全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员员期摇 摇 圆园员源年 远月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
土壤大孔隙流研究现状与发展趋势 高朝侠袁徐学选袁赵娇娜袁等 渊圆愿园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
能源基地生态修复
我国大型煤炭基地建设的生态恢复技术研究综述 吴摇 钢袁魏摇 东袁周政达袁等 渊圆愿员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
国家大型煤电基地生态环境监测技术体系研究要要要以内蒙古锡林郭勒盟煤电基地为例
魏摇 东袁全摇 元袁王辰星袁等 渊圆愿圆员冤
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基于 阅孕杂陨砸模型的国家大型煤电基地生态效应评估指标体系 周政达袁王辰星袁付摇 晓袁等 渊圆愿猿园冤噎噎噎噎
西部干旱区煤炭开采环境影响研究 雷少刚袁卞正富 渊圆愿猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
露天煤矿区生态风险受体分析要要要以内蒙古平庄西露天煤矿为例 高摇 雅袁陆兆华袁魏振宽袁等 渊圆愿源源冤噎噎噎
草原区矿产开发对景观格局和初级生产力的影响要要要以黑岱沟露天煤矿为例
康萨如拉袁牛建明袁张摇 庆袁等 渊圆愿缘缘冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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三七对土壤中镉尧铬尧铜尧铅的累积特征及健康风险评价 林龙勇袁阎秀兰袁廖晓勇袁等 渊圆愿远愿冤噎噎噎噎噎噎噎
某焦化场地土壤中多环芳烃分布的三维空间插值研究 刘摇 庚袁毕如田袁权摇 腾袁等 渊圆愿苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
杉木人工混交林对土壤铝毒害的缓解作用 雷摇 波袁刘 摇 彬袁罗承德袁等 渊圆愿愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 啄员缘晕稳定同位素分析的人工防护林大型土壤动物营养级研究 张淑花袁张雪萍 渊圆愿怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎
铅镉抗性菌株 允月员员强化植物对污染土壤中铅镉的吸收 金忠民袁沙摇 伟袁刘丽杰袁等 渊圆怨园园冤噎噎噎噎噎噎噎
陕北地区石油污染土壤中不动杆菌属的筛选尧鉴定及降解性能 王摇 虎袁吴玲玲袁周立辉袁等 渊圆怨园苑冤噎噎噎噎
祁连山高山植物根际土放线菌生物多样性 马爱爱袁徐世健袁敏玉霞袁等 渊圆怨员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆沙冬青 粤酝和 阅杂耘真菌的空间分布 姜摇 桥袁贺学礼袁陈伟燕袁等 渊圆怨圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
聚糠萘水剂对不同积温带玉米花后叶片氮同化的影响 高摇 娇袁董志强袁徐田军袁等 渊圆怨猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古河套灌区玉米与向日葵霜冻的关键温度 王海梅袁侯摇 琼袁云文丽袁等 渊圆怨源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
四种类型栓皮栎栲胶含量 尹艺凝袁张文辉袁何景峰袁等 渊圆怨缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
食物胁迫对翅二型丽斗蟋飞行肌和繁殖发育的影响 吴红军袁赵吕权袁曾摇 杨袁等 渊圆怨远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
颜色对梨小食心虫产卵选择性的影响 杨小凡袁马春森袁范摇 凡袁等 渊圆怨苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
缓释单萜类挥发物对落叶松毛虫行为及落叶松主要防御蛋白的影响 林摇 健袁刘文波袁孟昭军袁等 渊圆怨苑愿冤噎噎
种群尧群落和生态系统
黄土丘陵沟壑区不同植被恢复格局下土壤微生物群落结构 胡婵娟 袁郭摇 雷 袁刘国华 渊圆怨愿远冤噎噎噎噎噎噎
刺参池塘底质微生物群落功能多样性的季节变化 闫法军袁田相利袁董双林袁等 渊圆怨怨远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 阅郧郧耘技术的茯砖茶发花过程细菌群变化分析 刘石泉袁胡治远袁赵运林 渊猿园园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
