利用CALPUFF對安徽和河南秸稈焚燒的模擬與研究

楊懷榮，劉 茂，劉付衍華

南開大學(xué)城市公共安全研究中心，天津 300071

利用CALPUFF對安徽和河南秸稈焚燒的模擬與研究

楊懷榮，劉 茂*，劉付衍華

南開大學(xué)城市公共安全研究中心，天津 300071

秸稈焚燒會產(chǎn)生大量的顆粒物(PM)、氮氧化物、有機碳、苯以及多環(huán)芳烴等污染物，不僅影響空氣質(zhì)量，危害人體健康，而且大大降低能見度，對交通運輸構(gòu)成威脅.針對安徽和河南2009年6月嚴重的秸稈焚燒現(xiàn)象，對CALPUFF模擬系統(tǒng)和FEPS模型進行重新編譯與整合，對空氣動力學(xué)直徑小于10μm的顆粒物(PM10)進行擴散模擬，得到逐時ρ(PM10)的煙羽擴散，并對模擬結(jié)果進行分析.結(jié)果表明，秸稈焚燒過程中焚燒點附近的ρ(PM10)較大，研究區(qū)域內(nèi)部分區(qū)域的日均ρ(PM10)大于我國二級標準(150μg/m3)甚至三級標準(350μg/m3).如果考慮二次粒子，其影響程度會更加嚴重.

秸稈焚燒;顆粒物;煙羽擴散;CALPUFF模擬系統(tǒng);FEPS模型

Abstract:Straw crop burning em its a number of pollutants，including particulate matter(PM)，nitrogen oxides，organic carbons (OC)，benzene，polycyclic aromatic hydrocarbons，etc.These pollutants not only impact air quality and are harm ful to human health，but also greatly reduce visibility and thus pose a threat to transportation safety.In view of the serious straw crop burning phenomenon in Anhui and Henan Provinces in June，2009，the CALPUFF modeling system and FEPS(Fire Emission Production Simulator)model were recompiled and integrated to simulate dispersion of PM with aerodynamic diameter less than 10μm(PM10)from the straw crop burning.Also，hourly PM10mass concentration p lume diffusions were obtained.Simulation results show that high PM10mass concentrations are observed near the fire sources，and that daily average PM10mass concentrations in some areas are higher than the national daily average standard levelⅡ (150μg/m3)and even levelⅢ (350μg/m3).If the formation of secondary particles were also considered，the impacts could be even greater.

Keywords:straw crop burning;particulate matter;plume dispersion;CALPUFF modeling system;FEPSmodel

近年來我國對農(nóng)作物秸稈焚燒采取了多種措施以降低其規(guī)模，但焚燒現(xiàn)象依然難以遏制.農(nóng)作物秸稈燃燒時會產(chǎn)生大量的 PM，有機碳，氮氧化物，苯及多環(huán)芳烴等有害氣體，不僅危害人體健康，造成環(huán)境污染［1］，而且產(chǎn)生大量煙霧，大大降低能見度，威脅交通運輸安全.2007年5月華北和江淮流域的糧食主產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模秸稈焚燒現(xiàn)象，使北京等周邊城市的空氣質(zhì)量明顯下降［2］.1997年5月14— 18日，成都雙流機場由于焚燒秸稈產(chǎn)生大量煙霧造成10個航班無法降落，22架進出港航班延誤，滯留旅客1 000多人［3］.

