聚焦生态文明、生态环境监测和相关传感器

人们在物质文明和精神文明发展的过程中，特别是在工业化和城市化的过程中，对原来纯自然生态如生物的生理特性和生活习性的研究已经觉得很不够了，必须考虑自然环境受到的干扰如人类开发活动等，从而生态学（Ecology）发展出城市生态学、工程生态学及人类生态学等。

生态系统与生态文明建设

二十世纪三、四十年代，Tansley提出了生态系统（Ecosystem）概念，为认识和解决当代的生态问题、环境问题进行了理论准备。生态系统由生产者（如绿色植物）、消费者（如动物）、分解者（如微生物）和非生命物质（无机界）四部分组成。其功能是物质循环和能量流动。随着人口、资源和环境等全球性问题的激化，生态系统的非线性思维方法的进入，出现了举世闻名的国际生物学计划（IBP）和人与生物圈计划（MAB），以及防治荒漠化等一系列计划，使生态系统工程学及各种半人工生态系统、人工生态系统及复合生态系统得到了发展。

有鉴于欧美日等发达国家在经济发展过程中的生态环境资源等方面的经验，我们需要避免“先发展、后治理”的老路，而应进行生态文明建设。文明即当时先进的文化，或者说是具有当代水平的科学和文化，是社会发展到较高阶段的行为准则和物质财富、精神财富的综合体，所以我们应以人为本，按法律、法规及标准办法监测网络，公平、公正、公开，这是我们生态系统文明建设的要求。

生态文明建设涉及众多行业，与监测网络有关的如美国长期生态学研究网络（LTER）、英国环境变化监测网络（ECN）、德国的陆地生态系统研究网络（TERN），亚洲-太平洋地区全球变化研究网络（APN）、亚洲农林复合系统研究网络（APAN）、以及全球性的全球环境监测系统（GEMS）、全球海洋观测系统（GOOS）、全球陆地观测系统（GTOS）、还有全球变化的分析、研究和培训系统（START）等。在我国1988年开始筹建的中国生态系统研究网络（CERN）建设就属于这一类。还有一些其他建设项目或已运行的项目等。虽然这些生态文明建设项目有一定的学术目的，但当下所指的生态环境监测网络建设方案应当涵盖它，或者作顶层设计时要有它们一席之地。

生态环境监测网络建设

根据建设方案要求，首先，到2020年，全国生态环境监测网络基本实现环境质量、重点污染源、生态状况监测全覆盖，各级各类监测数据系统互联共享，监测预报预警、信息化能力和保障水平明显提升，监测与监管协同联动，初步建成陆海统筹、天地一体、上下协同、信息共享的生态环境监测网络，使生态环境监测能力与生态文明建设要求相适应。

其次，全面设点，完善生态环境监测网络。关于环境质量监测点位，建设涵盖大气、水、土壤、噪声、辐射等要素，建立统一的环境质量监测网络；健全重点污染源监测制度，落实信息公开的法定责任，国家重点监控排污单位要建设稳定运行的污染物排放在线监测系统；加强生态监测系统建设。建立天地一体化的生态遥感监测系统，研制、发射系列化的大气环境监测卫星和环境卫星后续星并组网运行，加强无人机遥感监测和地面生态监测，实现对重要生态功能区、自然保护区等大范围和全天候的监测。

再次，全国联网，实现生态环境监测信息集成共享。建立生态环境监测数据集成共享机制，环保，国土资源、住房城乡建设、交通运输、水利、农业、卫生、林业、气象、海洋等部门和单位获取的环境质量、污染源、生态状况监测数据，要实现有效集成、互联共享，建立重点污染源监测数据发布机制，重点排污单位要按照环境保护部门要求将自行监测结果及时上传；构建生态环境监测大数据平台，开展大数据关联分析，提供决策、管理和执法相关数据支持；统一发布生态环境监测信息，建立发布机制，规范发布内容、流程、权限、渠道。

第四，自动预警，科学引导环境管理与风险防范。

第五，依法追责，建立生态环境监测与监管联动机制。

第六，健全生态环境监测制度与保障体系。除法律法规、标准和监测事权、监测市场外，还提出强化监测科技创新能力，如研发具有自主知识产权的环境监测仪器设备，推进监测仪器设备国产化，又如积极开展国际合作，借鉴监测科技先进经验，提升我国技术创新能力，还具体指出提高样品采集、实验室测试分析及现场快速分析测试能力等。对生态环境监测网络建设具体方案，作者提出如下参考意见：