中国区域间隐含碳排放转移 刘红光袁范晓梅 渊猿园员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
西南地区退耕还林工程主要林分 缘园年碳汇潜力 姚摇 平袁 陈先刚袁周永锋袁等 渊猿园圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
青海湖流域草地植被动态变化趋势下的物候时空特征 李广泳袁李小雁袁赵国琴袁等 渊猿园猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
黑龙江省温带森林火灾碳排放的计量估算 魏书精袁罗碧珍袁孙摇 龙袁等 渊猿园源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
三峡库区森林植被气候生产力模拟 潘摇 磊袁肖文发袁唐万鹏袁等 渊猿园远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
三峡水库支流拟多甲藻水华的形成机制 朱爱民袁李嗣新袁胡摇 俊袁等 渊猿园苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
流域库坝工程开发的生物多样性敏感度分区 李亦秋袁鲁春霞袁邓摇 欧袁等 渊猿园愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于集对分析的京津冀区域可持续发展协调能力评价 檀菲菲袁张摇 萌袁李浩然袁等 渊猿园怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
江西省自然保护区发展布局空缺分析 黄志强袁陆摇 林袁 戴年华袁等 渊猿园怨怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
鄱阳湖生态经济区生态经济指数评价 黄和平袁彭小琳 袁孔凡斌袁等 渊猿员园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于有害干扰的中国省域森林生态安全评价 刘心竹袁米摇 锋袁张摇 爽袁等 渊猿员员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿圆愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿缘鄢圆园员源鄄园远
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 三峡库区森林植被要要要三峡地区属亚热带区域袁山高坡陡尧地形复杂尧物种丰富袁森林是其最重要的自然资源之一袁
其面积占到库区总面积的 猿苑豫左右袁库区内现有森林可初步分为 圆 个植被型组袁愿 个植被型袁员愿 个群系组袁源源 个群
系袁员园圆个群丛袁主要树种有马尾松尧杉树尧柏树等袁低海拔处多为落叶阔叶林尧常绿阔叶林袁较高海拔分布有针阔混交
林尧针叶混交林尧灌木林等袁人工林主要有经济林尧竹林等遥 对三峡库区森林气候生产力进行模拟袁分析库区森林植
被的生产力并进行预测袁可以为三峡库区的生态建设决策提供科学依据遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 11 期
2014年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.11
Jun.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家科技支撑计划课题“国家大型能源基地格局生态效应评估与决策支持技术研究及应用冶(2012BAC10B01)
收稿日期:2013鄄08鄄19; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄07
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: yquan@ iue.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201308192112
魏东,全元,王辰星,付晓,周政达,王毅,高雅,吴钢.国家大型煤电基地生态环境监测技术体系研究———以内蒙古锡林郭勒盟煤电基地为例.生态
学报,2014,34(11):2821鄄2829.
Wei D, Quan Y, Wang C X, Fu X, Zhou Z D, Wang Y, Gao Y, Wu G.The ecology and environment monitoring technical systems in national large鄄scale
coal鄄fired power base: a case study in Xilingol League, Inner Mongolia.Acta Ecologica Sinica,2014,34(11):2821鄄2829.
