基于calpuff和feps模型的秸稈焚燒煙羽擴(kuò)散模擬

基于calpuff和feps模型的秸稈焚燒煙羽擴(kuò)散模擬

近年來(lái)，中國(guó)采取了大量措施來(lái)減少對(duì)農(nóng)業(yè)和小麥的燃燒，但這種焚燒現(xiàn)象仍然難以控制。隨著大量pm、有機(jī)碳、氮、苯和二環(huán)芳烴等有害氣體燃燒，不僅危害人類健康，而且污染嚴(yán)重。2007年5月，中國(guó)北方和江淮流域的主要糧食產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)了大規(guī)模的稻草焚燒，這顯著降低了北京和周邊城市的相對(duì)濕度。從9月14日到8月18日，由于大量燃燒稻草，成都國(guó)家執(zhí)行局無(wú)法取消10個(gè)訂單，22個(gè)港口的延誤延誤，1000多名乘客被安置在港口。目前國(guó)內(nèi)秸稈焚燒的研究主要有遙感對(duì)秸稈焚燒的監(jiān)測(cè)、排放因子的試驗(yàn)研究以及排放清單的估算等,但很少對(duì)污染物的擴(kuò)散進(jìn)行模擬.祝斌等對(duì)農(nóng)作物秸稈燃燒時(shí)PM2.5排放因子進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并分別對(duì)水稻、小麥和玉米等農(nóng)作物秸稈在明火和悶火狀態(tài)下的燃燒情況進(jìn)行了試驗(yàn),測(cè)定了燃燒過(guò)程中PM2.5的排放因子.王書肖等采用排放因子法,建立了我國(guó)秸稈露天焚燒一次大氣污染物的排放清單,并分析了其時(shí)間和空間的分布特征.厲青等利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)了2007年6月全國(guó)秸稈焚燒狀況,并以某市為例,結(jié)合氣象資料分析秸稈焚燒對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響.方萌等介紹了“3S”技術(shù)在農(nóng)作物秸稈焚燒監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的一般原理和方法,同時(shí)還介紹了國(guó)家衛(wèi)星氣象中心近年來(lái)采用“3S”技術(shù)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物秸稈焚燒的概況.國(guó)外對(duì)于秸稈焚燒的研究除了有對(duì)排放因子的計(jì)算、遙感的監(jiān)測(cè)外,還有對(duì)焚燒過(guò)程中產(chǎn)生污染物的擴(kuò)散進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬.JAIN等對(duì)太平洋海岸西北部秸稈焚燒的煙氣擴(kuò)散預(yù)測(cè)系統(tǒng)(ClearSky)進(jìn)行了介紹,ClearSky是數(shù)值煙氣擴(kuò)散預(yù)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)確定秸稈焚燒情景,利用MM5中尺度氣象預(yù)測(cè)模型和CALPUFF模擬系統(tǒng),模擬秸稈焚燒產(chǎn)生的PM2.5濃度擴(kuò)散情況.CHOI等利用CALPUFF/CALMET/MM5模擬系統(tǒng),對(duì)美國(guó)墨西哥邊境秸稈焚燒排放的PM10濃度進(jìn)行了擴(kuò)散模擬,并與PM10的相關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比.據(jù)秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)發(fā)布的2009年全國(guó)秸稈焚燒分布遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),安徽和河南兩省6月中上旬的秸稈焚燒現(xiàn)象均十分嚴(yán)重.針對(duì)秸稈焚燒嚴(yán)重的現(xiàn)象,筆者借鑒國(guó)內(nèi)外模擬顆粒物擴(kuò)散的經(jīng)驗(yàn),整合了CALPUFF模型與FEPS模型,并對(duì)CALPUFF模型的部分程序進(jìn)行了重新編譯,模擬了安徽和河南兩省2009年6月3日與5日秸稈焚燒產(chǎn)生的ρ(PM10)擴(kuò)散情況,得到了PM10的煙羽擴(kuò)散濃度,以期為相關(guān)部門提出相應(yīng)的應(yīng)急對(duì)策以及制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù).1calpuff模擬系統(tǒng)構(gòu)建安徽和河南兩省秸稈焚燒涉及的區(qū)域較廣,并且氣象和地形條件對(duì)PM10的擴(kuò)散有一定的影響.