目前國內(nèi)秸稈焚燒的研究主要有遙感對秸稈焚燒的監(jiān)測、排放因子的試驗研究以及排放清單的估算等，但很少對污染物的擴散進行模擬.祝斌等［4］對農(nóng)作物秸稈燃燒時 PM2.5排放因子進行了試驗研究，并分別對水稻、小麥和玉米等農(nóng)作物秸稈在明火和悶火狀態(tài)下的燃燒情況進行了試驗，測定了燃燒過程中PM2.5的排放因子.王書肖等［5］采用排放因子法，建立了我國秸稈露天焚燒一次大氣污染物的排放清單，并分析了其時間和空間的分布特征.厲青等［6］利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測了2007年6月全國秸稈焚燒狀況，并以某市為例，結(jié)合氣象資料分析秸稈焚燒對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響.方萌等［7］介紹了“3S”技術(shù)在農(nóng)作物秸稈焚燒監(jiān)測中應(yīng)用的一般原理和方法，同時還介紹了國家衛(wèi)星氣象中心近年來采用“3S”技術(shù)監(jiān)測農(nóng)作物秸稈焚燒的概況.國外對于秸稈焚燒的研究除了有對排放因子的計算、遙感的監(jiān)測外，還有對焚燒過程中產(chǎn)生污染物的擴散進行的計算機模擬.JAIN等［8］對太平洋海岸西北部秸稈焚燒的煙氣擴散預(yù)測系統(tǒng)(ClearSky)進行了介紹，ClearSky是數(shù)值煙氣擴散預(yù)測系統(tǒng)，通過確定秸稈焚燒情景，利用 MM5中尺度氣象預(yù)測模型和CALPUFF模擬系統(tǒng)，模擬秸稈焚燒產(chǎn)生的 PM2.5濃度擴散情況.CHOI等［9］利用 CALPUFF/CALMET/ MM5模擬系統(tǒng)，對美國墨西哥邊境秸稈焚燒排放的PM10濃度進行了擴散模擬，并與PM10的相關(guān)環(huán)境標準進行了對比.

據(jù)秸稈焚燒遙感監(jiān)測日報發(fā)布的2009年全國秸稈焚燒分布遙感監(jiān)測結(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)象均十分嚴重.針對秸稈焚燒嚴重的現(xiàn)象，筆者借鑒國內(nèi)外模擬顆粒物擴散的經(jīng)驗，整合了CALPUFF模型與FEPS模型，并對CALPUFF模型的部分程序進行了重新編譯，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)擴散情況，得到了PM10的煙羽擴散濃度，以期為相關(guān)部門提出相應(yīng)的應(yīng)急對策以及制訂相關(guān)標準提供依據(jù).

1 方法介紹

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 PM10的擴散有一定的影響.因此，選擇長距離中尺度空氣質(zhì)量模型(CALPUFF)比較合適.該模型結(jié)合時變的氣象資料與復(fù)雜的地形條件，能夠很好地模擬不同尺度區(qū)域污染物的擴散情景，使模擬結(jié)果更真實地反映大氣污染擴散的實際情況［10-11］.CALPUFF模擬系統(tǒng)需要氣象條件、地理條件和污染物信息等，其中某些污染物信息由火災(zāi)排放模型 FEPS提供［12］.模擬系統(tǒng)框架見圖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)文獻和經(jīng)驗值估算PM10的釋放速率;③利用CALPUFF模型模擬秸稈焚燒排放的ρ(PM10)擴散，并對模擬結(jié)果進行分析和可視化.

圖1 CALPUFF模擬系統(tǒng)與FEPS模型整合的模擬系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of integrating CALPUFF system and FEPSmodel

2 模擬過程

2.1 研究區(qū)域與時段

研究區(qū)域是以116°E，33°N為中心，東西500 km，南北 350 km，總面積 17.5×104km2，轉(zhuǎn)換為LCC坐標范圍為:X(－300～150 km)，Y(－200～150 km)，網(wǎng)格間距為5 km，垂直方向分為10層.研究時段為2009年6月3日和5日，共2 d.

2.2 秸稈焚燒火點的確定

秸稈焚燒遙感監(jiān)測日報是環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心基于美國NASA的Terra和Aqua衛(wèi)星搭載的MODIS傳感器每日觀測的遙感數(shù)據(jù)，通過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)星的過境時間大約在每日上午10:30左右，Aqua衛(wèi)星的過境時間大約在每日下午13:30左右.MODIS波段多，靈敏度更高，監(jiān)測頻率高，每天對同一地方觀測次數(shù)最多可達4次，因此能夠探測到更小的面積(最小面積可達50 m2)、更多的火點.由于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)空間分辨率僅為1 km，土地利用和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)存在精度問題，在秸稈焚燒火點的定位會出現(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)測日報可提供全國范圍內(nèi)秸稈焚燒火點的經(jīng)緯度，因此可將各火點的經(jīng)緯度視為秸稈焚燒火點的中心位置.