国家大型煤电基地生态环境监测技术体系研究
———以内蒙古锡林郭勒盟煤电基地为例
魏摇 东1,3,全摇 元2,3,*,王辰星2,3,付摇 晓2,周政达2,3,王摇 毅2,3,高摇 雅2,3,吴摇 钢2
(1. 中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室, 厦门摇 361021;
2. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域国家重点实验室, 北京摇 100085; 3. 中国科学院大学,北京摇 100049)
摘要:随着我国煤电基地建设进程的不断加快,煤电基地建设与开发活动引起的环境问题也日趋严重。 了解生态环境质量现
状,评估其对生态系统与人民健康水平的影响,制定合理的保护、治理、恢复策略是煤电基地环境保护工作的重中之重,而生态
环境监测是解决上述问题的基础。 然而,现有的监测技术体系普遍存在自动化水平较低、成本较高、时空覆盖面较低等问题。
鉴于物联网技术在提高信息采集效率和改善信息获取方式方面的作用日益显著,所以将物联网技术应用于煤电基地生态环境
监测,从感知层、传输层、支撑层、应用层、用户层的角度明确生态环境监测技术体系,为解决上述问题提供有效途径。
关键词:煤电基地;生态环境监测;物联网
The ecology and environment monitoring technical systems in national large鄄scale
coal鄄fired power base: a case study in Xilingol League, Inner Mongolia
WEI Dong1,3, QUAN Yuan2,3,*, WANG Chenxing2,3, FU Xiao2, ZHOU Zhengda2,3, WANG Yi2,3, GAO Ya2,3,
WU Gang2
1 Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China
2 State Key of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: As the construction of coal鄄fired power bases in China accelerates, the amount of ecological damage and
environmental pollution caused by this and their subsequent operation and servicing becomes more serious. It should be a
priority to establish the ecological and environmental risks posed by coal鄄fired power bases, to assess their impact on
ecosystems and human health, and to develop reasonable strategies for the protection, governance, and restoration of the
environment. A sustained and methodical program of ecological and environmental monitoring is the basis for solving these
problems. However, currently, the monitoring of technical systems still presents several operational shortcomings, such as
low levels of automation, high operating costs, and poor spatial and temporal coverage. At the same time, significant
developments in the Internet of Things are improving both the production efficiency of data collection and the way in which
data are captured. Accordingly, we believe that the Internet of Things could be one of the more effective ways of solving the
problems inherent in the current monitoring of technical systems, in respect of the sensing layer, transport layer, supporting
layer, application layer, and client layer. For the study area in the current work, we used Xilinguolemeng in Inner
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Mongolia, an area that is rich in coal resources and one of the principal regions for coal鄄fired power base operation in China.
To obtain the reference information regarding the problems of the atmospheric environment, meteorological data, surface
water, groundwater, and soil environment, we needed to deploy the appropriate number of relevant sensors around the study
area, after having established the principles for selecting the most suitable sensors. The data were transferred to the central
platform via wireless sensor networks and the general packet radio service. Then, we analyzed these data and determined the
state of the ecological systems and environmental pollution. At the same time, the platform provided the following functions:
monitoring of environmental quality, environmental impact assessment, environmental management and decision鄄making
support, ecological efficiency analysis, and environmental emergency response. The government, especially the
environmental protection department, and the company can both easily obtain ecological and environmental information
using a technical system based on the Internet of Things. The advantages of the Internet of Things system are as follows.
First, it provides a large amount of high鄄quality data on the ecology and environment because of the avoidance of errors
caused by manual operation. Second, the data are available for analysis in near real time. This means that problems can be
identified quickly and that data are handled online, such that the builders and managers can respond quickly, helping in
the implementation of ecological restoration and environmental protection policies and measures. Finally, the cost of
monitoring and management is reduced. Therefore, technical systems for the ecological and environmental monitoring of
national large鄄scale coal鄄fired power bases, which are based on the Internet of Things, can satisfy the requirements for
providing high鄄quality ecological and environmental data at relatively low cost. Because of the large number of coal鄄fired
power bases, ecological and environmental monitoring based on the Internet of things, offers the advantages of low cost,
high precision, high universality, and widespread appeal.
