大气污染热点网格监测新模式在石家庄环境保护中的应用

文 | 张菲菲 王 玮

1.河北省石家庄环境监测中心 2.石家庄市环境预测预报中心

一、引言

改革开放以来,我国同西方国家一样,也经历了“先污染,后治理”的粗放型发展道路，长期追求经济增长却忽略了环境保护。伴随我国城市化、工业化的发展，大气污染对气候、人类健康产生的消极影响愈发显著，如何减轻大气污染已成为全世界共同面临和亟需解决的问题。区域性大气污染现象，尤其是中国华北地区的重污染过程持续时间之长、影响范围之广、污染程度之重，在全球范围内都是罕见的，对人体健康、生态系统和气候变化构成严重威胁，严重制约我国经济的可持续发展。

国内许多学者对大气污染监测进行了有益尝试。徐祥德等利用遥感、气象、地面观测资料和数值模拟技术,揭示了北京周边地区气溶胶及其污染物排放特征[1]。史同广等利用MODIS数据分析了济南市气溶胶光学厚度时空分布[2]。Li等对一次包含SO2和灰尘的雾霾传送和演化进行了跟踪监测[3]。虽然有些方法取得了令人鼓舞的进展，但方法的应用仍停留在城市尺度，无法达到精准监测、精细化管理的目的。

网格化作为一种新型的管理模式，为大气污染监测的分级负责、条块结合、精细化管理提供了可能。陈红通过借用先进的网格化监测系统，对环境污染以及污染物排放进行实时监测[4]，王春迎等基于大数据对大气网格化监测质控进行了分析，实现了低成本、高稳定、具有相当精度且可自动化运行的网格化监测体系[5]。大气污染网格化治理也在兰州[6]、天津[7]、大连[8]等地进行了初步的探索应用，但均集中在系统的开发和实际应用，依赖于专业技术人员和大量资金，推广性较弱。

石家庄市采用网格化管理结合政府购买服务的模式进行大气污染监测，并进行了实际性应用的相关工作，验证了新模式的适用性。有效贯彻落实了十八届三中全会“推广政府购买服务，凡属事务性管理服务，原则上都要引入竞争机制，通过合同、委托等方式向社会购买”的精神，在推动政府职能转变、提高社会资源利用效率的同时，实现了大气环境精细化、科学化监测，满足环保部门对大气环境监测、环境监督执法等方面的业务需求。

二、服务模式

提出“网格化监测+政府购买服务”的新服务模式，实现大气污染监测。通过第三方搭建大气污染热点网格遥感监控服务平台，进行网格化服务产品的定制和推送，为政府提供稳定、持续的数据产品推送服务及保障，支持环保部门开展大气污染热点及污染源筛选，为大气污染防治监控提供大气污染相关数据产品推送服务支持。

服务流程主要包括几个方面：

1）第三方平台搭建与网格化服务产品生产：政府购买服务的第三方单位搭建服务平台，进行大气污染热点网格监测的服务产品的生产；

2）服务推送及需求反馈：平台将生产好的服务产品推送给环保部门，环保部门接收产品后，根据实际情况，提出进一步需求反馈；

3）平台更新及产品推送：根据需求反馈，分析、研究多源数据获取方式及多源数据融合处理预研、开发，并更新平台，为政府部门提供稳定的、符合实际需求的网格化大气污染监测服务产品。

具体服务流程如图1所示。

图1 服务体系及流程图

1.网格化监测

采用热点网格监测模式，将全市划分成1km×1km网格，定期对全市网格范围内大气污染状况和热异常分布状况等信息进行监控分析，通过对网格内大气污染累积浓度分析、热异常频次累积分析，及时发现污染程度较高的热点网格。针对重点网格区域还可加密监测，通过引入地基监测数据、污染源数据、气象数据、高分影像等进行数据融合与同化，确定重点核查区；形成监测成果专题图或专题报告，并推送给环保监察执法人员。

2.政府购买服务

网格化监测过程采用政府购买服务的方式，引入专业第三方参与大气污染监测，第三方依托APP软件、Web端网页等服务载体，根据业务工作实际需要向相关业务部门推送辖区重点区域大气污染源热点遥感监测成果。实现大气环境污染状况遥感的持续、有效监测工作，提高了网格化的智能水平，引领未来网格化发展的新趋势。该服务模式实现了专业人员做专业事情，在获取较高质量的数据服务的同时，对完成政府及环保部门监查和执法相关职能，促进区域环境改善具有重要意义。一方面政府可以把短期、大规模的一次性投入，转化为长期、稳定的服务采购，解决政府资金短期投入不足的问题；另一方面，采购遥感服务是面向效果付费，使购买服务投入与环境效果的联系更加紧密。该模式主要包括服务提供端和服务应用端。

服务提供端：依托第三方公司平台产品，搭建大气污染热点网格遥感监控及综合服务平台，实现全市大气污染网格化监测。由第三方负责运行和维护平台，负责基于遥感的大气污染监测参数反演模型技术攻关，负责多源遥感数据源的接收处理、大气污染专题参数反演生产、环境监测专题产品生产及发布、服务平台的日常运营维护等工作，为环保部门及政府部门提供持续、有效的大气污染监测产品服务。针对用户在日常及应急模式保障监测数据专题产品的服务推送，支撑用户业务及监控执法开展。

