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疫情之下:非现场环境监管技术厚积薄发(一)
2020年06月12日 文章来源:本站  阅读  
2020年3月3日,生态环境部出台《关于统筹做好疫情防控和经济社会发展生态环保工作的指导意见》(以下简称《指导意见》)。《指导意见》提出,环境执法要建立生态环境监督执法正面清单,明确原则上不开展现场检查的企业范畴和减少现场检查频次的企业范畴,适度调整行政处罚的方式,以减少企业因疫情受到的影响。但对偷排偷放、主观恶意排污的企业仍持续加大查处力度。
 
疫情之下,中国生态环境执法将坚持“方向不变,力度不减”,努力通过转变执法方式,实现经济与环境的双赢。转变执法方式的途径之一是推行“非现场监管”。那么,什么是非现场监管?非现场监管的技术有哪些,效果如何呢?
 
我们认为,非现场监管是指生态环境执法部门利用卫星遥感、无人机巡查、在线监测、移动执法等新科技手段,不进入或最小程度地进入现场,以对企业不打扰或者少打扰的方式,完成执法检查。
 
与《指导意见》提出的免于现场检查、减少现场检查一样,非现场监管是基于企业的分类对企业进行的差异化检查方式,与免于处罚、减轻处罚和加重处罚的差异化处罚手段结合,共同构成“正面清单”的差异化监管模式。非现场监管体现了以促进守法为目的的执法检查方式,目标在于通过“及时提醒复工复产企业”,确保“正常运行治污设施”。
 
非现场监管得以推行,主要得益于新兴技术的发展和在环保领域中的应用。美国环保协会很早就认识到,新技术的兴起正在催化环境管理模式发生深刻变革。2018年,美国环保协会总裁柯瑞华提出,全球正在迎来“第四波环境浪潮”。他指出,生态环境保护工作在经历了生态保育、法律手段和市场机制之后,已进入以创新为驱动力的全新环境治理时代。
 
基于新技术应用在环境领域的深刻变革,在生态环境部生态环境执法局的指导下,美国环保协会于2017年与中国环境科学学会环境监察研究分会合作开展了“大数据在环境执法与守法中的应用研究课题”,以探索包括大数据在内的新技术在环境执法中的应用;2018年,与南科大工程技术创新中心(北京)、北京环丁环保大数据研究院组织了首届“大气移动监测挑战赛”,以河北省沧州市、湖南省湘潭市为城市合作伙伴,展示了新兴的移动监测技术在环境监管多场景中的应用。
 
为响应《指导意见》提出的开展非现场监管、转变执法方式的举措,帮助各级执法机构和执法人员更好地理解非现场监管技术,我们将逐步对国内外典型的非现场监管技术及其应用案例进行梳理。本期我们将介绍新兴监测技术在非现场监管中的应用。
 
非现场监管的技术之一:服务于监管的新型监测技术
 
服务于监管的新型环境监测技术主要包括三个组成部分:
 
(1)新型传感设备:包括小型化、低成本的传感器,可以广泛布设,获取海量环境、厂界和排污口数据;高精传感器可用于卫星、走航雷达监测。
 
(2)大数据技术:对新型传感设备产生的数据进行处理,通过机器学习等技术,为新型设备提供数据校准。
 
(3)多元化的载体及平台:通过传感器与卫星、无人机、出租车、自行车、手持等多载体,实现更大范围的覆盖。这些技术通过多元组合,构成了可以适用多场景的不同新型监测技术。
 
1.出租车载道路扬尘移动监测
 
在出租车顶灯内安装自主研发制造的激光颗粒物传感器,利用出租车载体行驶时间长、覆盖范围大、维护成本低的特点,对道路及周边的扬尘污染进行监测。通过开发本地扬尘污染识别、细颗粒/扬尘污染识别、污染路段排名等分析方法,结合高分辨率可视化平台,为城市道路扬尘管控和治理提供解决方案。
 
该技术已广泛应用于沧州、济南、西安等城市,应用场景包括:识别城市道路及周边微污染源;评估城市采暖前后空气污染情况以及交通限制政策;发现规律性污染事件,如早晚交通高峰、集市等。
 
在出租车上安装激光颗粒物传感器,对道路交通及其周边的扬尘污染进行监测,并生成主要道路污染分布地图,找到污染严重的路段。
 
2.手持+车载+无人机立体式移动监测
 
该技术利用机动车载多参数模块式传感器,对道路开展扫描式移动监测,获得典型空气污染物整体分布情况。再通过车载、手持、无人机搭载方式实现精细化、立体化监测,将监测范围层层缩小,以更精确地识别热点和排放源。该技术可以细化污染热点识别能力,追溯污染的主要来源,对城中村散煤燃烧等局部影响大、执法难度高的违法事件进行精准监管。
 
该技术通过车载移动监测实现对城市道路的大范围监测,同时还可以利用手持设备和无人机搭载设备的方式,进一步接近污染源。
 
 
利用该技术进行的车载移动监测发现,城中村夜间(上图)与白天(下图)的污染程度存在显著差异。
 
3.无人机微尺度污染分布移动巡航监测
 
利用自主研发和改装的无人机载微型传感器设备,开展小尺度高分辨率大气环境监测,通过可编程飞控软件实现扫描式巡航监测,使无人机能够进行超视距固定线路飞行,覆盖范围更广。通过改良监测设备的安装位置,还可以减少旋翼无人机气流对气体采样的干扰。
 