Key Words: coal鄄fired power base; environment monitoring; the internet of things
摇 摇 近年来,随着能源基地建设规模的不断扩张,区
域生态环境压力逐渐增加,保护生态环境成为能源
化工基地能否实现可持续发展的重大问题[1]。 了解
能源基地生态环境状况,分析找出能源基地生态环
境的主要问题,并在此基础上提出加强基地生态环
境建设的有效对策措施是缓解生态压力解决环境问
题的关键,而对煤电基地的生态系统和环境监测工
作是获取建设开发活动对生态环境影响信息的最为
有效的途径[2鄄3]。 因此,科学、合理的生态环境监测
技术体系能够为研究大型能源基地的开发过程中生
态系统演变的机制、自然环境变化的规律提供坚实
的数据基础,进而使能源基地的建设开发能与生态
系统、自然环境协调发展。
“十二五冶期间,我国将重点建设 14 个大型煤炭
基地,同时依托煤炭基地资源优势,将在蒙、新、晋、
陕、甘、宁、黔等省(自治区)建设 16 个大型煤电基
地,包括:山西(晋东南、晋中、晋北)、陕北、彬长、宁
东、准格尔、鄂尔多斯、锡林郭勒、呼伦贝尔、霍林河、
宝清、哈密、准东、伊犁、淮南、陇东以及贵州[4]。 煤
电基地生态环境监测是保护当地生态系统和环境质
量的基础。 煤电基地的建设与开发产生了一系列生
态系统破坏与环境质量恶化的问题,如生产排放对
水体的污染,煤粉、扬尘对空气质量的影响,排土场
的植被恢复等。 生态环境监测是通过先进的监测技
术和监测方法,对环境污染现状进行正确的评价,为
煤电基地建设开发者和当地环境管理者制定环境保
护政策、推行控制措施提供参考[5]。
物联网对社会经济发展各方面的影响日渐凸
显[6鄄8]。 由于其理念与技术上的先进性,以及能够与
环保技术相互促进的特点,使物联网在生态环境保
护领域拥有较大的应用空间和发展前景。 国家工信
部在 2012年 2 月发布的《物联网“十二五冶发展规
划》中明确指出了物联网技术在环境领域中的地位
和重要性。 环境物联网的出现则为研究、解决生态
环境问题提供了全新的思路,并且基于环境物联网
也开发出了众多集成度较高的工具[9鄄10]。
科学、全面的生态环境监测体系有助于深刻认
识煤电基地的建设开发活动对生态系统的破坏与环
境质量的影响,基于对物联网和生态环境监测体系
的全面了解,本文提出了基于物联网技术的煤电基
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地生态环境监测技术体系的设计方案,并从感知层、
传输层、支撑层、应用层、用户层的角度,论述了利用
物联网技术在煤电基地进行生态环境监测的技术体
系的具体方法与监测成本低、数据质量高的优势,有
一定的推广价值。
1摇 研究区概况
内蒙古锡林郭勒盟煤电基地位于内蒙古锡林郭
勒盟东北部,包括锡林浩特市、阿巴嘎旗、东乌珠穆
沁旗(含乌拉盖管理区)和西乌珠穆沁旗 4 市(旗),
总面积为 114364 km2 (图 1),其中矿区总面积
3339郾 56 km2。 基地围绕其内部七大矿区(胜利、五
间房、巴彦宝力格、查干淖尔、白音华、贺斯格乌拉和
乌尼特矿区),以煤炭集中综合开发为主,加快大型
高效煤矿建设,到 2015 年,使七大矿区的煤炭生产
能力达到 26480万 t / a。 同时,由七大矿区的坑口火
电集群组成,根据煤矸石和劣质煤资源条件建设一
批煤矸石电厂和热电厂,所发电力均接入蒙西电网。
根据《锡林郭勒盟电源基地开发规划》,按照
“煤为基础、多元开发、循环发展、高效集约冶的发展
思路,充分发挥资源、区位、环境、政策等优势条件,
实现能源科学、合理、有序开发利用,将锡盟建设成
为国家重要的绿色能源基地。
图 1摇 研究区域区位图
Fig.1摇 Location of the study area of Xilingol League
2摇 煤电基地建设造成的主要环境问题
煤电基地的建设与开发,为社会发展带来经济
效益的同时,也带来诸多生态环境问题[11鄄12],包括生
态系统的严重退化和环境的严重破坏。 主要表现在
地表水、地下水、大气质量、土壤环境问题这 4 个
