环境监控的过去、现在与未来 -ag试玩

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环境监控的过去、现在与未来

王剑峰 林宣雄 (写于2006年7月18日)

(甘肃兰州环保局信息中心,西安交通大学软件学院)

 1 引言

        进入21世纪以后,环境问题日益成为人们关注的重大问题,对于持续高速发展的中国来说,今后面临的最大挑战就是环境问题,这一点已为中外环保专家及中国政府官员所高度认知,而且发达和发展中国家都面临着环境问题,只是程度不同而已,因此环境保护已经成为当今人类社会最重要且最迫切的课题。

        环境监控是环境保护的最重要内容之一,它包含两个层面的意思:(1)环境状态的监测和数据采集;(2)污染处理装置的控制及基于监测数据的污染处置措施(微观层面,在线联动式)及防止环境恶化的控制措施和环境管理(宏观层面,离线离散式)。简单地说,环境监控就是环境的监测和控制,是环境监测和环境控制管理的综合。

        环境监控和环境治理是环境保护的两个重要方面,构成相辅相成的关系,对其作简单的释义,可以理解为环境的“诊断”和“治疗”,前者贯穿后者的前后,即“治疗”前的“诊断”和“治疗”后的“诊断”。环境监控起“治疗”前的环境状态诊断和污染程度测度及“治疗”后的环境状态评价作用,从这个意义上来看,没有环境监控或忽视环境监控的环境治理是不科学的治理,是难以彻底的治理。过去,中国的环境治理不重视环境监控,缺乏环境监控,夸张地说是“江湖郎中”式的治理,因此治理效果不明显甚至没有效果,从而招致民怨。

        从过去学术研究来看,中外文献鲜涉环境监控的内容,国外的学者采用分而治之的方法,即把环境监控分作环境监测和环境控制两个分支来进行[1],因而缺乏综合研究成果。

2 环境监控的系统抽象模型

       基于上述环境监控的定义,可以用如下的模型(图1)来作系统刻画。

       从图1可知环境监控主要是基于环境质量、污染源和生态三大类环境要素的监测和控制,而环境质量主要包含大气环境质量和流域水环境质量两个子类;污染源主要是指工业企业污染排放物,包括水、气、声、渣四个子类,当然也包含城市生活污水;生态主要包含海洋生态和陆域生态两个子类。因此,环境监控有相当的展开度,几乎覆盖了环境的方方面面。

        在人类发展的漫长岁月中,保护环境的科研活动从未停止,迄今已经研究开发了一系列环境监控分析仪器,分为现场在线分析仪器和实验室离线分析仪器两大类。由分析仪器探测并采集环境的元数据,通过自动分析和人工分析获得环境的真实状态。

        实时、动态、连续地获得环境数据就是环境监控的一个重要过程,根据获得的环境数据进行在线自动控制、分析决策、采取重大环保行动构成了环境监控的完整过程。环境监测本身不是一项简单的工作,环境控制自然是更复杂的分析决策过程,而综合起来的环境监控就是一项极为复杂的系统工程,这里牵涉数据采集、传输、分析、数据挖掘、数据融合等多方面的、融技术性、智能性和决策性(复杂的群决策)为一体的处理和活动,完全突破了一般技术性系统的“智力”范围。

        这里引出了环境监控系统概念,它包含三个方面的意思:(1)环境监控纯技术系统(采集、传输和自动处理);(2)环境监控的智能分析决策系统(基于各种模型的分析和智能决策);(3)环境监控的人工延伸系统(和政府其它部门的联动)。

        那么环境监控和环境监控系统的区别何在呢?简单地说,环境监控强调的是一个研究的概念,而环境监控系统体现的是一个基于研究的实现系统,强调的是一个实现的概念。两者密切联系,不可分割;前者是基础,后者包含前者。

3 环境监控研发与建设历史演变的简单回顾

3.1 环境质量的监测

        环境保护在中国起步较晚,基本上是在改革开放之后才开始的,即上世纪70年代末80年代初,中国政府开始把环境保护确定为现代化建设的一项战略任务[2],而环境监控研究开发工作主要体现在流域和大气的自动监测上,即环境监测是从环境质量开始的。83年北京环保局建设了国内第一个大气自动监测站,86年天津引进法国分析仪器在海河建设了第一个水质自动监测站。当时的布点主要集中在特大城市和省会城市以及严重污染江河,属于试点性质。今天中国的主要流域水质都安装了自动监测装置,大气质量监测已经延伸到县一级,这一进程差不多花去了20年的时间。

        大气质量主要监测5项指标:(1)总悬浮颗粒物(tsp);(2)氮氧化物(nox);(3)二氧化硫(so2);(4)硫酸盐化速率(mgso3/100cm2.碱片.日);(5)降尘。流域水质主要监测指标有15项:(1)高锰酸盐指数;(2)cod;(3)氨氮;(4)挥发酚;(5)汞;(6)六价铬;(7)铅;(8)镉;(9)石油类;(10)锌;(11)坲化物;(12)硫化物;(13)阴离子表面活化剂;(14)溶解氧;(15)ph,其中高锰酸盐指数、cod、氨氮、溶解氧、ph为常规5参数,根据流域的具体情况,在常规5参数的基础上可增加2、4、6、8、10个参数,从而监测不同流域的5、7、9、11、13、15个项目,以此来表征不同流域水的质量。

