摘要：在广州黄埔老港区周边开展环境空气自动监测，结合广州市不同季节的主导风向，在港区的不同方位布了6个监测点位。首次使用传感器法微型站和国标法的标准站相结合的方式对广州市的港口区域环境空气进行监测，同时采用外场比对的方法进行微型站的质量控制。广州黄埔港环境空气自动监测的构建为在港口等复杂环境下开展环境空气自动监测提供了参考，为开展微型站监测，提高微型站监测数据质量提供技术借鉴。
关键词：黄埔老港港口环境空气自动监测
1引言
港口作为运输服务综合设施，依托航道、码头泊位、集疏运设施与通道，与水运、陆运和空运等紧密联系，在全球物流链系统中，对货物进行区域性集散整合[1]。2017年，进入全球集装箱吞吐量前10名港口，中国大陆有6名，为上海、宁波-舟山、深圳、青岛、广州和天津[2]。这些港口多集中在珠三角、长三角、环渤海等人口稠密地区。美国长滩港的研究发现，船舶在停泊时的排放可占到其总排放的41%，几乎等同于水上运输时的排放量。燃用重油的大型低速柴油机排气中排放大量的PM、NOx、SOx、CO[3]，研究表明，船舶排放占全球NOx排放的7%，占全球SOx排放的4%[4]。这些排放中70%以上是在海岸线400公里内的区域产生的，从而对当地环境造成较大威胁。据测算，一艘中到大型集装箱船，如果使用含硫量为3.5%的船用燃料油，并以70%最大功率的负荷行驶，那么一天排放的PM2.5污染物相当于50万辆国IV货车一天的排放量。上海港船舶排放对SO2、NOx和PM2.5的排放分担率分别达到12.0%、9.0%和5.3%[5]。广州市2016年度PM2.5来源解析结果显示船舶源占比达8.9%[6]，船舶的排放对广州环境空气质量改善影响较大。宋亚楠的研究表明，天津、唐山、秦皇岛、黄骅四大港口2013年各大污染物排放量均达到万吨左右，且船舶越靠近港口，其排放密度越大，距离港口15海里范围内，是排放最密集的区域[7]。港口区域特别是位于珠江河口内的港口对广州市环境空气的影响已经不容忽视，对港口码头环境空气质量的监测研究，掌握港口污染特征显得非常必要。
我国的船舶大气污染防治工作起步较晚，存在法律、标准体系不完善，船舶污染排放清单编制工作滞后，监管信息不完善，并且缺乏准确高效的监测、检测设备等问题[8]。为及时、准确掌握船舶港口码头区域空气质量状况及其对周边区域及城市空气质量的影响，建设港口码头专题空气质量自动监测站，开展业务化监测，为加大港口船舶污染排放治理、实现区域联防联治提供技术支撑。
2选址
为研究港口对城市环境空气质量的影响，开展港口监测首选距离广州市中心城区较近，珠江口内的港口;为了能够更好的研究比对，所选港口附近最好能有已经开展监测的空气质量监测点位。广州市黄埔老港区(以下建成“黄埔港”)符合以上选址标准。黄埔港历史悠久，是中国古代“海上丝绸之路”的起点和我国最早的一类通关口岸之一，黄埔港位于南海珠江河口内，广州市东南部珠江口内的北岸(113°2616"E，23°0549"N)，广州新中轴线东侧，黄浦区西侧，临近天河区，距市地标建筑广州塔12公里，距香港88海里，航道水深9米。距离黄埔港最近的环境空气自动站为“八十六中”国控点(广州市51个发布点之一)，直线距离约1公里，黄埔港的位置如图1所示。
3构建及实现
为了能够客观反映广州黄埔港及周边空间范围内的环境空气质量水平和变化规律，监测黄埔港对其周边环境空气质量的影响，监测点位需要具备以下功能：①监测方法实际可行，能够在港口复杂的环境条件下开展监测，且监测点位距离港口水域不超过1km;②能够监测港口区域整体环境质量的点位，具备掌握港口及其周边区域环境空气质量的状况与特性，监测数据科学可靠。
3.1分析构建
受港区内建设场地以及安全的限制，长期在线开展环境空气监测难度较大，在合理设置港区的监测点位的基础上，综合采用了不同监测分析技术。
国标法标准站(以下简称“标准站”)是开展环境空气自动监测最常用的方法，国标法的技术成熟，监测仪器种类齐全，仪器性能可靠，具备完善的一整套的采样、分析以及校准系统。但使用国标法需要建设监测站房，站内必须接入通讯及电力。此外，标准站还需有配套的数据系统，能够完成站内全部监测项目的采集和存储，具有很好的兼容性，既能够采集常规监测指标，也可以扩展采集非常规监测指标。