方面。
2.1摇 地表水环境问题
地表水是指存在于地壳表面,暴露于大气中的
水,亦称“陆地水冶,是人类生活用水的重要来源之
一。 煤电基地建设造成的地表水环境问题主要表现
在以下几个方面:(1)煤炭资源的开采、运输、转化、
利用过程中产生的大量废水和废渣,往往不经过处
理直接排入河道,造成地表水严重污染;(2)露天开
采会改变地表河流的原有流向,使河流出现水源枯
竭、断流等现象,从而导致地表植被枯萎等环境问
题,严重时造成土地沙漠化;(3)露天开采的过程中
采出的大量废石、煤矸石等,直接堆放在排土场中,
长期暴露于露天环境中的废石和煤矸石,在雨水冲
刷和风力侵蚀下,岩石极易发生风化、分解等不同程
度的物理和化学变化,溶解于地表水系中,使水体中
含有不同程度的悬浮物、溶解物、重金属离子及放射
性物质并使水体酸化,从而污染地表水进而污染地
下水资源[13鄄14]。
2.2摇 地下水环境问题
地下水是存在于地下多孔介质中的水,地下水
因其供水稳定水质良好往往是农业灌溉、工矿企业
以及城市生活用水的重要水源。 煤电基地建设开发
导致的地下水环境问题主要表现在水质污染与地下
水水位下降两个方面[15]。
在水质污染方面,露天开采过程中露天煤矿排
土场的淋溶水、工业场地产生的生活污水以及矿坑
涌水对地下水环境均具有较大的污染。 排土场的煤
矸石中富含碱金属、碱土金属和硫等污染物,大气降
水对煤矸石中的无机盐类产生淋溶效应,含无机盐
类的淋溶水流入地表水体,通过地表水河床和土壤
渗透渗入地下含水层,严重污染地下水体。 工业场
地的生活污水和矿坑涌水也是对地下水环境污染较
为严重的排放污水,其主要污染因子为石油类污染
物、悬浮颗粒物和化学需氧量等,绝大多数排放的污
水没有经过处理而直接排放,将对污水受体土壤和
地表植被产生较大影响,通过透水地面和土壤渗入
地下也会造成地下水的严重污染。
在地下水水位下降方面,为保证露天矿边坡的
稳定性和设备正常高效的作业,需要对采矿区内的
水资源进行疏干排水,这将对地下水水位的补给造
成严重影响,打破了大气降水鄄地表水鄄地下水转化的
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系统平衡。
2.3摇 大气环境问题
大气环境问题的产生原因多种多样,就煤电基
地建设开发现状来看,大气环境污染物主要包括:
(1)露天开采过程中表层剥离、爆破、铲装、运输、卸
载、排土过程中产生的粉尘与煤尘;(2)储煤场产生
的粉尘;(3)煤矸石以及灭火区自燃产生的一氧化
碳、二氧化硫和氮氧化物等有毒有害气体[16]。
2.4摇 土壤环境问题
由煤电基地建设开发活动带来的主要土壤环境
问题为:
(1)煤炭开采尤其是露天开采对土地资源的
侵占
露天开采因其资源利用率高、贫化率低等优势
适宜于浅层煤区,然而露天开采需要占用大量土地
进行土方剥离,露天开采工程对土地的直接挖损和
外排土场对土地压占情况极为严重。 由露天开采导
致的土地占用,造成原有土地变成了选煤场、厂房、
排土道路、运煤铁路、供电线路及排水管道等矿工用
地,对土地功能格局造成破坏。 煤炭资源开采对地
表形态、生物种群以及浅部地层的直接损毁也相当
严重,通过土地占压与土地挖损将造成土地表层植
被的严重破坏,而此区域原本稳定的生态系统必将
受到严重干扰,造成植被、地貌、生态系统以及社会
环境的大变化。
(2)煤炭开采行为造成的水土流失
表土剥离会使原有的植被枯萎,造成土地沙漠
化,导致严重的水土流失。 煤炭开挖也会引起地应
力的改变,从而导致岩层的移动,使地表出现裂隙,
甚至塌陷,使大片的土地无法使用。
(3)矿渣造成的土壤重金属污染
矿渣中含有较多的重金属离子镉、铬、铅、铜、
锌、金、汞等,以及大量的有害无机物和有机物(氰化
物、挥发酚、矿物油等),矿区往往缺乏相应的污染防
护措施,受到雨水冲刷和淋浸作用,直接渗透进入地
表土壤,造成表层土的重金属污染。 随矿渣堆放时
间的增长,进而也危害的深层土壤土质。
3摇 基于物联网的煤电基地生态环境监测技术体系
设计
随着煤电基地建设开发活动引起环境问题日益
突出,传统生态环境监管模式已不能满足环境管理
