环境监测的应用方案设计.docx

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环境监测的应用方案设计

环境监测应用方案

1国内外研究现状

随着社会的不断开展,日益严重的环境污染形势使生态环境破坏迅速向全球性的环境危机开展,环保成为各国关注的焦点.检测污染源的阶段实在50年代,最初的环境监测通常依据分析化学的原理,采集相关的环境样本在实验室里对污染物进展分析.60年代,环境监测度X围更广,同时检测也越来越多.自动检测的阶段是在70年代,水污染、大气污染也不再是区域性的,欧美的一些兴旺国家相继推出了多种宏观生态环境监测系统,对空气、水体等环境状况进展实时的检测,利用多种现代化的技术,环境监测的工作也有了很大的进步,在兴旺国家,不断提高环境检测自动化系统和网络.如今,随着互联网的开展、通信技术的开展,国外已经实现数字化的联网环境监测系统.

在空气质量监测方面,美国起步较早,积累了丰富经验,美国空气质量监测体系逐步开展和完善,在空气质量转变上起到了重要作用,20世纪70年代,美国环保局开始组建和运行州和地方空气监测网络以与国家空气监测网络用于监测环境空气质量标准中的指标污染物.20世纪80年代初期,该组织开始对PM10进展监测,在1997年颁布PM2.5的环境空气质量标准后,于1999年将PM2.5纳入监测体系[1].加拿大在世界上最早开展土壤质量监测,1989年起,加拿大农业部国家基准项目中加进了监测农业土壤健康状况变化,同时在全国建立了23个基准点.欧盟于2006年～2008年开展了土壤环境评价监测项目,该项目覆盖整个欧盟成员国,制定了土壤监测程序和相关规定[2].

我国环境监测工作开始于20世纪70年代.环境监测已经成为当前环境执法和评价环境质量变化趋势的一个重要[3].由于中国经济的快速开展,从而无视了对环境的保护,是我国在环境监测领域的研究起步较晚,国内环境监测技术水平落后于兴旺国家.中国环境监测也经历了人工检测,采用有限的方式进展自动监控和无线监控的阶段.在八十年代中期,我国也着手开发在线自动检测的环境监测系统.环境监测的含义也随着工业的不断开展,而逐渐扩大到了对环境污染以与环境质量等的监控.1999年,原国家环保总局第一次在全国开始推广环境在线监控系统是物联网的最早探索和实践；2008年开始在全国31个省、自治区、直辖市,6个环保督查中心和333个地级市部署了国控污染源在线监控系统,该系统是物联网在环保领域的规模建设和行业级实践.2007年,建成科学完善的污染减排指标、监测和考核的"三大体系〞[4],近年来,由国家财政投资,全国约7000多个重点污染企业安装了自动监测设备,通过互联网建成全国重点污染源监控系统.目前,物联网已被应用于大气监测、水质监测、生态监测、海洋监测等多个方面[5].近年来我国的环境监测已经开展到了远程无线检测的阶段,实现了上位机和下位机的检测设备远距离别离,利用无线网络实现数据的传输,减少监控设备的布线和复杂性,而且还节约本钱.监测系统将向着通过电池供电的环境传感器的方向开展,以此实现整个监测过程无线化和小型化,从而使系统的部署更加灵活.网络监控系统负责完成监测数据从数据采集点〔子站〕到水监控中心的传输工作,并可将监控中心的控制指令发送到数据采集点,主要包括政府公用光纤网、ADSL局域网、GPRS、CDMA无线宽带网、光纤终端、CDMA终端与相关应用软件等.总之,环境监测技术正向着一个体系完整、数字化、有效快速的开展方向迈进.

2总体方案

2.1以现代化技术为根底,提供准确的监测数据

通过研究和引进先进的分析方法和检测,利用现代科技改良传统的分析模式,提高数据的准确度和可靠性,进一步树立监测数据的权威性.

2.2以预警应急检测为先导,提高快速反响能力

以维护环境安全和环境减灾为目标,强化检测系统建设,最大限度的提高整个检测系统与社会监测网络的预警预报和快速反响能力,预防和与时处理环境污染事故和灾害.

2.3以人才队伍建设为重点,提供高效的检测服务

通过引入现代管理科学方法,使环境监测人力资源优势得到处分发挥,做到人尽其才,以科学合理激励机制提高整体工作效能.