港口作业区及周边环境复杂，在港口开展施工建设需要面临港口安全中的诸多问题[9]，建设标准站需要开展建设、用电和通讯施工，难度较大。鉴于此，必须综合采用新型的、灵活的监测技术，功能设计要求包括：①体积小，部署灵活;②具备市政220V供电和太阳能供电两种方式;③在无市政供电的情况下，要能够在无外接电源时能够保持连续工作不少于30天;④能够自动存储监测数据，同时具备无线网络传输数据的能力;⑤校准手段灵活。
3.2设计实现
在具备有建站条件的地方建设标准站，参照环保部有关标准执行，其中监测点、采样口及监测项目等的设置参考了《环境空气质量监测点位布设技术规范(试行)》(HJ664-2013)中的要求，包括了对采样口周围环境，采样口周围水平面空间、周围环境状况等要求[10]。监测常规六项指标(SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5)的监测点位及环境等的要求参考了《环境空气颗粒物(SO2、NO2、O3、CO)连续自动监测系统安装和验收技术规范》(HJ193-2013)和《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统安装和验收技术规范》(HJ655-2013)，包括了对系统的组成及原理、安装、调试和试运行等要求[11，12]。
微型站采用的主要是传感器法，即采用电化学、光学等的传感器开展监测。传感器法微型站(以下简称“微型站”)具有体积小巧，点位布设灵活(可布设在一根支撑杆上，无需站房建设);时间分辨率高;功耗小，可采用太阳能供电;可以采用无线通讯方式传输数据。
黄埔港有码头岸线2858米，生产用码头泊位16个，其中万吨级泊位10个(洪圣沙码头核算靠泊船舶吨级5万吨级泊位2个);港内万吨级作业锚地4个。港区占地总面积99万平方米，年吞吐能力达3000万吨以上，国际集装箱年吞吐能力达90万标准箱以上[13]。综合黄埔港的实际特点，在距离江边300米的黄埔港北岸即为成熟的城市建成区，配套设施齐全，具备站房建设条件，因此使用国标法开展监测;黄埔港作业区周边，码头工作繁忙，车辆及大型机械众多，站房建设困难，因此采用传感器法开展监测。
为了能够覆盖黄埔港作业区，同时结合广州不同季节的主导风向(夏季为东南风，冬季为西北风)，监测点位的布设采用了南北边界布设、点位间隔均匀的设计方案。最终完成的监测点位分布如图2所示，①在港口作业区南北边界外围布设5个微型站(图2中白色点位)，可以监测南北不同主导风向时，监测数据差异;②微型站监测点位沿着黄埔港作业区边界布设，并覆盖了内河通航水域，针对性很强;③5个微型站间基本为等间距分布，平均间距1.2km，最小间距为0.83km，最大间距为1.4km，避免空间间距过大带来的差异;④在作业区的北岸设置1个标准站(图2中五星点位)，标准站距离“八十六中”国控点1.4km，可以实现比对分析的功能;⑤标准站与各微型站间距离均小于1.5km，可以实现与微型站监测数据的比对和校准的功能。
标准站数据系统包括子站段数据采集系统和中心端数据存储分析系统两部构成，具备通用的数据传输协议及数据传输网络系统：①子站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中心系统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，接受子站系统的数据;③通讯系统采用ADSL作为主通讯网络，无线辅助通讯网络，无线网络作为备份网络，主副通讯网络自动切换，确保通讯正常。如图3所示，建设实现的数据系统能够采集常规六项监测指标，同时可以满足拓展项目采集的需求。
3.3质量控制
3.3.1标准站质量控制
