境監測網絡，使生態環境監測能力與生態文明建設要求相適應。

（2）全面設點完善生態環境監測網絡。關于環境質量監測點位，建設涵蓋大氣、水、土壤、噪聲、輻射等要素，建立統一的環境質量監測網絡；健全重點污染源監測制度，落實信息公開的法定責任，國家重點監控排污單位建設穩定運行的污染物排放在線監測系統；加強生態監測系統建設。建立天地一體化的生態遙感監測系統，研制發射系列化的大氣環境監測衛星和后續星并組網運行，加強無人機遙感監測和地面生態監測，實現對重要生態功能區、自然保護區等大范圍、全天候監測。

（3）全國聯網，實現生態環境監測信息集成共享。建立生態環境監測數據集成共享機制，環保、國土資源、住房城鄉建設、交通運輸、水利、農業、衛生、林業、氣象、海洋等部門和單位獲取的環境質量、污染源、生態狀態監測數據要實現有效集成、互聯共享，建立重點污染源監測數據發布機制，重點排污單位要按照環境保護部門要求將自行監測結果及時上傳；構建生態環境監測大數據平臺，開展大數據并聯分析，提供決策、管理和執法相關數據支持；統一發布生態環境監測信息，建立發布機制，規范發布內容、流程、權限、渠道。

（4）自動預警，科學引導環境管理與風險防范。

（5）依法追責，建立生態環境監測與監管聯動機制。

（6）健全生態環境監測制度與保障體系。除法律法規、標準和監測事權、監測市場外，還提出強化監測科技創新等能力，如研發具有自主知識產權的環境監測儀器設備，推進監測儀器設備國產化，又如積極開展國際合作，借鑒監測科技先進經驗，提升我國技術創新能力，還具體指出提高樣品采集、實驗室測試分析及現場快速分析測試能力等。

對生態環境監測網絡建設具體方案，筆者提出如下參考意見：

對多年來已建成并運行的基層站點，要盡量使用并升級換代。

盡量采用先進的網絡技術，應盡量按照行政區劃，實行網格化，對省、地、區，應打包提供標準設計和裝備，實行政府采購，規范化建設驗收，按COTS（Commercial-off-the-shefftechnology）原則選擇硬件和軟件。

采用3S技術（遙感RS、地理信息系統GIS、全球定位系統GPS），其中GIS和GPS更應普遍采用，使其形成的時間標簽、地理標簽在整個網絡中的所有信息上都得到通行。要讓遙感技術結合無人機技術在土地資源、生物資源（農作物）、水資源、礦產資源等的調整勘測、動態監測、開發利用和保護等方面都見到實效并普及。

生態環境監測網絡中運行的各種數據，或稱信息類型，具有多樣性。由上文已經知道有不只一般的站點的物理量或稱連續量如溫度、壓力、流量及濁度、粒度、物理分析等數值；還有化學量或稱分析量，有的是光譜、色譜、質譜，轉化后才能成為數值及化學分子式；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，固定地點的自動連續采樣當然是主要內容形式；但手工方式采樣、實驗室分析，數值手工錄入計算機的方式也很常見；便攜式分析儀、車載式測控設備也是常用的設備。所以對網絡提出了無線傳輸、多媒體傳輸等各方面要求，而且對網絡應用層配套軟件要求較高。

對大數據平臺與云計算等應該同時給予充分重視。對于數據庫，應該實時數據庫和關系數據庫并重。硬件、軟件均應采用模塊化結構，應用軟件要采用“組態”方式操作，便于非計算機專業技術人員參與。

在監測的同時，不少站點也對監控或污染治理等方面有所要求，這對監測取得數據也是很有利的，所以應該鼓勵。下面結合固定源排放廢氣連續監測等展開敘述，希望這樣可為生態環境監測網絡建設，提供感性認識。

4　廢氣和水質等的監測現狀

4.1　固定源排放廢氣連續監測

由于我國對固定源排放廢氣中的污染物實行濃度控制和總量控制，所以近十年來，我國安裝了1.8萬套連續排放監測系統CEMS（Continuous Emission Monitoring System），具體標準有HJ/T75固定污染源煙氣排放連續監測技術規范、HJ/T76固定污染源煙氣排放連續監測系統技術要求及監測方法、HJ/T212污染源在線自動監控（監測）系統傳輸標準，具體監測二氧化硫、氮氧化物和顆粒物，為污染物排放總量考核、監督執法、排污申報核定等工作提供基礎數據，提高環境監測和管理水平，也為流程工業企業，決定本企業的鍋爐、加熱爐等燃燒控制等工藝方面的對策提供幫助。目前我國這方面的制造廠商有近100家，已形成產業，還有成套工程、售后服務、為運行保駕護航的全生命周期服務能力。