1、对多年来已建成并运行的基层站点，要尽量采用并升级换代。

2、尽量采用先进的网络技术，按照行政区划实行网络化，对省、市、区、村镇应打包提供标准设计和装备，实行政府采购，规范化建设验收，按COTS (Commercial off-the-shelf ）原则选择硬件和软件。

3、采用3S技术（遥感技术RS、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS），其中GIS和GPS更应普遍采用，使其形成的时间标签、地理标签在整个网络中的所有信息上都得到通行。要让遥感技术结合无人机技术，在土地资源、生物资源如农作物、水资源、矿产资源等的调查勘测、动态监测、开发利用和保护等方面都见到实效并普及。

4、生态环境监测网络中运行的各种数据，或称信息类型具有的多样性。由上文已经知道，不仅有一般的站点的物理量或称连续量如温度、压力、流量及浊度、粒度物性分析等数值；还有化学量或分析量，有的是光谱、色谱、质谱，转化后才能成为数值及化学分子式；有的是图像、文学、表格、视频等。获取信息的取样方式也是多种多样的，固定地点的自动连续采样当然是主要形式；但手工方式采样、实验室分析、数值手工录入计算机的方式也很常见；便携式分析仪，车载式测控设备也是一种常用的设备。所以对网络提出了无线传输、多媒体传输等各方面要求，而且对网络应用层的配套软件要求较高。

5、对大数据平台与云计算等应该同时给予充分重视。对于数据库，应以实时数据库和关系数据库并重。硬件、软件均应采用模块化结构，应用软件要采用“组态”方式操作，便于非计算机专业技术人员参与。

6、在监测的同时，不少站点也对监控或污染治理等方面有所要求，这对监测取得数据也是很有利的，所以应该鼓励。下面结合固定源排放废气连续监测等展开叙述，希望这样可为生态环境监测网络建设提供感性认识。

废气和水质等的监测现状

1、固定源排放废气连续监测

由于我国对固定源排放废气中的污染物实行浓度控制和总量控制，所以近十年来，我国安装了1.8万套连续排放监测系统CEMS（Continuous Emission Monitoring System），具体标准有HJ/T75固定污染源烟气排放连续监测技术规范、H5/T76固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法、HJ/T212污染源在线自动监控（监测）系统传输标准，具体监测二氧化硫、氮氧化物和颗粒物，为污染物排放总量考核、监督执法、排污申报核定等工作提供基础数据，提高环境监测和管理水平，也为流程工业企业决定该企业的锅炉、加热炉等燃烧控制等工艺方面的对策提供帮助。

目前我国这方面的制造厂商有近100家并已形成产业，还有成套工程、售后服务，为运行保驾护航的全生命周期提供服务能力。

CEMS系统是完全抽取烟气样品，然后用非分散红外分析仪监测SO2、NOx；其次是直接监测系统和稀释抽取监测系统。国内生产厂和在我国有生产基地或通过我国适用性检测的外国公司有完全抽取-非分散红外法（52家）、直接监测紫外差分吸收法（5家）、稀释抽取-发光法（4家）、颗粒物CEMS、流速（流量）和含湿量连续测量系统（3家）、分析仪多反射长光程吸收池（5家）。近来国内对PM2.5监测仪需求大增。青岛佳明公司等单位已进行了开发；还有对大气中挥发性有机物（VOCs）的监测，也受到了重视。目前还试点燃煤电厂排放烟气中汞的连续自动监测、超声波流速测定仪解决低流速（≤3m/s）烟气测定、适应宽范围气体浓度的测定等项技术，实现由“点末端监控”向“全过程监控”的转变，协调实验室检测项目、便携式仪器检测项目等，适应新形势下对生态文明的要求。