2.4以网络建设为主线,形成全面的检测能力

在环保部门统一监视管理指导下,有效整合社会监测力量,调动环境监测系统与社会检测力量的积极性,形成协调统一、分工合作的监测网络体系.

〔1〕建立全国城乡环境空气质量自动监测系统手工监测,全国联网,发布预报；

〔2〕建立重点水域水质、土壤环境、空气质量、小环境自动监测和手工监测的集成系统；

〔3〕建立现代化实验室.硬件水平要达到国内先进,局部配置与国际接轨；

〔4〕建立遥感监测为为技术核心的生态检测系统,建立生态监测站,加强环境监测工作的信息化进程.

3技术路线

3.1空气质量监测技术路线

空气质量监测数据管理系统

空气质量日报、数据传输、发布

空气质量预报、传输、发布

浏览当月数据,打印当月报表

系统维护：

监测点位、检测时间

空气污染指标统计,计算空气污染指数

监测因子确实定

监测制度的规定

监测点的设置

图1空气质量监测技术路线

目前我国重点城市环境空气质量监测环境空气污染物有：

二氧化硫〔SO2〕、二氧化氮〔NO2〕、可吸入颗粒物〔PM2.5〕、臭氧〔O3〕、一氧化氮〔CO〕、降尘、硫酸盐化速率、降水等.除了降尘、硫酸盐化速率、降水的监测数据来自大气手工监测系统,其余空气污染物监测数据来自大气自动监测系统.环境空气质量自动和手工监测,环境空气质量监测数据管理系统是大气自动监测数据和手工监测数据的集成系统.环境空气质量自动监测系统是由监测子站、中心计算机室、质量保证实验室和系统支持实验室等组成,系统需求中心计算机室能与时、准确、安全读取各监测子站的监测数据.手工监测系统需提供方便灵活的数据录入界面,由于空气质量监测点位根本不变,选定好监测时间,系统就自动生成监测点位的根底代码<如点位代码、监测点名称和监测年月等>；由于监测数据的连续性,录入时对各数据记录中的一样局部〔如点位代码、监测点名称和监测年月等>系统自动进展填充,用户录入监测结果,同时可以对数据进展修改等操作；为保证录入的正确,系统有录入、校对、审核等三级审核数据的业务需求[6].本系统基于WINDOWS平台,采用稳定Client/Server结构的MicrosoftSQLServer2000数据库进展数据管理,开发工具采用BorlandDelphi7.0以实现面向对象编程技术.针对大气自动监测系统,用BorlandDelphi7.0编程,顺序读取大气自动监测系统每小时监测数据.

3.2土壤环境质量监测技术路线

土壤监测数据异常值的质量控制,用GPS定位与现场标记

分析测试质量监控

土壤保存

土壤采集与流转,用GPS

确定采样点位

土壤采集前准备工作

建立评价标准体系与土壤检测布点

土壤监测数据综合分析

图2土壤环境质量监测技术路线

土壤是构成生态系统的要素,是国家重要的自然资源,是人类赖以生存的重要因素.土壤环境质量状况不仅直接影响到经济开展,而且还关系到农产品安全和人类身体健康,因此搞清楚土壤质量环境状况对人们来说是一件大事.在土壤环境质量监测活动中,质量保证和质量控制措施尤其重要,它涉与到土壤环境质量监测的全过程,保证了土壤环境监测点位的代表性和数据的准确性[7].

用于测定有机污染物的土壤样品,存在带聚四氟乙烯密封垫或磨口的棕色玻璃瓶内,壤样品尽量装满容器,置于4摄氏度冷藏保存,并在7天内进展前处理,40天内内完成分析.土壤样品采集后存放在符合相关要求的样品库内.土壤中重金属、有机氯农药、有机污染物等种类繁多,土壤样品中的不同污染物在分析方法上各异.按《土壤环境质量标准》选配的分析方法；其次选用环保部门规定或推荐的方法；再次根据监测站实际情况和仪器设备的具体条件选择等效分析方法.实验室分析土壤样品,应根据各实验室相关技术规定,制本实验室的标准操作程序〔SOP〕并通过宣贯,相关人员熟知.在整个土壤监测分析过程中SOP要求明确,验室应严格按照SOP执行.