工作对信息处理的需要,环境管理者不仅需要实时、
动态掌握资源环境信息,而且需要全面、持续不断获
取变化信息,从而得到环境信息和与发展相关的变
化信息的实时、动态的监测,以确保可持续发展所需
的信息提供。 将物联网技术应用于环境监测领域正
是解决这个问题的有效途径[17鄄18]。
物联网概念自 1999 年于 MIT问世以来,随着技
术的不断进步,在经济社会领域的影响力不断扩大,
呈现出蓬勃的发展趋势。 2005年 11月,国际电信联
盟(ITU)发布了《ITU 互联网报告 2005:物联网》,该
报告阐述了物联网为社会进步服务的可能性,并提
出了任何时间、任何地点、任意物体之间互联的理
念[19]。 此外,该报告还指出无所不在的网络和无所
不在的计算的发展愿景,以及射频识别技术、传感器
技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应
用。 在我国,2009年 8 月,温家宝总理提出启动“感
知中国冶建设;2009 年 11 月,在温家宝总理题为《让
科技引领中国可持续发展》的重要讲话中,物联网被
列为国家五大新兴战略性产业之一;2010 年 3 月,
《政府工作报告》中对物联网进行的注释为:“物联
网是指通过信息传感设备,按照约定的协议,把任何
物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实
现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
它是在互联网基础上延伸和扩展的网络冶。 并指出
“要大力发展新能源、新材料、环境保护、生物医药、
信息网络和高端制造产业,加快物联网的研发应用,
加大对战略性新兴产业的投入和政策支持冶。
图 2摇 物联网应用的一般模式
Fig.2摇 The application of the Internet of Things
由物联网技术在环境领域应用的一般模式可以
看出(图 2)根据用户需求、物联网的感知层一般是
由各种监测设备,获取生态环境数据或者环境质量
数据,例如大气、水质、噪声等环境质量数据,通过有
线、无线的通信技术将数据发送至平台,平台一则对
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数据进行存储管理、二则根据应用需求,对数据进行
量化分析,为满足应用目的提供相应的服务。
本文根据煤电基地建设活动对生态环境监测的
基本需求,结合物联网技术在生态环境应用中的一
般模式,提出了基于物联网的煤电基地生态环境监
测技术体系(图 3)。
图 3摇 基于物联网的煤电基地监测技术体系框架
Fig.3摇 The framework of monitoring based on the IoTs
3.1摇 感知层
感知层在物联网中的作用为采集、识别信息,其
主要解决监测系统实时、实地数据获取的问题。
3.1.1摇 传感器选择
合适的前端传感设备的选择是感知层构建的一
个非常重要的环节[20]。 传感器的选择重点考虑以
下五点原则:
(1)稳定性优先摇 传感器的布设位于露天的矿
场周边,传感器的选择应充分考虑防水、防尘、防冰
冻、防雷等要求。 研究区冬寒夏炎,1 月平均气温
-20 益,7月平均气温 21 益,传感器的有效工作温度
应至少大于这一范围。
(2)灵敏度与精度适当摇 虽然通常使用者希望
传感器具有更高的灵敏度,一般情况下,只有在灵敏
度较高时,与被测量信息变化相对应的输出信号的
值会比较大,有利于信号处理。 然而值得注意的是,
传感器的灵敏度越高,与被测量信息无关的外界干
扰也越容易混入,并被放大系统放大,严重影响测量
精度。 因此,传感器的选择应在满足精度的条件下,
适当降低对灵敏度的要求。
(3)具体性能要满足国家标准摇 传感器的选择
过程中应基于传感器的原理,先确定何种类型的传
感器,再根据国家标准的要求考虑传感器的具体性
能指标。
(4)通用性原则摇 选择传感器时,应当选择兼容
性、可扩展性较好的产品。
(5)经济性原则摇 水、土、气、声等多重环境要素
的共同监管对传感器的需求量较大,因此在选择传