2、水质监测系统

由于环保的要求，水质在线分析仪及系统已经成了环保部门对辖区水质状况进行实施监测的主要手段，已能够实时、连续、稳定、可靠地提供准确、快速的监测数据。作为水质自动监测，还要实行远程监控，达到掌握流域重点断面水体的水质状况、预警预报重大或流域性水质污染事故、解决跨行政区域的水污染事故纠纷、监督总量控制、排放达标情况等目的。在水质自动监控系统网络中，中心站通过卫星和电话拨号两种通讯方式实现对子站的实时监视，托管站也可以通过电话拨号方式实现对所托管子站的实时监控。每个子站是一个独立的水质自动监测系统，一般子站由一台或多台多参数水质自动化分析仪组成，另有固定式子站和流动式子站（拖车-监测小屋）共三种。子站分采水单元、配水单元、分析单元、控制单元、子站站房及配套设施。分析单元即水质在线分析仪表，如广州怡文环境有限公司的EST-WQMS整体柜式水质自幼监测站（如图），具有小型化、模块化、智能化、网络化的特点。一般监测项目有常规五参数分析仪（水温、PH、溶解氧DO、电导率、浊度）、常用监测项目（化学需氧量COD、高锰酸盐指数、总有机碳TOC、氨氮总氮、总磷）、其他监测项目（氟化物、氯化物、硝酸盐、亚硝酸盐、氰化物、硫酸盐、磷酸盐、活性氯、生化需氧量BOD5、石油类、酚、叶绿素、金属离子如六价铬等）等，这些项目国内分析仪生产厂有100多家。

在工业用水中，软化及除盐水处理中，有硬度在线分析仪、二氧化硅在线分析仪；循环冷却水处理中有浊度/悬浮物分析仪；凝结水回用中，有钠离子分析仪等。其中钠离子分析仪监测水汽联合装置化学水系统的阳床运行，克服了实验室分析不够及时的缺点，水处理质量提高并可快速判断床层是否失效。又为了防止在蒸汽冷凝水和冷却水中渗入芳烃化合物，采用如赛默飞世尔公司的AroSpector在线芳烃分析仪，使用脉冲紫外荧光分析法，为我们提供了解决方案。

目前国内在水质自动监测技术发展中，一方面对在线分析仪如COD、TOC、BOD、氨氮、总氮、总磷等仪表，灵敏度、可靠性、新分析方法的采用及商品化程度等还有较大差距；另一方面就是远程测控系统及形成中心站、托管站、托管子站的水质自动监测系统网络中数据传输技术的发展上，还要适应通讯技术进步，实现升级换代，流动式子站应与固定子站同样得到发展。

原污染源排放口一般安装COD在线分析仪，“十二五”期间已进一步安装氨氮在线分析仪及总磷在线分析仪。氨氮浓度及正磷酸盐浓度的控制，已经为污水处理厂工艺优化立下了汗马功劳，目前国内已有30多家企业有认证合格的相关产品。在2003年我国颁布的“氨氮水质自动分析仪技术要求”（HJ/T101-2003）标准中，规定了地表水、工业污水和市政污水的基本电极法和分光光度法的氨氮水质自动分析仪的技术性能要求和性能试验方法。

3、其它

建设网络是基于基础数据赖以立足的实验室的建设，LIMS实验室信息管理系统是必须受到重视的。我们要向钱学森等老前辈一样，为园林园艺、秸秆处理等与生态文明建设有关的事，贡献余热。

生态环境监测相关传感器

上面提到的多为一般检测仪表和分析仪表，当然在这些仪表中都包含了传感器，即使是大型的色谱、质谱仪，其核心部件仍然是其取样和传感器部件。特别是新世纪开始以来提出的过程分析技术（PAT）诸如红外分析等，对“在线分析”的理念加强了普及，使检测的实时性有了很大进步，这使分析适用性有了很大的提高，气敏材料进入了适用阶段，使产品价格降低，普适化有了进步，所以对环境监测技术不只在站点中使用传感器，也为防治污染提供了有效的测量和控制手段。使得传感器需求量扩大，该领域也是传感器产业的大市场。

传感器是人类智能和人工智能两大学科研究的基础。众所周知，智能传感器是人类感觉、知觉的延伸。人类心理学研究可知，感知觉之上最高水平称为观察，这就是我们所说的监察、监测系统......观察是一种为感知觉特定对象而组织的有目的、有计划、必要时需要采用一定方法的高水平感知觉过程。他是一种主动积极的，往往与随意注意及思维相联系的紧张的感知觉过程，观察力一般被认为是智力的重要组成部分之一。所以生态环境监测用传感器必须是智能的，感知觉和观察能力是建立在更加强大的人工智能软件基础之上的，这就是“四两拨千斤”的传感器。