利用该方法对约1.2平方千米的区域进行5天、累计飞行21架次的巡航式扫描监测后,可绘制147张参数不同的污染物浓度分布图,并发现一处非常隐蔽的污染源。
 
利用无人机载微型传感器设备(左图)进行微尺度污染分布移动巡航监测,可绘制不同高度的臭氧浓度分布图(如右图)。
 
4.移动+半固定式微站城市大气环境监测
 
利用车辆搭载微型监测设备,快速识别污染热点区域,并精准布设固定式微站获取污染源时间分布特性,提升空气质量监管的精准性和高效性,同时降低所需监测设备数量和数据冗余,实现固定微站与移动监测的融合。
 
通过该技术,可以更低成本实现更加精准的污染溯源,识别热点区域,为在热点区域布设设备进行固定监测提供指导。
 
利用设备与机动车的结合,实现更高空间覆盖的移动监测。
 
5.激光雷达城市颗粒物移动监测
 
激光雷达移动监测可以快速扫描监测并生成污染分布图,通过0.2-8千米的垂直扫描和3-8千米的水平扫描(受气象条件影响),直观地描述污染源的扩散趋势。利用激光雷达移动监测设备,可以有效识别污染物的空间分布特征,快速识别排放源,从而量化跨区域污染传输及工业排放对城区空气质量的影响。
 
 
该技术使用激光颗粒物雷达扫描,发现排放点。
 
6.利用无人机开展污染源现场勘查
 
通过对无人机进行技术改进,实现无人机电磁兼容、抗射频干扰优化,能够在电磁条件复杂的城市建成区域和工业园区执行移动监测任务,避免无人机定位、导航、数传失联造成的失控或坠机风险。通过无人机勘查,可以对潜在排放源进行定性识别,据此制定环境执法监管措施或技术改革方案。
 
无人机可以深入执法人员无法进入的地区,结合摄像头、传感器揭示炼化厂可能存在的问题。
 
7.基于源解析技术的大气污染溯源移动监测
 
通过环境空气污染物组分移动式监测,可以较低成本追溯污染物的来源及成因、评估污染事件对环境空气质量的影响,追踪污染物扩散及变化趋势。通过收集重点污染区域与国控点及对比点多参数监测数据,可以利用污染物排放清单分析污染源企业排放量对环境空气质量影响,建立贡献率评价机制。该技术应用于解析交通源、工业源等重点排放源对空气质量的影响,为环境主管部门采取针对性的措施提供量化数据支持。
 
 
8.基于大数据的小型化在线监测系统
 
传统的污染监测设备直接监测污染物的排放浓度和流量,而新型监测设备则利用电讯号传感设备,对生产和污染治理设备的工况系统进行监测,建立工况与排污信息之间的关系模型来推测污染排放。这可以实现低成本的大范围布设,适用于对小型排污设施的监管。
 
一种基于大数据的“小型化污水处理监控”在线系统,可以实现低成本对分散化治理设备的监管。通过低成本的互联网技术监控监测,“小型化污水处理监控”的在线系统,可实现对小型污水处理厂全天候的监控预警服务,在现有监控技术和手段基础上将成本降低十倍以上,解决因污水处理设施小而散、成本低、无人值守等带来的一系列监管难题。
 
 
9.基于边缘计算的新一代视频监控
 
利用人工智能技术在摄像头端对大气、水质、土地利用等典型生态监控场景的违法行为进行识别和优化,通过机器识别和人工智能手段不断迭代,提高识别率。该技术可以在实现24小时不间断监控的同时,减少人工值守的资源投入,避免视频信号传输占用大量服务器资源。识别后的结果将被上传至服务器,报警信息将被实时推送至手机端。
 
该技术可以广泛用于秸杆焚烧识别、黑烟车智能抓拍、河道水体监测、排污口动态监测、饮用水源地监测以及自然保护区监测。
 
基于视频监控的黑烟车识别系统。图片来源:禅城环保
 
黑龙江洪河国家级自然保护区开展东方白鹳繁殖巢视频监控研究工作。图片来源:黑龙江洪河国家级自然保护区管理局
 
10.卫星遥感监测
 
卫星监测可在全球尺度对大气污染状况进行快速评估,所提供的空间观测数据和气溶胶参数可用于监测大气细颗粒污染物的分布、来源、成分及传输。目前,我国空间遥感系统顺应卫星遥感地球整体观测和多星组网观测发展趋势,逐步形成立体、多维、高中低分辨率结合的全球综合观测能力。
 
卫星监测可以在定量估算、支持区域污染精细管控、重点城市污染传输通道监测、污染物溯源等领域具有广泛的应用潜力。
 
比如,清华大学贺克斌团队的王思雯(音) 等人利用OMI传感器的二氧化硫数据,对26家燃煤电厂的烟气脱硫设备的运行效果进行了评价。卫星遥感数据对脱硫设备安装前后的对比显示,脱硫设备从安装到运行通常有着2年左右的滞后,且这26家工厂脱硫设备的效率要低于官方报告的效率。
 
卫星监测数据与地面监控技术结合,可以将大尺度与小尺度监测技术整合,实现精细化监管。比如,生态环境部在2018年启动的“千里眼计划” ,利用卫星遥感技术、结合气象数据、空气质量监测数据等多源数据,在京津冀大气污染传输通道的“2+26”城市、汾渭平原、长三角地区等重点监管区域,筛选出静稳天气下排放较重、PM2.5浓度较高的热点网格,为进一步通过地面监测微站和移动式监测设备(车载式或便携式)等技术手段,构建“热点网格+地面监测微站+移动式监测设备”的工作模式,进一步提升热点网格日常监管和执法检查的针对性和精准性,提高大气污染监管水平打下良好基础。