無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在CO2地質(zhì)封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)事故監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

滕 騰, 陳新新, 李鵬飛, 馬俊杰

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710127)

近年來(lái)，由化石燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體(GHG)大量排放造成的全球變暖的問(wèn)題引起了社會(huì)廣泛關(guān)注。自工業(yè)革命以后，工業(yè)生產(chǎn)和人類(lèi)生活的能源供給主要來(lái)源于傳統(tǒng)化石燃料的燃燒?，F(xiàn)如今，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展更是加大了人類(lèi)的能源需求量，致使大量的化石燃料被使用，由于其燃燒產(chǎn)生的大量的溫室氣體包括CO2,CH4和N2O等引發(fā)了多種生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。其中CO2是導(dǎo)致全球氣候變暖和溫室效應(yīng)的最主要原因，控制并減少大氣中的CO2是抑制全球氣候變暖、緩解溫室效應(yīng)的重要手段。且二氧化碳的捕捉與封存[1-2](carbon capture and storage, CCS)被認(rèn)為是唯一能在工業(yè)尺度上大規(guī)模削減溫室氣體排放量的技術(shù)方法。大量的CO2泄漏會(huì)對(duì)氣候、植被—土壤、地下水以及人類(lèi)身體健康造成影響，甚至誘發(fā)地震[3-6]，因此對(duì)CCS進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)已被視為航空遙感和航天遙感后的第三代遙感技術(shù)，基于無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有立體監(jiān)測(cè)、響應(yīng)速度快、監(jiān)測(cè)范圍廣、地形干擾小等優(yōu)點(diǎn)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)以環(huán)境監(jiān)測(cè)車(chē)和便攜式設(shè)備為主體的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)體系的不足，是目前環(huán)境監(jiān)測(cè)方面重要的發(fā)展方向之一[7-8]。本文擬通過(guò)背景值監(jiān)測(cè)，理論模擬，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)3個(gè)方面對(duì)無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)在CCS泄漏風(fēng)險(xiǎn)事故監(jiān)測(cè)上的響應(yīng)效果進(jìn)行研究。

1 研究方法

本文主要是研究無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)在CCS泄漏風(fēng)險(xiǎn)事故監(jiān)測(cè)上的響應(yīng)效果，故在進(jìn)行研究之前提出了一個(gè)相對(duì)完善的研究方法體系。該方法中主要包括試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境背景值監(jiān)測(cè)、理論模擬以及飛行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)這3個(gè)方面，并通過(guò)3組數(shù)據(jù)的對(duì)比分析確定無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)CCS泄漏風(fēng)險(xiǎn)事故的響應(yīng)效果。

1.1 環(huán)境背景值監(jiān)測(cè)

在進(jìn)行釋放監(jiān)測(cè)試驗(yàn)之前，對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)的環(huán)境背景值進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。環(huán)境背景值對(duì)于釋放實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測(cè)有著非常重要的作用，只有獲取了有效的、穩(wěn)定的環(huán)境背景值，才能較為可信的判斷監(jiān)測(cè)儀器響應(yīng)到的CO2濃度變化數(shù)據(jù)是由于實(shí)驗(yàn)釋放造成的。本次試驗(yàn)搭載的監(jiān)測(cè)平臺(tái)選用的是由深圳圣凱安公司研發(fā)設(shè)計(jì)的一款針對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的氣體監(jiān)測(cè)儀，主要包括采樣單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)分析單元等，采樣單元監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可通過(guò)數(shù)傳或GPRS傳輸?shù)降孛骘@示平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理以及圖表生成，其采樣單元是基于NDIR紅外吸收檢測(cè)原理的氣體傳感器模組，采用的是國(guó)外進(jìn)口光源、特殊結(jié)構(gòu)的光學(xué)腔體和雙通道探測(cè)器，監(jiān)測(cè)儀器在使用之前已經(jīng)進(jìn)行了校準(zhǔn)，獲取的數(shù)據(jù)不需要處理，可直接顯示實(shí)時(shí)濃度數(shù)據(jù)。

由于無(wú)人機(jī)的旋翼會(huì)對(duì)旋翼下方空氣產(chǎn)生擾動(dòng)，在經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證和綜合考慮本次試驗(yàn)采用的無(wú)人機(jī)平臺(tái)的載荷問(wèn)題后，選定將監(jiān)測(cè)平臺(tái)放置在無(wú)人機(jī)旋翼下方2 m處。本次環(huán)境背景值監(jiān)測(cè)選取了試驗(yàn)場(chǎng)的3個(gè)斷面，分別將5，9和13 m高度作為監(jiān)測(cè)斷面。