服务应用端：政府业务部门通过多种终端实时接收这些服务产品，并开展业务专题应用。

3.热点网格

大气污染“热点”网格遥感监控，主要是以区域内PM10浓度分布图、PM2.5浓度分布图的专题成果为基础，以1km×1km网格为统计维度，以颗粒物阈值设定的方式，对超过一定颗粒物浓度阈值的网格区域设定为“热点”，并展示“热点”区域分布情况。针对超过阈值浓度的网格数量较多情况，为政府部门提供前50位的“热点”网格区分布。热点网格遥感监测具体技术实现如下：

1）基于PM2.5、PM10浓度分布专题图，进行网格化处理，生产1km×1km 的网格浓度分布专题图。

2）对网格PM2.5、PM10网格浓度进行排序，基于用户设定的浓度阈值和数量，选取浓度值超过阈值的网格，同时结合用户设定的热点网格的数量，选择满足两个条件的网格作为热点。

3）获取“热点”网格的分布及数量，并生产热点网格遥感监测专题图。

4.应用实例

该“网格化监测+政府购买服务”新模式下的大气污染监测在石家庄大气监测中进行了应用。基于2017年10月卫星遥感数据、无人机数据、地基监测数据等多源数据，实现了网格化产品生产和按需推送。大气污染热点网格监测主要提供的服务产品如表1所示。

具体产品包括：

（1）石家庄市PM10浓度分布图

每天一次生产并向政府部门推送石家庄市PM10浓度分布图，图层包括PM10浓度分布、区域边界、重点污染源分布等（见图2、图3）。

图2 PM10浓度分布图（卫星反演）

图3 PM10浓度分布图（地基数据）

（2）石家庄市PM2.5浓度分布图

每天一次生产并向政府部门推送石家庄市PM2.5浓度分布图，图层包括PM2.5浓度分布、区域边界、重点污染源分布等（见图4、图5）。

图4 PM2.5浓度分布图（卫星反演）

图5 PM2.5分布浓度专题图(反距离权重插值)

（3）石家庄市PM10浓度变化分析报告

每周一次生产并向政府部门推送石家庄市PM10浓度变化分析报告，主要内容包括PM10浓度分布，PM10浓度变化，不同浓度PM10覆盖区域面积，区域最高PM10浓度，浓度变化与气候分析等。

（4）石家庄市PM2.5浓度变化分析报告

每周一次生产并向政府部门推送石家庄市PM2.5浓度变化分析报告，主要内容包括PM2.5浓度分布，PM2.5浓度变化，不同浓度PM2.5覆盖区域面积，区域最高PM2.5浓度，浓度变化与气候分析等。

（5）石家庄市大气污染“热点”空间分布专题图

每天一次生产并向政府部门推送石家庄市大气污染“热点”空间分布专题图，内容包括：PM2.5或PM10浓度超过指定阈值的“热点”网格单元分布；针对超过阈值浓度的网格数量较多情况，为政府部门提供前50位的“热点”网格区分布（见图6）。

图6 “热点”空间分布专题图

（6）石家庄市大气污染“热点”空间分布专题报告

每天一次生产并向政府部门推送石家庄市大气污染“热点”空间分布专题报告，内容包括：PM2.5或PM10浓度“热点”专题图；石家庄各区域“热点”数量分布信息以及与地面减排企业分布等相关分析、各“热点”网格具体经纬度信息、“热点”成因分析以及意见建议等内容。

（7）石家庄市大气污染“热点”趋势变化分析专题报告

每周一次生产并向政府部门推送石家庄市大气污染“热点”趋势变化分析专题报告，内容包括：PM2.5或PM10浓度“热点”专题图，“热点”数量变化趋势、“热点”浓度变化趋势，“热点”数量与气候条件关系趋势等内容。

（8）石家庄市重点区域大气污染“热点”分布专题报告

每周一次生产并向政府部门推送石家庄市重点区域大气污染“热点”分布专题报告，内容包括：PM2.5或PM10浓度“热点”专题图，区域内疑似污染源位置信息分布与“热点”分布分析，气象条件与“热点”分布关系，为一线人员进行大气污染源核查执法提供辅助数据支撑。

三、结语

本文对于 “网格化监测+政府购买服务”新模式进行了整体规划设计，基于卫星遥感等新技术实现大气污染网格化监测，并成功在石家庄进行实时应用，建立了条块结合、点线延伸、无缝对接的大气污染热点网格化管理体系，实现区域网格全覆盖，能够在线、实时提供精准监测数据，以满足大气污染防治需求。

未来网格化监测系统的发展空间巨大，随着这一新技术的不断建设和运行，将一举改变过去传统大气污染监控凭经验、凭感觉的粗放式模式，走向网格化、实时化、精准化的科学转变。凭借其可有效确保监测数据科学收集、快速传输、分析精准和及时预警等优点，网格化在线监测系统将在环保工作中大显身手，成为环保监管部门的一把利器，大大提高环境监管的工作效率和能力。