感器的时候要选择价格适中,适于大量使用的传
感器。
表 1 给出了传感器选择的具体参数标准等。
3.1.2摇 感知场的形成
感知场是感知节点的有机结合,并包含其内在
拓扑结构的网络。 基于物联网的煤电基地生态环境
监测技术体系感知场的构建涉及监测设备、数据传
输技术、应用目的等多方面的内容,关键在于科学、
高效地部署监测设备,制定合理的监测方案,形成大
气环境、水环境(图 4)、土壤环境的监测网络。 在具
体的部署中,首先要遵循国家关于大气、地表水与地
下水、土壤环境监测的相关法规与标准,其次根据监
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测目的、实际环境布设监测点,并进行节点优化,形 成稳定、高效的感知场。
表 1摇 传感器选择
Table 1摇 Sensors
监测要素
Monitoring elements
监测指标
Monitoring indexs
监测仪器及说明
Explanation
气象环境监测传感器
Meteorology
温度、湿度、降雨量、风速、风
向等
气象环境监测的方式是在研究区内设置小型气象站,要求气象站可在
-45—60 益温度范围内工作,监测项目包括风速、风向、温度、湿度、大
气压力、降水量等
大气环境监测传感器
Atmosphere
SO2、氮氧化物、颗粒物
空气质量监测传感器要求其能够在-20—50 益温度范围内工作,精度
达到 ppb级,防护等级 IP55,需适宜户外安装
土壤环境监测传感器
Soil 土温、土湿、重金属
土壤环境监测设备要求可以监测土壤温度、湿度、盐度等参数,其中土
壤温度传感器精度达到依0.3 益,土壤盐度传感器精度达 3%
水体环境监测传感器
Water
pH、溶解氧、温度、浊度、铵 /氮
离子
水质监测设备要求能够监测常见的参数,且能够对水质的异常变化实
时预警,可连接无线网络等
图 4摇 大气、水环境监测节点
Fig.4摇 The atmospheric and the water environment monitoring sites
3.2摇 传输层
传输层是指通过无线局域网、无线传感网络、互
联网等多种网络媒介,构建监测系统的网络平台,将
感知层采集的信息实时准确地传递至信息数据中
心,进而实现对数据统一的整理、汇总、分析等。 这
些常用的技术有射频识别技术(RFID)、产品电子代
码技术(EPC)、无线传感器网络(WSN)、WiFi、GPRS
等[21鄄22]。 根据所要采集的生态环境信息及传输距
离,一般采用 GPRS通信技术进行数据传输。
GPRS技术是通用分组无线服务技术(General
Packet Radio Service)的简称,它是 GSM 移动电话用
户可用的一种移动数据业务。 GPRS 和以往连续在
频道传输的方式不同,是以封包(Packet)式来传输,
因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计
算,并非使用其整个频道,理论上成本较低。 由于其
基站设施为大型电信运营商广泛架设,因此可用于
远距离跨区跨城市的传感器数据传输。
3.3摇 支撑层鄄监测平台
支撑层,即基于物联网监测技术体系的监测平
台,其作为监测系统的核心与“大脑冶,主要内容是通
过建设相关的数据库对传输到数据中心的环境信息
进行存储与分析,其主要功能是感知层通过传感器
将环境信息通过传输层发送回支撑层的数据中心,
建设监测体系的数据库,并开发相应的软件,实现相
应的功能(图 5)。
具体功能包括:(1)在线监控与实时分析,(2)
长期观测,(3)模拟预测,(4)辅助决策。
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图 5摇 在线监测与分析模拟
Fig.5摇 Online monitoring, analysis and modeling
3.4摇 应用层
应用层是将支撑层数据分析的结果与实际相结
合,来解决实际的环境问题,提供科学、合理的解决
方案。
(1)环境质量监测
基于物联网的环境监测体系可形成研究区内较