3.3水质质量监测技术路线

水体

水质安全预警系统

报警,采取预防应急措施

定性分析

采取针对性措施

定量分析

采取针对性措施

危害程度鉴定〔生物分析技术〕

污染物质识别

水体污染识别

污染浓度鉴定

图3水质质量监测技术路线

饮用水源水质存在的较大安全风险,即造成水体的突发性污染事故.这类事故不同于一般的环境污染,具有突发、形式多样、危害严重、扩散迅速、污染物不明和处理处置困难等特点[8].现代信息技术引入水质监控预警体系,以信息技术为根底,综合运用地理信息系统、遥感、水质模型等现代高新科技,采集自然、社会、经济、水质状况、生态环境、水资源分布信息,建立全流域水质根底信息平台,以与具有水环境模拟功能的管理系统.增强了信息技术的优势和效能,为流域管理提供更有力的支撑[9].采用生物急性毒性分析技术,在流域内重要水源地、主要排污口、大型企业<如化工厂、农药厂、造纸厂、炼油厂、染料厂等>和水功能区布设水质安全监控点,适时监控水质状况,与时向流域管理系统发送水质安全信息.先进的检测技术可提高监测技术的效率和灵敏度,简化操作步骤,提高可靠度.在不断改良现有技术方法,提高监测仪器设备的灵敏度、分辨率、稳定性的同时,还不断开发能同时分析多种参数的新方法.比如毛细管电泳的方法[10]、流动注射法等,取得了突破性进展,具有高分辨率、快速、工作量小、可同时分析项目多等特点,非常适于大样品量、多项目的常规监测.环境污染事故往往具有突发性,监测人员需要在事故发生初期迅速确定污染物的种类和来源[11],土壤应急监测技术要多样化.

3.4小环境监测技术路线

监测仪器传感系统的初始化

监测仪器对环境检测指标的识别、信息处理

环境检测指标信息的储存与输出

数据分析与紧急措施的实施

图4小环境监测技术路线

小环境监测在很多精细仪器间、仓库中广泛应用,但目前都采用人工检测.人工记录数据、人工控制的较低水平.随着科技的开展,计算机技术可以实现对小环境的智能化监测[12].

4关键技术的应用

4.1物联网技术的应用

环境监测落后、自动化程度低、监测能力不足,制约着环境监测工作的开展[13].因此,推动环境保护根底工作往信息自动化、智能化、网络化方向开展,将有利带动环保工作有效、快速的开展.通过射频识别〔RFID〕、红外感应器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进展信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络.换言之,物联网就是通过信息传感系统〔如RFID、传感器等〕将各种物体与互联网建立连接,从而达到智能化识别和管理的目的,实现人类生产、生活与网络的结合,使人类生产、生活更高效化、智能化、网络化,可充分利用资源,提高劳动生产率.物联网系统分为三层：

感知层、网络层与应用层.感知层指物联网系统中的传感设备,包含RFID标签、摄像头、GPS、传感器、识读器、终端等,作用类似于人体的表层皮肤和五官,收集身体感受到的信号,感知层主要是感知并识别物体、采集物理信息.网络层指物联网系统中的通信信号与网络中心,包括信息处理中心、智能控制中心等,其作用类似于人体的神经中枢和大脑,对信息进展传递、处理以与判断.通过各种传感设备对大气环境中的二氧化硫、氮氧化合物、可吸入颗粒物等因子进展数据采集,并通过网络将实时数据传输到监控中心,实现环境空气自动监测.在线监测的种类主要有资源监测和资源污染监测两种.在线监测在在两种监测中的方法类似,主要是在监测目的地布置各种传感器、视频监视等传感设备,形成感知层,然后经过网络层将数据传输至应用层,应用层根据传感器的位置、数据采集时间等信息综合分析监测数据组成监测体系,从而实现对于资源、污染源的监测和综合监管.物联网已被应用于大气监测、水质监测、生态监测、海洋监测、土壤监测等多个方面[14].

4.2物联网水资源环境监测技术与其系统实现

物联网的水资源监测系统主要由四局部组成：

各种类型的数据采集传感器节点,簇头节点,移动代理Agent节点,控制中心.物联网的分簇区域的自组织多传感器网络中,采用的传感器节点主要是各种水文传感器.在所有传感器上安装无线短距离通信数据传输功能模块.分簇区域内的多传感器采集到各种类型的环境监测数据后,将数据发送给该分簇的簇头节点,或者可以检测到的移动Agent节点,簇头节点或移动Agent节点将搜集到的数据会聚后至控制中心.传感器节点数据采集模块经过一跳将数据发给簇头节点,而且该节点装有污染源实时监控功能模块,可以监测该节点圆形监测区域内是否出现排污现象,并与时发送监控数据,且该操作优先级高于一般环境监测数据的发送,要求簇头节点优先,这样就可以充分满足监测数据采集和水污染源监测实际需求.监测传感器节点采用嵌入式技术设计,该节点功能模块包括：

数据采集类型模块、数据无线发射模块、高效电源模块、水污染源实时监控模块以与移动Agent监测模块等部件,如图5所示.

