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环保卫士——无人机载大气污染气体监测系统

导读: 近年来,中国大气污染物排放总量呈逐年降低态势,部分污染较严重的城市空气质量有所好转,环境质量劣三级城市比例下降,但空气质量达到二级标准城市的比例也在减少,污染仍然很严重。中国大气污染的主要来源是生活和生产用煤,主要污染物是颗粒物和SO2。

世界卫生组织和联合国环境组织发表的一份报告说:"空气污染已成为全世界城市居民生活中一个无法逃避的现实。"

近年来,中国大气污染物排放总量呈逐年降低态势,部分污染较严重的城市空气质量有所好转,环境质量劣三级城市比例下降,但空气质量达到二级标准城市的比例也在减少,污染仍然很严重。中国大气污染的主要来源是生活和生产用煤,主要污染物是颗粒物和SO2

颗粒物是影响中国城市空气质量的主要污染物,SO2污染也保持在较高水平。老问题还远没解决,新环境污染问题接踵而来。随着机动车辆迅猛增加,中国部分城市的大气污染特征正在由烟煤型向汽车尾气型转变,NOx、CO呈加重趋势,有些城市已出现光化学烟雾现象,全国形成华中、西南、华东、华南多个酸雨区,多地出现雾霾天气、沙尘暴天气.。

大气污染的原因

⑴ 工业企业 工业企业是大气污染的主要来源,也是大气卫生防护工作的重点之一。随着工业的迅速发展,大气污染物的种类和数量日益增多。由于工业企业的性质、规模、工艺过程、原料和产品种类等不同,其对大气污染的程度也不同。

⑵ 生活炉灶与采暖锅炉 在居住区里,随着人口的集中,大量的民用生活炉灶和采暖锅炉也需要耗用大量的煤炭,特别在冬季采暖时间,往往使受污染地区烟雾弥漫,这也是一种不容忽视的大气污染源。

⑶ 交通运输 近几十年来,由于交通运输事业的发展,城市行驶的汽车日益增多,火车、轮船、飞机等客货运输频繁,这些又给城市增加了新的大气污染源。其中具有重要意义的是汽车排出的废气。汽车污染大气的特点是排出的污染物距人们的呼吸带很近,能直接被人吸入。汽车内燃机排出的废气中主要含有一氧化碳、氮氧化物、烃类(碳氢化合物)、铅化合物等。

难以治理的原因

空气质量与我们息息相关,对于大气污染目前社会上已经提出了很多的治理方法,但在治疗过程中依旧存在很多的问题

1) 由于VOCs的种类纷繁复杂,因此其排放来源也有很大差异。

以我们较为熟悉的燃煤为例,不同企业燃煤的使用排放物都为SO?、NO?等,但是不同企业VOCs的排放由于其原料、生产工序的不同就会有多种类型。可能有的企业排放的VOCs以甲酚、二甲酚为主,还有的企业排放的VOCs以酮类为主。这样一来,就会造成大气管控治理较单一污染物更为困难的局面。

2) VOCs各项标准体系还不完善

从我国的大气污染治理历程来看,VOCs问题也是近几年才得到广泛关注。因此,不论是从VOCs的治理技术,相关标准,还是监测技术来说,我国现阶段的各项工作还处于刚刚起步阶段,各项体系还不够完善。

3) 无组织排放的特性,难以管理

众多VOCs的排放来源较其他污染物来说是无组织排放(通俗来讲就是不直接通过烟囱等进行排放),不便于集中收集和治理。

而今天小小砖头要说的是一款监测系统——无人机载大气污染气体监测系统,区别与以往的介绍的监控系统,这一系统主要可以用来解决大气无组织排放,难以管控的特性,从大气治理的源头开始监管。

这一系统通过超光谱成像、凸面光栅精细分光、成像差分吸收光谱(DOAS)、精确控温、基于辐射传输模型的大气质量因子计算等先进技术和方法对于大气污染进行治理。

超光谱成像

近年来,无人机以航拍工具的形象进入大众的视野,然而除了航拍的功能,无人机技术还拥有着巨大的潜能。

当无人机应用于环境监测领域时,它成为了环保部门与企业的一个高效、可视化、精准的溯源和监测工具,克服了过往因人工、地形、数据支撑不足所造成的难题和高成本问题。

无人机能够应用于大气环境监测,主要在于以下三个方面:

1、可见光相机

无人机+可见光云台:可以对监测区域进行拍照、视频,对污染浓度较大的可见性染源如黑烟囱、秸秆焚烧等进行监控。

无人机一边在空中巡查时,能够一边拍摄图片。当无人机飞过可见性较大的污染源时,无人机搭载的云台相机所拍摄的图片能够给大气污染物监测带来辅佐的作用。除了监测数据的支撑外,图片能够为监测人员提供污染源周边实地的、直观的信息。

2、气体传感器

无人机+气体传感器:通过无人机搭载多枚高精度气体传感器(如VOCs、SO2、NO2、PM2.5等),在监测区域进行巡查,采集污染物数据。

传统的气体监测,要获得一个片区的气体浓度,对于人工监测来说是难以实现的。而以无人机搭载气体传感器,配合无人机航线规划的自动飞行,一到两个工作人员在20分钟内就能够获得一平方公里片区内的气体浓度。

3、数据可视化

无人机+监测数据可视化:当无人机在空中进行大气监测采集数据时,大气污染物数据会实时传输到地面软件,通过对污染物浓度高低进行可视化的颜色分层,能够揭示气体污染物的迁移转化规律,有助于科研人员、监察机构、科学直观地判读与分析大气污染情况。原始的飞行数据以Excel文件格式保存,不便于事后的数据分析。

无人机载大气污染气体监测系统系统样机在工业污染区上空 进行了监测,取得了很好的效果。

如上图所示,对重点污染源北疆电厂及唐山南堡三友集团等地区进行梭状推扫测量,北疆电厂未见明显排放,同期的车载DOAS通量测量设备也未测量出排放;识别出唐山三友集团存在较明显的排放。左图为污染区域放大拼图,单次测量地面覆盖约为950m,可较明显的看出污染扩展趋势。

系统优势

本系统的研制瞄准了当前国际先进的痕量气体二维分布在线监测仪器的水平,具有自主知识产权,并实现产业化,可替代进口产品。本系统的核心技术是成像差分吸收光谱,系统由光机部分、温控部分、硬件电路部分、软件部分等组成,适应无人机载平台搭载的特殊要求。

对于主要的污染气体,需要对区域分布其进行精确的测量的原因有两个方面:一方面控制其排放量;另一方面对我们国家的年排放总量进行估计和比较,有利于维护我国的合法权益及长期的环境保护。传统的测量方法包括气相色谱、电化学、紫外光度法、分光光度法等,与之相比,机载超光谱成像差分吸收光谱方法具有实时、高灵敏度、高选择性以及可集成化等一系列特点,可望在这些领域发挥重要的作用。

新的监测技术的发展对我国的产业结构调整和环保高技术产业的形成将产生较大的推动。若依靠引进国外监测仪器,由于投资和运行费用过高,难以满足我国环境控制质量和污染源监测的需要。机载大气污染气体监测系统主要应用于大气环境科学和气象科学研究、全球气候变化研究、大气污染突发事件应急等领域,实现预定目标将可产生客观的经济和社会效益。

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