因此,選擇長(zhǎng)距離中尺度空氣質(zhì)量模型(CALPUFF)比較合適.該模型結(jié)合時(shí)變的氣象資料與復(fù)雜的地形條件,能夠很好地模擬不同尺度區(qū)域污染物的擴(kuò)散情景,使模擬結(jié)果更真實(shí)地反映大氣污染擴(kuò)散的實(shí)際情況.CALPUFF模擬系統(tǒng)需要?dú)庀髼l件、地理?xiàng)l件和污染物信息等,其中某些污染物信息由火災(zāi)排放模型FEPS提供.模擬系統(tǒng)框架見(jiàn)圖1.具體包括:(1)根據(jù)衛(wèi)星提供的遙感影像或其他信息確定秸稈焚燒位置、面積等參數(shù),并查找當(dāng)?shù)氐牡乩砗蜌庀髼l件;(2)將秸稈焚燒當(dāng)成面源處理,利用FEPS模型確定PM10的煙羽抬升,并根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)值估算PM10的釋放速率;(3)利用CALPUFF模型模擬秸稈焚燒排放的ρ(PM10)擴(kuò)散,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析和可視化.2模擬過(guò)程2.1cbd研究時(shí)段研究區(qū)域是以116°E,33°N為中心,東西500km,南北350km,總面積17.5×104km2,轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)CC坐標(biāo)范圍為:X(-300~150km),Y(-200~150km),網(wǎng)格間距為5km,垂直方向分為10層.研究時(shí)段為2009年6月3日和5日,共2d.2.2數(shù)據(jù)主要特點(diǎn)秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)是環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心基于美國(guó)NASA的Terra和Aqua衛(wèi)星搭載的MODIS傳感器每日觀測(cè)的遙感數(shù)據(jù),通過(guò)熱異常反演方法并結(jié)合歷史土地利用等數(shù)據(jù)分析制作而成的.Terra衛(wèi)星的過(guò)境時(shí)間大約在每日上午10:30左右,Aqua衛(wèi)星的過(guò)境時(shí)間大約在每日下午13:30左右.MODIS波段多,靈敏度更高,監(jiān)測(cè)頻率高,每天對(duì)同一地方觀測(cè)次數(shù)最多可達(dá)4次,因此能夠探測(cè)到更小的面積(最小面積可達(dá)50m2)、更多的火點(diǎn).由于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)空間分辨率僅為1km,土地利用和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)存在精度問(wèn)題,在秸稈焚燒火點(diǎn)的定位會(huì)出現(xiàn)一定的偏差,但研究區(qū)域范圍較大,遙感數(shù)據(jù)可以滿足研究的需要.秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)可提供全國(guó)范圍內(nèi)秸稈焚燒火點(diǎn)的經(jīng)緯度,因此可將各火點(diǎn)的經(jīng)緯度視為秸稈焚燒火點(diǎn)的中心位置.2.3topo30熱導(dǎo)系數(shù)的處理CALMET模塊需要地形數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù),包括土地類型、海拔高度、地表參數(shù)和人為熱導(dǎo)系數(shù).其中,地形數(shù)據(jù)利用子軟件TERREL處理GTOPO30文件得到TERREL.DAT數(shù)據(jù)文件;土地利用數(shù)據(jù)利用系統(tǒng)子軟件CTGPROC處理USGSGlobal-LambertAzimuthal的ASIA數(shù)據(jù),可得LU.DAT數(shù)據(jù)文件.2.4探空氣象數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)中CALMET所需的氣象數(shù)據(jù)包括地面和探空數(shù)據(jù).地面氣象站數(shù)據(jù)采用7個(gè)地面觀測(cè)站2009年6月3日和5日逐時(shí)氣象數(shù)據(jù),包括風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、壓力、云量和降水等,各地面站的具體信息見(jiàn)表1.