污染源实时监控模块

各种数据采集模块

高效电源模块

环境监测传感器节点

各种类型数据采集模块

无线数据发射功能模块

移动Agent监控模块

图5水资源监测传感器节点模型

环境监测传感器节点根据监测需求自适应启动相应类型数据监测模块、采用集中数据采集方式,其工作流程如下：

〔1〕根据来自控制中心的监测需求启动相应数据类型模块,监测数据类型主要是各种数据采集模块；

〔2〕周期性启动移动Agent发现模块,假如发现如此将带发送的数据发给移动Agent节点；

〔3〕周期性启动数据无线发射模块,将采集到的数据发送给簇头节点；

〔4〕根据控制中心反响的控制信息,周期性的启动污染源实时监控模块,假如发现污染现象如此转〔3〕；

〔5〕假如该节点所处分簇内的簇头节点失效,如此转〔2〕.每个分簇内拥有一个簇头节点,此外整个网络中设置了假如干个移动Agent节点,一方面实时收集各分簇簇头节点会聚的数据,另一方面防止某分簇簇头节点失效,导致监测区域出现盲点,致使网络瘫痪,无法实时监测.

4.3Zigbee和GPRS的远程水资源环境监测技术

GPRS是通用分组无线业务的简称,它是一种基于分组传输数据的高效率方式.GPRS模块采用Sim公司的SIM300芯片.SIM300是一款三频段GSM/GPRS模块,可以在全球X围内的EGSM900MHz、DDCS1800MHz、PCS1900MHz三种频率下工作.SIM300模块内部集成了AT指令集[15],可以用AT指令对模块进展控制,操作方便.SIM300内部还集成了TCP/IP协议栈,使Internet的接入简化.GPRS实时在线和按流量计费的方式,非常适合数据监测,大大节约了本钱.SIM300还支持GSM功能,可以完成短信报警功能.监测系统Zigbee网络采用星型网络拓扑结构,星型网络组网简单,由三个传感器节点和一个协调器节点构成.Zigbee网络的工作流程：

先打开协调器节点和传感器节点进展硬件初始化和协议栈初始化,传感器节点向协调器节点发出入网请求并组建WSN,然后传感器节点进入休眠状态,只有协调器才能唤醒,当协调器向传感器节点发送数据采集命令后,传感器节点被唤醒,开始采集水质数据并发送给协调器节点,然后传感器节点再次进入休眠状态,等待下一次被唤醒[16].

5投资分析

投资总额分为两局部,一是现代化建设投资,二是工作人员队伍建设投入.其中现代化建设包括大气自动监测系统装备投入、水质自动监测系统装备投入、污染源自动监控技术装备投入、自动监测系统信息处理技术装备投入、遥测遥感与生态监测技术装备投入、实验室装备系统投入〔分析设备、辅助设备、现场与应急监测设备、仪器维护与保修费用〕、网络通道建设投入、信息处理与发布平台投入、专项研究能力建设投入.

6社会效益

随着环境监测事业的迅速开展,国家对环境监测投入资金逐年增加,各级环境监测中心的能力不断提升,环境监测领域不断扩展,国家环境监测网进一步完善.基层环境监测中心<站>要主动服务于社会主义市场经济建设,要与社会主义市场经济接轨[17],并参与科技技术信息市场的竞争,在环保公益性服务和中介服务中积极提高社会效益和经济效益.其中社会效益包括财政资金使用的效益评审〔财政资金使用情况与项目支出执行情况〕、事业收支的效益评审〔事业收入增长情况与下降情况〕、资产和设备投入与使用效益的评审〔年度资产设备投资额、年度业务设备投资效益、主要仪器设备利用率〕、环境管理制度执行与其业务、管理工作效益的评审、环境监测业务目标考核达标率<建立优质、专业、完善的水质在线监控系统,改善水环境质量,有效遏制突发环境事件的发生>等[18].

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