        环境质量监测一般以自动站的方式进行建设。大气监测选点有讲究,监测点位布局要合理,市区一般选择最高建筑物顶部进行安装;流域水质监测的点位与布局要根据水流的流向和水流的输入输出口分布来选择确定,流域水质自动站一般盖有专门的站房,由专人管理。环境质量监测由于由国家或地方政府出资建设,建设和运维资金有保障,而且大气质量状况(质量等级和污染指数)信息披露和主要流域水质状况上报统计有明确要求,因而运转情况良好,在环境保护中发挥着重要的作用。

3.2 污染源在线自动监测

       环境质量不是孤立形成的,它们主要是由工业污染排放物(工业污染源)复合形成的,工业污染排放是“因”,环境质量是“果”,从这个意义上来说,环境质量的监测离不开污染源的监测,大气和流域环境质量的好坏主要是由“点源”(污染源)决定的,“点源”对其贡献最大,当然特定的“线源”和“面源”(如农业面源)也有相当的贡献。在环境质量监测取得经验的基础上,1997至2000年国家环境监察(当时是环境监理)开展了轰轰烈烈的污染源在线自动监测工作,从小试、扩大试到全面推开,迄今走过了八九年的艰难过程,2006年国家环保总局颁布了“污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准hj/t212-2005”(行业标准)[3],标志着这项工作的新思路、新起点,起到了峰回路转的效果。

       由于先天不足,污染源在线自动监测走了很多弯路,当然也有其创新之处。与环境质量监测建设由国家或地方政府拨款不同,污染源在线自动监测建设的经费主要由污染企业支付,有的地方由当地政府出部分启动引导资金,大部分还是要落到企业头上。由于相应的法律法规没有跟上,企业更无须考虑环境成本,因而企业极其抵触,不愿出资或拖延出资,不愿用进口分析仪器,甚至宁选劣质产品,企业以“花钱买手铐”的心理强烈反对在其排放口安装在线自动监测装置。污染源在线自动监测走的路线恰好与环境质量监测走的路线相反,后者是先进口后国产,前者是先国产后进口,因而走弯路也就正常了。此外,环境质量监测由确定的职能部门(监测站)负责管理,而污染源在线自动监测则没有明确的职能部门负责管理(虽然通常由环境监察部门负责建设,但通常没有专人负责管理和运行维护),社会化第三方运维也没有及时跟进,况且污染源点多面广、数量大,因而用不起来、用不好就是很自然的事情了。污染源在线自动监测成功案例不多,整体效果不好,行业付出了沉重的代价。国家环境监察在污染源在线自动监测建设之初就提出市场化运作思路是值得肯定的,是创新之作,也是今后必经之路。

3.3 生态监测

       污染源复合形成并决定环境质量,而生态则是由污染源、环境质量复合而成,即污染源的状况和环境质量决定生态质量。在环境质量监测、污染源监测的基础上,21世纪之初提出了生态监测,但是如何搞不清楚,是世界性难题。研究探讨性较多,实施性系统少见或几乎不见。从概念和具体可操作性上来说,生态监测主要集中在湿地、海洋红树林、植被、物种等监测上,自动化手段不多,观察性分析性工作较多。生态监测有专门的部门负责,只是缺乏方法和手段,经费由政府出,其监测的规模化由于成功案列的缺乏而有限。

3.4 环境监控中心的提出和建设

3.4.1 环境监控中心建设概况

       环境质量监测、污染源在线自动监测和生态监测都与具体的部门相关联,就是说这样建立起来的系统都是部门业务系统,是基于部门的而不是基于环保局的,应用是局部的,没有基于网络的共享,因而研究和系统建设仅限于监测(采集数据,分析),而达不到监控水准。

       2002年以后,环境监测(控)工作开始得到重视,其标志就是环境监测(控)工作不仅仅从一部门或几个部门的业务来考虑,而是强调基于网络的共享,重视了基于信息流的工作流,开始把基于部门的、部门横向间不共享的、具有明显信息孤岛特征的业务系统统合起来考虑,体现了明显的信息化味道,这时陆续提出了环境监控中心的概念,有些零星不系统的研究和探索开始见诸于论文和实际的系统[4],2003年成都市环保局由一把手局长挂帅建设了全国第一个环境监控指挥中心。当然这时“控”的内容很少、很弱,但已经把“控”作为一个目标来追求了,而到了今天,环境监控概念已经被大家所接受,研究活动也空前活跃,在全国陆陆续续建设了规模不等、内涵不同的一系列环境监控中心,如浙江嘉善、武义县一级环境监控中心,在建并即将完成的的安徽铜陵地市级环境监控中心,在建不久将完成的甘肃兰州、已建的河南郑州、山东济南等省会城市级环境监控中心,以及在建的安徽、已建的福建省级环境监控中心等,在全国形成了诸侯纷争、百花齐放的局面,并且上升到环境监控应急指挥的形态,当然由于环境监控研究不充分、实践不足,存在良莠参杂是很自然的,不过现在应该是总结分析提高的时候了,否则浪费财力,更形不成全国环境监控信息板块。