为完备的水环境、土壤环境、大气环境监测系统,便
于我们及时、全面地掌握相关的环境信息。
(2)环境影响评价
环境影响评价的应用表现在:一是基于物联网
的质量监测体系可以为环境影响评价提供完备的环
境质量信息等资料;二是可以对环境影响评价的结
果进行可视化与深层次地分析。
(3)环境管理与决策
基于物联网的环境监测体系的最终目的是实现
研究区内环境科学管理与正确决策。 因此,通过环
境监测体系可以及时发现示范区内存在的环境问
题,进而找出解决这些问题的方法等。
(4)生态环境效应分析
生态环境效应的分析需要结合示范区内开发活
动与生态环境变化的相关信息,基于物联网的环境
监测体系为这一应用提供了切实可用的平台。
(5)环境应急响应
基于物联网的环境监测体系可在环境突发事故
发生时及时获取相关环境信息,迅速做出反应,如锁
定污染源、模拟污染扩散等。
3.5摇 用户层
用户层的含义是政府环境管理部门、研究区内
相关企业、科研院所以及一些民间环保组织均可以
通过应用层提供的相关服务来满足自身不同的需
求。 如政府环境管理部门,借助支撑层的环境监测
数据的分析结果,对相应的环境危害进行全面地评
估,及时调整环境管理的目标,采取有针对性的环境
管理政策工具等。 而研究区内的企业,通过监测系
统的分析结果,正确评估开发、建设活动对生态环境
的影响,及时调整、遏制对环境产生负外部性的经济
活动,保证生态系统健康[23]。
4摇 结论与讨论
本文基于物联网建立了煤电基地生态环境监测
技术体系,与传统的生态环境监测手段相比,使用物
联网进行生态环境监测有如下的优势:
(1)煤电基地建设项目所涉及的环境要素种类
繁多,环境问题复杂,需要进行大范围、长时间的生
态环境监测,积累丰富的生态环境信息。 而传感器
节点具有体积小、数量大、分布密度高,每个节点可
以监测到局部环境的详细信息并汇总到汇聚节点,
因此利用物联网进行生态环境监测具有数据采集量
大和精度高的特点。
(2)传感网络节点本身具有计算能力和信息处
理能力,可以根据环境的变化进行较为复杂的监测,
并可进行多节点、多类型传感器之间的信息融合和
协同处理。 生态环境监测的环境要素涉及大气、土
壤、地表水等,网络节点通过前端处理。 可实现多种
环境要素融合,与实际应用更加契合。 同时网络的
健壮性和抗毁性可以满足特定环境下的应用需求。
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(3)提高数据质量摇 首先,避免了诸多人工操作
导致的数据质量低、误差大的问题;其次,丰富的数
据量,为分析实际问题奠定了坚实的基础。 现场采
集的数据可通过中间节点进行(路由)传送,在不增
加功耗和成本的前提下可提高系统性能。
(4)节约了监测成本摇 实现了政府、企业环境管
理的精细化。 如锡盟煤电基地排土场的喷灌系统,
通过气象传感器、土壤湿度感器等,实现了喷灌的自
动控制,实现了水资源的高效利用,节约环保投入的
同时,提高环境管理水平。
基于物联网的煤电基地生态环境监测技术体
系,能够满足煤电基地建设与开发活动生态环境监
测的需求,并能保证以相对较低的监测成本,获得数
据质量较高的生态环境监测信息。 本文构建的监测
体系可以实现监测数据的实时分析和在线分析,以
便建设者和管理者能够及时的做出响应,有助于生
态恢复和环境保护政策、措施的推行。 同时由于基
于物联网的大型煤电基地生态环境监测系统低成
本、高精度等优势,使其在能源基地和煤电基地的建
设开发过程中具有较高的普适性和推广价值。
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
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编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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主摇 摇 编摇 王如松
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