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雾霾综合观测平台建设与教学

 论文栏目:建设教育论文     更新时间:2015/9/10 9:32:20   

1雾霾综合观测平台的搭建与建设

1.1观测点选取

如前所述,中国大气污染呈区域性、复合型污染特征.三大重污染区包括京津冀地区、长三角地区与珠三角地区.由于南北地区在气象条件、地理位置、能源结构、工业结构等方面的显著差异,与其他两个地区相比,京津冀地区大气污染尤为严重.2014年每月公布的全国PM2.5质量浓度超标城市中,80%以上的城市位于京津冀区域.北京作为我国首都,尽管其辖内并无大型重工业排放,然而其PM2.5浓度屡有超标,减排压力大.因此,为了弄清北京市雾霾及PM2.5污染现状及成因,有必要设立观测点进行长期的实时、连续观测,从浓度水平与化学组成两个角度进行深入、系统研究,为国家制定控制措施提供支持,我们选择清华大学校园作为北京城区观测点.清华大学(TH,40°19′N,116°19′E)位于北京西北城郊结合部,介于北四环和北五环之间,邻近交通繁忙的中关村北大街,周边无大型工业源,与天安门相距12km.基于我们课题组10多年的研究发现,清华观测点PM2.5的质量浓度及其化学组成与城区监测点车公庄无明显差异,因此,清华大学作为北京城区PM2.5的观测点是有代表性的。

1.2仪器配置

雾霾综合观测的目的,是通过大气颗粒物及其化学组成的实时观测,分析其昼夜变化、月际变化及季节变化,捕获重污染事件,根据气象因素、气态前体物的相关信息,对雾霾成因做出解析.因此,观测平台的仪器配置涵盖四大类共9台在线仪器,包括大气颗粒物质量浓度、化学组成、气态前体物、气象因素,其相互之间的关系见图1.我们采用虚拟切割式双通道切割头的颗粒物PMG712在线监测仪进行逐时观测、分析,实现高时间分辨率,PM2.5-10以及黑碳BC质量浓度的逐时观测.与此同时,使用虚拟切割式双通道大气颗粒物化学成分连续自动ACSAG08分析仪,对PM2.5及PM10中的主要化学组分进行在线分析,如水溶性化学组分SO2-4、NO-3、WSOC、颗粒物含水量H2O以及颗粒物酸度H+等.PM2.5中硫酸盐、硝酸盐、铵盐等主要组分均来自气态前体物的二次反应和转化,因此为了更好地捕捉北京冬季雾霾成因,研究外地传输及本地生成与雾霾形成的关系,我们增设了先进的高时间分辨率的涵盖NOx、SO2、O3、CO/CO2、VOCs等气态污染物连续自动监测仪.另外增设离线双通道手动采样器,为进一步进行实验室后期深层次手动分析做好采样准备.根据课题组前期观测结果,发现风速风向及温湿度等气象因素对北京雾霾形成的重要影响,因此在传输方向上的观测站点设置气象监测系统,与气体在线仪器包含在内的大气环境在线综合监测系统一并成为雾霾观测的关键仪器.

1.3维护与管理

由于观测平台仪器种类多、观测分辨率高,产生数据量大,因此对观测平台进行科学管理与维护是非常重要的,观测平台的仪器实物见图2.我们对平台的管理不但包括常规的实验室管理,如用水用电安全、实验室卫生等,还包括在线仪器的噪音与振动管理、仪器的定期维护等.由于观测平台位于楼顶,为避免仪器采样过程中产生的振动及噪音对其周围办公环境的影响,我们对每台仪器进行了减震与减噪处理,使其符合相关环境标准.相对于离线仪器而言,在线仪器灵敏度高、运行周期长,极易产生故障.因此,我们对每台仪器建立了定期维护制度.轻污染时期,每月更换一次防尘膜及相应部件耗材;重污染时期则每两周更换一次.同时,对所有仪器每半年进行一次年检与全面维护.

2雾霾综合观测平台在教学中的应用

我们课题组自1999年即开展了PM2.5污染与成因的相关研究[1,5G11],基于长期、连续室外观测、实验室模拟和模型计算,获得了中国典型地区PM2.5质量浓度及其化学组成的时间序列特征;采用扩散溶蚀器与特殊的滤膜配置解决了气态HNO3吸附和颗粒态NH4NO3挥发导致采样误差的关键技术问题;发现二次无机颗粒中SO42-成因的季节、地域差异;定量解析出含碳颗粒物的生物质燃烧与二次来源的贡献;建立复杂源排放清单编制技术方法,编制出我国NOx高分辨率排放清单.上述成果先后获教育部自然科学一等奖、国家自然科学二等奖.部分成果被“北京奥运会空气质量保障方案”采用.及时地将这些科研成果转化为教学内容,对于我校培养创新性、复合型大气污染控制人才具有十分重要的意义.首先,平台为本科生提供了PM2.5及其前体物的采样地点与仪器.在“环境监测实验”课程的早期实验项目中,仅有针对氮氧化物的监测,缺乏与PM2.5相关的实验内容.为了紧跟大气污染形势,使学生掌握有关采样及监测方法,从2013年开始,我们增加了PM2.5监测与污染特征分析的有关内容.应用我们观测平台的条件与设施,使学生在实验课上掌握了从采样液/滤膜准备,到样品采集、样品保存、样品分析、质量控制与质量保证等全部流程的实验操作,为进一步开展PM2.5污染特征研究打下基础.其次,平台为本科生提供了实时观测数据.“校园环境监测”是清华大学最早开展的非常有特色的一门实践课程[12],目前在很多高校中都已陆续开设.学生以真实校园为研究对象,在前期文献调研、立项基础上,于夏季学期的有限时间内(1周),完成既定实验方案的实施,并进行成果汇报与展示.学生选题通常集中在水和气两个领域,因此,每年约有一半学生90多人进行校园空气质量(含室内空气质量)相关的实验.我们的雾霾综合观测平台不但能为学生提供可供比较的气态前体物和颗粒物的质量浓度,还可提供相关化学组分以及气象条件的实时监测数据.以此为基础,启发学生通过相关性分析、主成分分析等手段,探讨校园环境下大气颗粒物的污染特征及影响因素,培养学生浓厚的科研兴趣.此外,在开展“大气污染控制工程”实验教学时,通过展示观测平台设备及观测数据,使学生对所学过的污染源控制措施与手段等知识点进行对照,使控制与监测得以有效联接.因而,在进行电袋除尘、机动车尾气测试、氮氧化物的催化净化等实验时,学生的积极性显著提高,取得了良好的教学效果.

3结束语

雾霾污染导致的空气质量恶化是当前全社会所普遍关注的热点问题,其污染特征、来源与成因的研究也是国际大气领域的研究热点.我们建设和完善了雾霾综合观测平台进行观测和研究,取得了一批科研成果并向教学转化,培养学生科研兴趣、创新思维和实践能力,取得了明显的教学效果.

作者:段凤魁 单位:清华大学

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