3.4.2环境监控中心逻辑结构

       环境监控的研究不充分,实践不足,因而导致全国已建的环境监控中心内容各异,但总结分析解剖一下,可得到抽象的、一般的逻辑结构(图2)。图2描述了基于当前技术水准、反映环境监控需求水平的环境监控中心结构和层次组成,从一个侧面体现了目前环境监控的研究和实践水平。

       从图2可以看出,完整、全功能的环境监控中心至少有六层,涉及数据采集、传输、加工处理、监控平台、决策指挥、现场执法等,构成一个大循环,体现了一定程度的闭环控制(系统内控)和开环控制(环保人员作用于环境)。从图2还可以看出,环境监控中心融合了两种最重要的业务数据,即环境质量数据(环境监测业务数据)和污染源数据(环境监察业务数据或现场执法数据),这两种数据是环境信息化的最基本、最重要的数据(元数据),而其他数据则主要是从这两类数据派生、衍生出来的。

 

图2 环境监控中心逻辑结构

3.5 几点总结

       环境监控研发建设历史不长,走过很多弯路,从原来无规划的试点性质逐渐走到今天的规模化、标准化,从原来的单一业务发展到目前今天的综合业务,从过去的简单行政强制统一到今天的根据地区的差异的分类指导,从过去蜂拥而上到今天的理性分步的有计划实施,付出了不小的代价,也理性了不少。

1.标准化是必经之路

信息化强调标准,没有标准就没有信息化,更构不成信息化板块,环境监控是环保信息化的重要内容,在遵循通用的国际国内标准之外,必须有自己的行业标准,否则难以实现信息的广泛共享,难以实现跨界监控(跨行政区域,跨流域)。

2.多业务的综合的共享系统才能真正发挥作用

环境监控要纳入环保信息化、数字环保的总体框架去考虑,不能没有规划,各自为政随意而为,如果那样必然会形成一个个信息“孤岛”,避免不了“另起炉灶”、推倒重来的命运,造成信息化的严重浪费。

3.建设、应用和管理同样重要

环境监控(中心)的建设是基础,应用是关键,运行维护管理是保障,三者不可偏废,有的地方只看重建设,轻应用,更忽视运行维护管理,从而出现建起来没人用,或者建设不久系统便不能用,从而没有实现系统的效用。

4.环境监控是领导工程

环境监控涉及复杂的技术和行政协调,没有环保局重要领导的领导决策协调,难以打破部门利益的阻碍,从而保障项目的顺利进行。

5 环境监控的发展趋势

        在中国经济持续高速发展、挺身进入世界第四经济体的新形势下,环境问题更加突出,只追求经济发展的历史欠账日益表面化,并且日益威胁到人们的日常生活,因而环境监控日益得到重视,研究走向更宽更深,借鉴国外、其它行业经验的开发也进步成熟不少,国家及各级地方政府投入更多的资金,国外一些公众、私人基金也愿意加入到中国的环保中来,一些大公司也挺身进入环保领域,环保信息化、环境监控空前走热,预示着在中国环保信息化、环境监控会有一轮新的大发展。

        那么环境监控今后会朝什么方向发展呢?或者说会有怎样的走势呢?根据对当前环境监控建设的现状和研究开发的动向分析,以及中国环保新形势对环境监控要求分析,我们认为中国的环境监控会朝着环保大系统的方向发展,形成一个以环境监控为核心的环保信息化大系统,从而在新形势下发挥重要作用。

        图3给出了环保大系统的逻辑框架。从图中可以看出,环保大系统有三个层次(三大块):(1)实时环境监控基础设施(由分析仪器和实时数据采集系统构成);(2)环保信息化综合平台;(3)以综合平台为共享载体的、包括监控中心、举报投诉中心、应急指挥中心、业务中心和数据中心的现代环保大系统技术业务体系。

3 环保大系统逻辑框架

        以环境监控为核心的环保大系统代表了潜在的环保需求,符合新形势下环保对环境监控的要求,可以在环境保护中发挥重大作用,因而可以毫不迟疑地说,环保大系统是环境监控的发展大趋势。当然换这样的环保大系统还存在技术上的难题,但是完全可以攻克的。

       中国的环境监控不久会迎来一个全新的格局。

 

1 fryinger,steven p.an integrated environmental information system (ieis) for corporate environmental management,2001,5(4):361-367

2 国家环境保护局.中国环境保护21世纪议程,北京:中国环境科学出版社,1995

3 国家环保总局.污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准hj/t212-2005,2006

4 王桥,徐富春主编.环保信息技术与应用,北京:化学工业出版社,2004


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