2.3 地理數(shù)據(jù)

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-Lambert Azimuthal的 ASIA數(shù)據(jù)，可得 LU. DAT數(shù)據(jù)文件.

2.4 氣象資料

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個地面觀測站2009年6月3日和5日逐時氣象數(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表1.探空氣象數(shù)據(jù)采用9個探空站6月3日和5日每天2次的探空數(shù)據(jù)，探空站具體信息見表2.CALMET模塊可以獲得研究區(qū)域的時變10層模擬氣象場，用以分析高空以及地面的氣象場對污染物傳輸和擴散的影響，其中風(fēng)速、風(fēng)向受地形條件影響.LCC坐標下6月3日08:00的地形風(fēng)場圖見圖2.

表1 地面監(jiān)測站具體信息Table 1 Basic information about the surface stations

表2 探空站具體信息Table 2 Basic information about the upper air stations

圖2 2009年6月3日08:00地形風(fēng)場圖Fig.2 Simulated surface winds over the CALPUFF domain(08:00 July 3rd，2009)

2.5 秸稈焚燒面源數(shù)據(jù)

秸稈焚燒面源數(shù)據(jù)包括秸稈焚燒火點的空間分布、燃燒持續(xù)時間、釋放速率和初始垂直擴散系數(shù).

2.5.1 秸稈焚燒火點的空間分布

秸稈焚燒火點的空間分布包括火點的位置與焚燒面源的面積.火點位置可根據(jù)秸稈焚燒遙感監(jiān)測日報提供的數(shù)據(jù)確定，焚燒面積信息需根據(jù)相關(guān)文獻以及實際情況考慮.何立明等［13］統(tǒng)計秸稈焚燒像元數(shù)和實際年焚燒面積的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，二者間存在很好的線性關(guān)系，即焚燒面積=0.644 9×火點像元數(shù)+27.365.CHOI等［9］模擬美墨邊境秸稈焚燒時設(shè)定的面積假定為像元的面積大小(221 m×323 m).SMITH［14］將MODIS監(jiān)測數(shù)據(jù)和問卷調(diào)查結(jié)合起來，估算2個月內(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，并為簡化模擬，假定火點的面積為1 hm2.

2.5.2 秸稈燃燒持續(xù)時間

JENKINS等［15］的風(fēng)洞試驗條件:麥稈點火方式為逆風(fēng)點火，風(fēng)速為 2～3 m/s，空氣溫度為 21～27℃，燃料負荷為400～500 g/m2.最后試驗得到的燃燒蔓延速度為0.2～0.4 m/m in.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)定度見圖3.比較圖3的氣象條件和JENKINS等［15］的風(fēng)洞試驗條件發(fā)現(xiàn)，安徽和河南3日和5日的實際秸稈焚燒條件與風(fēng)洞的試驗條件基本相似，因此可將風(fēng)洞試驗得到的結(jié)果作為實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)洞試驗得到的較大蔓延速率(0.4 m/min).假定蔓延速率恒定，1 hm2的秸稈燃燒持續(xù)時間約為4 h，假定秸稈焚燒時段為上午08:00—11:00，下午12:00—15:00.

圖3 2009年6月3日研究區(qū)域內(nèi)平均風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、穩(wěn)定度隨時間的變化Fig.3 Average wind direction(a)，average wind speed(b)，average temperature(c)and average atmospheric stability category(d)for the entire burning source area on July 3rd，2009

2.5.3 污染物釋放速率

污染物釋放速率計算方法:

式中，釋放速率單位為g/(m2·s);排放因子單位為g/kg;可燃物負荷量單位為kg/m2;燃燒持續(xù)時間單位為 s.