探空氣象數(shù)據(jù)采用9個(gè)探空站6月3日和5日每天2次的探空數(shù)據(jù),探空站具體信息見(jiàn)表2.CALMET模塊可以獲得研究區(qū)域的時(shí)變10層模擬氣象場(chǎng),用以分析高空以及地面的氣象場(chǎng)對(duì)污染物傳輸和擴(kuò)散的影響,其中風(fēng)速、風(fēng)向受地形條件影響.LCC坐標(biāo)下6月3日08:00的地形風(fēng)場(chǎng)圖見(jiàn)圖2.2.5秸稈焚燒的面積秸稈焚燒面源數(shù)據(jù)包括秸稈焚燒火點(diǎn)的空間分布、燃燒持續(xù)時(shí)間、釋放速率和初始垂直擴(kuò)散系數(shù).秸稈焚燒火點(diǎn)的空間分布包括火點(diǎn)的位置與焚燒面源的面積.火點(diǎn)位置可根據(jù)秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)提供的數(shù)據(jù)確定,焚燒面積信息需根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)以及實(shí)際情況考慮.何立明等統(tǒng)計(jì)秸稈焚燒像元數(shù)和實(shí)際年焚燒面積的關(guān)系發(fā)現(xiàn),二者間存在很好的線性關(guān)系,即焚燒面積=0.6449×火點(diǎn)像元數(shù)+27.365.CHOI等模擬美墨邊境秸稈焚燒時(shí)設(shè)定的面積假定為像元的面積大小(221m×323m).SMITH將MODIS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和問(wèn)卷調(diào)查結(jié)合起來(lái),估算2個(gè)月內(nèi)平均秸稈焚燒的面積為(75±6)hm2,則每d平均秸稈焚燒為(1.25±0.1)hm2.參考前面3種情況,并為簡(jiǎn)化模擬,假定火點(diǎn)的面積為1hm2.2.5.2平均風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和穩(wěn)定度JENKINS等的風(fēng)洞試驗(yàn)條件:麥稈點(diǎn)火方式為逆風(fēng)點(diǎn)火,風(fēng)速為2~3m/s,空氣溫度為21~27℃,燃料負(fù)荷為400~500g/m2.最后試驗(yàn)得到的燃燒蔓延速度為0.2~0.4m/min.研究區(qū)域內(nèi)6月3日和5日的平均風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和穩(wěn)定度見(jiàn)圖3.比較圖3的氣象條件和JENKINS等的風(fēng)洞試驗(yàn)條件發(fā)現(xiàn),安徽和河南3日和5日的實(shí)際秸稈焚燒條件與風(fēng)洞的試驗(yàn)條件基本相似,因此可將風(fēng)洞試驗(yàn)得到的結(jié)果作為實(shí)際燃燒速率的初步假設(shè).考慮到6月3日與5日大氣穩(wěn)定度較低,燃燒蔓延速率取風(fēng)洞試驗(yàn)得到的較大蔓延速率(0.4m/min).假定蔓延速率恒定,1hm2的秸稈燃燒持續(xù)時(shí)間約為4h,假定秸稈焚燒時(shí)段為上午08:00—11:00,下午12:00—15:00.2.5.3燃燒持續(xù)時(shí)間單位的排放因子污染物釋放速率計(jì)算方法:式中,釋放速率單位為g/(m2·s);排放因子單位為g/kg;可燃物負(fù)荷量單位為kg/m2;燃燒持續(xù)時(shí)間單位為s.據(jù)報(bào)道,PM10的排放因子為5.77g/kg;可燃物負(fù)荷量可以用單位面積秸稈量表示,而秸稈量用產(chǎn)量乘以谷草比表示,其中小麥產(chǎn)量為0.525kg/m2,谷草比為1.366,則可燃物負(fù)荷量為0.7172kg/m2;燃燒持續(xù)時(shí)間為4h.計(jì)算得到釋放速率為2.874×10-4g/(m2·s).2.5.4煙羽升降高度秸稈燃燒過(guò)程中釋放的熱量會(huì)產(chǎn)生浮力,浮力會(huì)使秸稈焚燒過(guò)程產(chǎn)生的大部分氣體漂浮并向更廣的時(shí)空尺度擴(kuò)散.CALPUFF可以處理浮力面源、一般面源、點(diǎn)源和體源等,模擬秸稈焚燒最合理的應(yīng)是浮力面源,但因?yàn)槿鄙儆行嬖创怪彼俣群腿紵郎囟鹊葏?shù),所以考慮由浮力產(chǎn)生的煙羽抬升的一般面源作為替代.其中,煙羽抬升高度的計(jì)算采用FEPS模型計(jì)算煙羽抬升高度的原理,具體公式:式中,ΔHF-min,i和ΔHF-max,i分別為第i小時(shí)FEPS模型中最小與最大經(jīng)驗(yàn)熱氣抬升高度,m;ARi為第i-1小時(shí)與ih內(nèi)的燃燒面積變化率,hm2/h;PBot為最大有效煙羽底部抬升高度,缺省值為4000m;PTop為最大有效煙羽抬升高度,缺省值為8000m;ARBot與ARTop為基準(zhǔn)變化率,缺省值均為161.876hm2/h.1hm2的秸稈4h燒完,平均燃燒面積變化率為0.25m2/h,帶入式(1),(2)得到ΔHF-min,i為12.344m,ΔHF-max,i為6.172m.