标准站的质控可以参照现行相关标准执行：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，检查结果自动形成报表;标准站的监测质量审核的很大部分工作及流程目前已经智能化自动的开展实施[14]，对于颗粒物监测只能手工开展的部分质控工作，包括定时完成采样流量检查和标定、切割头的清洗、分析仪器喷嘴的检查和清洗、动态加热、温度、压力和气密性的检查等质控工作，可以在子站定期巡检时完成。标准站的质控目前已经标准化、流程化，可以很好的保障监测数据的质量。
3.3.2微型站质量控制
微型站的监测质量控制，目前可供参考的相关标准较少;微型站体积小，集成度高，没有类似标准站的校准系统，无法按照标准站一样的质量控制及管理方法，这样容易出现数据质量不可控的情况。研究使用外场比对的方法，对微型站开展质量控制工作：将微型站和标准站统一在同一个实验场，开展为期不少于7日的比对，利用比对数据来对微型站仪器的监测数据质量进行评判，并因此开展相关的质量控制工作。2017年11月24日至30日，在广州塔地面站开展了5个传感器法微型站和国标法标准站的外场比对测试，测试结果见图4所示。7天比对期间，仪器全部能够正常运行，数据完整有效。由图4可知，5个微型站与标准监测数据间趋势较一致，颗粒物浓度的高值区和低值区时间段、SO2在峰值、NO2和CO的早晚双峰特点、臭氧午间13时左右的峰值特点等得到了反映。
为进一步检验5个微型站数据的准确性，使用了一元线性回归对数据进行分析，同时参考河北省地方标准《大气污染防治网格化监测系统安装验收与运行技术规范》(DB13/T2546—2017)[15](参数要求见表1、表2)，检查了各比对参数情况，分析结果见表3所示。 7天的室外外场比对结果可知，5个微型站与标准站六项监测指标均具有较好的线型关系，绝对误差和相对误差均优于河北省地方标准的限值要求，监测结果可信。此外，外出比对数据可以用于微型站的校准，如果发现比对监测数据相差较多，可以通过微型站内置程序进行比对校准。
3.3.3长期运行质量控制
广州港口环境自动监测构建后，开展24小时连续监测，标准站采用国标方法，监测数据具备评价的能力，数据质量要求高，应严格按照相关质控要求开展;微型站设置的主要作用是在不同季节、不同主导风向下，通过趋势来对黄埔港对周边环境空气的影响的研判提供趋势性的分析。因此，根据功能和设备类型的不同，对标准站和微型站采用不同的质控方式：
标准站的主要质量控制措施：①气态四项指标(SO2、NO2、CO、O3)每天1次零点检查，每周1次跨度检查，每季度一次精密度审核，每半年1次NO2转换炉的转换效率检查;如检查超过控制限，则进行校准，如发现转化效率达不到要求则需要更换;②颗粒物(PM10、PM2.5、PM1)：每月1次采样头清洁及加热装置检查，每月1次检漏及流量检查，每季度1次温度和压力检查，每半年1次标准膜检查;如检查超过控制限，则进行校准和更换。
微型的主要质量控制措施：①微型站基于传感器法，存在受温度、湿度、环境干扰及时间特征漂移等问题。微型站一般都具有后台校准功能，即利用微型站与邻近的标准站的监测数据进行大数据分析，利用算法进行后台软件校准，这种方式需要微型站与标准站间距离不能太远。在对黄埔港环境空气自动监测的构建时，在能够满足对港区覆盖监测的基础上，标准站与微型站间距离设置最大不超过1.5km，满足进行后台校准的要求，可以随时进行后台校准;②可利用备用设备，放置于标准站楼顶，开展长时期序列的外场比对，可定期对各微型站进行轮换;③对更换后的维修站，通过外场比对，如数据偏差较大，则进行更换维修;④定期(一般2～3个月)用高压气源吹扫传感器。
推荐阅读：污染源自动监测存在的问题及应对方法研究
4结语
2017年7月，在广州黄埔港选址开展环境空气质量自动监测，结合广州市不同季节的的风向，监测范围分布在黄埔老港的5个不同方位;探索使用微型站和标准站相结合的方式对港口区域开展监测，为在港口复杂环境下开展环境空气自动监测提供参考;探索采用外场比对的方式开展微型站的质量控制，为提高微型站监测质量提供参考。