據(jù)報道，PM10的排放因子為5.77 g/kg［16］;可燃物負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 0.525 kg/m2，谷草比為 1.366［16］，則可燃物負荷量為0.717 2 kg/m2;燃燒持續(xù)時間為4 h.計算得到釋放速率為2.874×10－4g/(m2·s).

2.5.4 初始垂直擴散系數(shù)

秸稈燃燒過程中釋放的熱量會產(chǎn)生浮力，浮力會使秸稈焚燒過程產(chǎn)生的大部分氣體漂浮并向更廣的時空尺度擴散.CALPUFF可以處理浮力面源、一般面源、點源和體源等，模擬秸稈焚燒最合理的應(yīng)是浮力面源，但因為缺少有效面源垂直速度和燃燒溫度等參數(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，煙羽抬升高度的計算采用FEPS模型計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 FEPS模型中最小與最大經(jīng)驗熱氣抬升高度，m;ARi為第i－1小時與i h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4 000 m;PTop為最大有效煙羽抬升高度，缺省值為8 000 m;ARBot與ARTop為基準變化率，缺省值均為161.876 hm2/h.

1 hm2的秸稈4 h燒完，平均燃燒面積變化率為0.25 m2/h，帶入式(1)，(2)得到 ΔHF-min，i為12.344m，ΔHF-max，i為6.172 m.初始垂直擴散系數(shù)(σx)=煙羽抬升高度/3.5［11］，最大初始垂直擴散系數(shù)σmax= 3.527 m，最小初始垂直擴散系數(shù)σmin=1.764 m.

2.6 CALPUFF模型系統(tǒng)的重新編譯

CALPUFF模型默認的可以模擬的最大面源數(shù)是200個，而6月3日要模擬的火點數(shù)是241個，6月5日要模擬的火點數(shù)為423個.為滿足模擬需求，對源程序進行重新編譯.首先將 paramsl.puf中最大面源數(shù)限值改成 500個，然后利用 LF Fortran Professional v7.2重新編譯源程序，最后在CALPUFF主頁面上執(zhí)行新的參數(shù)文件.

3 結(jié)果與討論

3.1 CALPUFF模擬的逐時ρ(PM10)

CALPUFF模擬6月3日與5日最大、最小煙羽抬升下逐時最大ρ(PM10)見表3.由表3可知，3日和5日00:00—07:00因沒有秸稈焚燒現(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最大ρ(PM10)范圍為4.996 1～3 040.7μg/m3;最小煙羽抬升下的ρ(PM10)范圍為5.007 8～6 069.2μg/m3.5日08:00—23:00最大煙羽抬升下逐時的最大ρ(PM10)范圍為 4.285～2 562μg/m3;最小煙羽抬升下的ρ(PM10)范圍為4.284 9～5 122.4μg/m3.對比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，而在其他時段ρ(PM10)不存在明顯的比例關(guān)系.

表3 最大、最小煙羽抬升下逐時最大ρ(PM10)Table 3 The maximum hourly PM10mass concentration with different plume rise μg/m3

3.2 CALPUFF模擬ρ(PM10)的時空分布

3日和5日最大、最小煙羽抬升下ρ(PM10)日均值以及逐時ρ(PM10)空間分布見圖4～7，其中最大ρ(PM10)標在圖4～7中，單位為 μg/m3.由圖4～7可知，ρ(PM10)較高的區(qū)域火點比較密集，并且最大值出現(xiàn)在火點密集的區(qū)域.擴散過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對比可知，初始煙羽抬升高度對擴散有明顯的影響，當(dāng)煙羽抬升高度較小時，擴散濃度相對較大.對圖4～7各子圖進行分析可知，秸稈焚燒時段逐時ρ(PM10)要遠大于日均值和非燃燒時段23:00的值.