初始垂直擴(kuò)散系數(shù)(σx)=煙羽抬升高度/3.5,最大初始垂直擴(kuò)散系數(shù)σmax=3.527m,最小初始垂直擴(kuò)散系數(shù)σmin=1.764m.2.6param生存條件重新動(dòng)力系統(tǒng)的重新動(dòng)態(tài)分析CALPUFF模型默認(rèn)的可以模擬的最大面源數(shù)是200個(gè),而6月3日要模擬的火點(diǎn)數(shù)是241個(gè),6月5日要模擬的火點(diǎn)數(shù)為423個(gè).為滿足模擬需求,對(duì)源程序進(jìn)行重新編譯.首先將paramsl.puf中最大面源數(shù)限值改成500個(gè),然后利用LFFortranProfessionalv7.2重新編譯源程序,最后在CALPUFF主頁(yè)面上執(zhí)行新的參數(shù)文件.3結(jié)果與討論3.1最大煙羽升降下逐時(shí)最CALPUFF模擬6月3日與5日最大、最小煙羽抬升下逐時(shí)最大ρ(PM10)見(jiàn)表3.由表3可知,3日和5日00:00—07:00因沒(méi)有秸稈焚燒現(xiàn)象,在不考慮背景值的情況下ρ(PM10)為0;3日08:00—23:00最大煙羽抬升下逐時(shí)最大ρ(PM10)范圍為4.9961~3040.7μg/m3;最小煙羽抬升下的ρ(PM10)范圍為5.0078~6069.2μg/m3.5日08:00—23:00最大煙羽抬升下逐時(shí)的最大ρ(PM10)范圍為4.285~2562μg/m3;最小煙羽抬升下的ρ(PM10)范圍為4.2849~5122.4μg/m3.對(duì)比3日和5日最大和最小煙羽抬升下的ρ(PM10),在秸稈燃燒階段最小煙羽抬升下ρ(PM10)是最大煙羽抬升下的2倍,而在其他時(shí)段ρ(PM10)不存在明顯的比例關(guān)系.3.2初始煙羽升降高度3日和5日最大、最小煙羽抬升下ρ(PM10)日均值以及逐時(shí)ρ(PM10)空間分布見(jiàn)圖4~7,其中最大ρ(PM10)標(biāo)在圖4~7中,單位為μg/m3.由圖4~7可知,ρ(PM10)較高的區(qū)域火點(diǎn)比較密集,并且最大值出現(xiàn)在火點(diǎn)密集的區(qū)域.擴(kuò)散過(guò)程受氣象條件影響明顯,受風(fēng)速及風(fēng)向的影響尤其大.將圖4與圖5,圖6與圖7對(duì)比可知,初始煙羽抬升高度對(duì)擴(kuò)散有明顯的影響,當(dāng)煙羽抬升高度較小時(shí),擴(kuò)散濃度相對(duì)較大.對(duì)圖4~7各子圖進(jìn)行分析可知,秸稈焚燒時(shí)段逐時(shí)ρ(PM10)要遠(yuǎn)大于日均值和非燃燒時(shí)段23:00的值.模擬區(qū)域內(nèi)3日火點(diǎn)數(shù)為241個(gè),5日為423個(gè).根據(jù)模擬結(jié)果,6月3日最大煙羽抬升下PM10總排放量為3716.4μg/m3,最小煙羽抬升下PM10總排放量為6551.2μg/m3;6月5日最大煙羽抬升下PM10總排放量為9682.8μg/m3,最小煙羽抬升下PM10總排放量為18169.1μg/m3.可見(jiàn),總排放量不僅與煙羽抬升高度有關(guān),而且還與火點(diǎn)數(shù)有關(guān),火點(diǎn)越多,總的ρ(PM10)越大.3日最小、最大煙羽抬升下的最大日均ρ(PM10)分別為323.9和164μg/m3,5日分別為360.1和180.77μg/m3,可見(jiàn)部分區(qū)域日均ρ(PM10)大于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的150μg/m3甚至三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的350μg/m3,說(shuō)明秸稈焚燒現(xiàn)象對(duì)空氣質(zhì)量有比較顯著的影響.3.3秸稈焚燒與空氣總有關(guān)見(jiàn)表36月3日和5日鄭州、合肥和平頂山的首要污染物都為可吸入顆粒物,具體API數(shù)值和推算得到的ρ(PM10)見(jiàn)表4.由表4可知,各城市5日的空氣質(zhì)量比3日的差,ρ(PM10)也相應(yīng)變大,與秸稈焚燒量有關(guān),說(shuō)明秸稈焚燒對(duì)空氣質(zhì)量有一定的影響.3.4模型內(nèi)部的不確定性模型只模擬了安徽和河南6月3日和5日當(dāng)天4h秸稈燃燒對(duì)周圍環(huán)境的影響,如果考慮麥?zhǔn)蘸笃谶B續(xù)幾天或十幾天的燃燒,則監(jiān)測(cè)到的火點(diǎn)要比實(shí)際情況少,以及考慮二次顆粒的形成等因素,那么秸稈焚燒對(duì)周圍環(huán)境的影響會(huì)更加嚴(yán)重.在模擬過(guò)程中一些輸入?yún)?shù)只是簡(jiǎn)單地估算或設(shè)定的缺省值,致使輸入?yún)?shù)不夠精確,所以模型具有一定的不確定性.4秸稈焚燒持續(xù)快速發(fā)展a.秸稈焚燒排放的ρ(PM10)