生產數量最多的CEMS系統是完全抽取煙氣樣品，然后用非分散紅外分析儀監測SO2、NOx；其次是直接監測系統和稀釋抽取監測系統。國內生產廠和在我國有生產基地或通過我國適用性監測的外國公司有：完全抽取-非分散紅外法（52家，艾默生等大多數公司為紅外分析儀，聚光等3家為紫外分析儀）、直接監測紫外差分吸收法（5家）、稀釋抽取-發光法（4家）、顆粒物CEMS，流速（流量）和含濕量連續測量系統（3家）、分析儀多反射長光程吸收池（5家）。近來國內對PM2.5監測儀需求大增，青島佳明公司等單位已進行了開發。還有對大氣中揮發性有機物（VOCs）的監測，也受到重視。

目前還試點燃煤電廠排放煙氣中汞的連續自動監測、超聲波流速測定儀解決低流速（≤3m/s）煙氣測定、適應寬范圍氣體濃度的測定等項技術，實現由“點末端監控”向“全過程監控”的轉變，協調實驗室檢測項目、便攜式儀器檢測項目等，適應新形勢下對生態文明的要求。

4.2　水質監測系統

由于環保的要求，水質在線分析儀表及系統已經成了環保部門對轄區水質狀況進行實時監測的主要手段，已能夠實時、連續、穩定、可靠地提供準確、快速的監測數據。作為水質自動監測，還要實行遠程監控，達到掌握主要流域重點斷面水體的水質狀況、預警預報重大或流域性水質污染事故、解決跨行政區域的水污染事故糾紛、監督總量控制、排放達標情況等目的。在水質自動監控系統網絡中，中心站通過衛星和電話撥號兩種通訊方式實現對子站的實時監視，托管站也可以通過電話撥號方式實現對所托管子站的實時監控。每個子站是一個獨立的水質自動監測系統，一般子站有一臺或多臺的多參數水質自動化分析儀組成，另有固定式子站和流動式子站（拖車—監測小屋）共三種。子站分采水單元、配水單元、分析單元、控制單元、子站站房及配套設施。分析單元即水質在線分析儀表，如廣州怡文環境科技有限公司的EST-WQMS整體柜式水質自動監測站，具有小型化、模塊化、智能化、網絡化的特點。

一般監測項目有常規五參數分析儀（水溫、pH、溶解氧DO、電導率、濁度）、常用監測項目（化學需氧量COD、高錳酸鹽指數、總有機碳TOC、氨氮總氮、總磷）、其它監測項目（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、金屬離子如六價鉻等），這些項目國內分析儀生產廠有100多家。在工業用水中，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；循環冷卻水處理中有濁度/懸浮物分析儀；凝結水應用中，有鈉離子分析儀等。其中鈉離子分析儀監測水汽聯合裝置化學水系統的陽床運行，克服了實驗室分析不夠及時的缺點，水處理質量提高，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。

目前國內在水質自動監測技術發展中，一方面對在線分析儀如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；另一方面就是遠程測控系統及形成中心站、托管站、托管子站的水質自動監測系統網絡中數據傳輸技術的發展上，還要適應通信技術進步，實現升級換代。流動式子站應與固定式子站同樣得到發展。

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，已經為污水處理廠工藝優化立下了汗馬功勞。目前國內已有30多家企業有認證合格的相關產品。在2003年我國頒布的“氨氮水質自動分析儀技術要求”（HJ/T101-2003）標準中，規定了地表水、工業污水和市政污水的基本電極法和分光光度法的氨氮水質自動分析儀的技術性能要求和性能試驗方法。

4.3　最后提醒

建設網絡，不要忘了基礎數據賴以立足的實驗室的建設，LIMS實驗室信息管理系統是必須受到重視的。我們要像錢學森等老前輩關注園林園藝、秸稈處理等與生態文明建設有關的事那樣，貢獻余熱。

作者簡介

卞正崗（1936-），男，教授級高級工程師，1961 年畢業于清華大學電機系，早年從事電機及微型電機研究，后多年從事工業自動化儀表、集散系統和現場總線的研制和自動化系統集成的工程實踐，享受政府特殊津貼，曾任北京市自動化系統成套工程公司總工程師。現為中國自動化學會科普工作委員會委員，曾獲得有色總公司科技進步一等獎和國家機械總局科技進步三等獎。

摘自《自動化博覽》2015年12月刊