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, 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”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, 7, 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”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, 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。

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3339.56 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”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 研究区域区位图 Fig. 1 Location of the study area of Xilingol League

图选项

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, 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。

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”，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, 14]}。

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-地表水-地下水转化的系统平衡。

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]。

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。

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, 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”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”。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”。

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。

图 2 物联网应用的一般模式 Fig. 2 The application of the Internet of Things

图选项

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 基于物联网的煤电基地监测技术体系框架 Fig. 3 The framework of monitoring based on the IoTs

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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。

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  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 ℃，7月平均气温21 ℃，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   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   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   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   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。

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。

图 4 大气、水环境监测节点 Fig. 4 The atmospheric and the water environment monitoring sites

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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, 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。

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”，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。

图 5 在线监测与分析模拟 Fig. 5 Online monitoring,analysis and modeling

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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。

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]。

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。

(3)提高数据质量   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  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。