模擬區(qū)域內(nèi)3日火點數(shù)為241個，5日為423個.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3 716.4μg/m3，最小煙羽抬升下 PM10總排放量為6 551.2μg/m3;6月5日最大煙羽抬升下PM10總排放量為9 682.8μg/m3，最小煙羽抬升下PM10總排放量為18 169.1μg/m3.可見，總排放量不僅與煙羽抬升高度有關(guān)，而且還與火點數(shù)有關(guān)，火點越多，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180.77 μg/m3，可見部分區(qū)域日均ρ(PM10)大于國家二級標準的150μg/m3甚至三級標準的350μg/m3，說明秸稈焚燒現(xiàn)象對空氣質(zhì)量有比較顯著的影響.

3.3 ρ(PM10)與空氣質(zhì)量

6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)，說明秸稈焚燒對空氣質(zhì)量有一定的影響.

圖4 6月3日最小煙羽抬升下日均ρ(PM10)(μg/m3)及11:00，15:00和23:00逐時平均ρ(PM10)(μg/m3)Fig.4 PM10mass concentrations(μg/m3)in m inimum plume rise on June 3rd，2009

圖5 6月3日最大煙羽抬升下日均ρ(PM10)(μg/m3)及11:00，15:00和23:00逐時平均ρ(PM10)(μg/m3)Fig.5 PM10mass concentration(μg/m3)in maximum plume rise on June 3rd，2009

圖6 6月5日最小煙羽抬升下日均ρ(PM10)(μg/m3)及12:00，15:00和23:00逐時平均ρ(PM10)(μg/m3)Fig.6 PM10mass concentration(μg/m3)in minimum plume rise on June 5th，2009

圖7 6月5日最大煙羽抬升下日均ρ(PM10)(μg/m3)及12:00，15:00和23:00逐時平均ρ(PM10)(μg/m3)Fig.7 PM10mass concentration(μg/m3)in maximum plume rise on June 5th，2009

表4 各城市API指數(shù)與ρ(PM10)Table 4 The air pollutant index and mass concentrations of PM10in three cities

3.4 模型局限性

模型只模擬了安徽和河南6月3日和5日當(dāng)天4 h秸稈燃燒對周圍環(huán)境的影響，如果考慮麥收后期連續(xù)幾天或十幾天的燃燒，則監(jiān)測到的火點要比實際情況少，以及考慮二次顆粒的形成等因素，那么秸稈焚燒對周圍環(huán)境的影響會更加嚴重.

在模擬過程中一些輸入?yún)?shù)只是簡單地估算或設(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 結(jié)論

a.秸稈焚燒排放的ρ(PM10)受煙羽抬升高度、火點數(shù)以及火點密集程度等因素的影響.煙羽抬升高度越高，ρ(PM10)越低.火點數(shù)越多，總ρ(PM10)越大.火點密集的地方ρ(PM10)較高，最大值出現(xiàn)在火點密集的區(qū)域.

b.在模擬區(qū)域內(nèi)，焚燒階段最小煙羽抬升下逐時ρ(PM10)是最大煙羽抬升下的2倍，而在其他非焚燒時段最小和最大煙羽抬升下的逐時ρ(PM10)不存在明顯的比例關(guān)系.

c.部分區(qū)域日均ρ(PM10)大于國家二級標準的150μg/m3甚至三級標準的350μg/m3，說明秸稈焚燒現(xiàn)象對空氣質(zhì)量有顯著的影響.如果考慮二次粒子和其他條件，影響程度會更加嚴重.

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Research and Sim u lation o f Straw Crop Burning in Anhuiand Henan Provinces Using CALPUFF

YANG Huai-rong，LIU Mao，LIUFU Yan-hua
Research Center of Urban Public Safety，Nankai University，Tianjin 300071，China

X513

A

1001－6929(2010)11－1368－08

2010－03－12

2010－06－30

國家自然科學(xué)基金重點項目(70833003);國家“十一五”科技支撐計劃項目(200603746006)

楊 懷 榮 (1986 －)，女，黑 龍 江 牡 丹 江 人，mapleyb@126.com.

*責(zé)任作者，劉茂(1945－)，男，遼寧撫順人，教授，博導(dǎo)，主要從事城市公共安全研究，lmsafety@nankai.edu.cn