1.1.1 飛行高度為5 m的環(huán)境背景值監(jiān)測(cè) 基于無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的記錄數(shù)據(jù)，并在到達(dá)預(yù)定位置后開(kāi)啟監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和記錄，其結(jié)果如表1所示。

表1 飛行高度為5 m的環(huán)境背景CO2濃度分布

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的5 m高的斷面下，CO2濃度最高值為496 mg/kg，最低值為450 mg/kg，平均濃度為472 mg/kg，5 m斷面層的波動(dòng)幅度為46 mg/kg，斷面濃度的標(biāo)準(zhǔn)差為12，導(dǎo)致斷面CO2濃度出現(xiàn)波動(dòng)主要原因是環(huán)境風(fēng)速的不穩(wěn)定、無(wú)人機(jī)旋翼速度變化造成的空氣擾動(dòng)和距離地面太低受地面環(huán)境干擾情況較大。

1.1.2 飛行高度為9 m的環(huán)境背景值監(jiān)測(cè) 表2是根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)平臺(tái)記錄下的不同位置的濃度數(shù)據(jù)。

表2 飛行高度為9 m的環(huán)境背景CO2濃度分布

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的9 m高的斷面下，CO2濃度最高值為483 mg/kg，最低值為430 mg/kg平均濃度為449 mg/kg，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為15。相較于5 m斷面的46 mg/kg的波動(dòng)幅度9 m斷面的波動(dòng)幅度達(dá)到53 mg/kg，相對(duì)穩(wěn)定性略微較低，但總體濃度相較于5 m斷面有所較低，平均濃度相差了23 mg/kg。

1.1.3 飛行高度為13 m的環(huán)境背景值監(jiān)測(cè)和CO2垂直濃度監(jiān)測(cè) 在進(jìn)行13 m斷面層的環(huán)境背景值監(jiān)測(cè)的過(guò)程中沒(méi)有完全按照預(yù)設(shè)航線進(jìn)行飛行，在飛行半個(gè)斷面后在垂直高度上不斷拉高高度至40 m左右，分別在多個(gè)高度下獲取了CO2濃度值，濃度分布如表3所示。

表3 飛行高度為13 m的環(huán)境背景CO2濃度分布

在13 m的斷面層下， CO2濃度最高值為473 mg/kg，最低值為420 mg/kg，平均濃度為448 mg/kg，13 m下波動(dòng)幅度為53 mg/kg與9 m斷面層的波動(dòng)幅度一樣，但通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)現(xiàn)，13 m斷面層的背景濃度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差要高于9 m斷面層，但平均濃度有所降低且與9 m高度的斷面層濃度相近。

表4為同一位置不同高度下的CO2濃度分布。由表4可知，在同一位置不同高度下的CO2濃度變化幅度較小，最高值濃度出現(xiàn)在31.9 m的高度下為486 mg/kg，最小值為15 m的高度下的453 mg/kg。

表4 同一位置不同高度下CO2垂直濃度分布

通過(guò)多個(gè)斷面的環(huán)境背景值監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在同樣的條件下試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的CO2濃度隨著高度在不斷變化，從3個(gè)斷面層的平均濃度的角度來(lái)看，隨著高度的升高，環(huán)境中的CO2濃度降低，可能與CO2本身具有沉降性有關(guān)，但是以某個(gè)高度點(diǎn)的一個(gè)濃度數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)濃度與高度的關(guān)系不是很明顯，究其原因可能是試驗(yàn)場(chǎng)相對(duì)較小，無(wú)人機(jī)旋翼對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)的空氣流動(dòng)造成了很大的擾動(dòng)，導(dǎo)致飛行過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的是一個(gè)相對(duì)不穩(wěn)定的空氣場(chǎng)，但是在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中同樣存在無(wú)人機(jī)旋翼的干擾，同樣條件下的背景值才更具有參考意義；通過(guò)斷面層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的離散程度升高，可能是斷面層越高大氣環(huán)境越不穩(wěn)定導(dǎo)致的。普遍認(rèn)為在全球環(huán)境中，CO2在空氣中的含量在380～390 mg/kg，由于試驗(yàn)場(chǎng)所處位置周?chē)卸嗵幐邔咏ㄖ途用顸c(diǎn)，人類(lèi)活動(dòng)頻繁且試驗(yàn)當(dāng)天環(huán)境污染程度較高，霧霾嚴(yán)重，風(fēng)速較小等原因?qū)е略囼?yàn)場(chǎng)CO2濃度處于較高水平。

1.2 飛行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)方案 本次試驗(yàn)是為了模擬CCS項(xiàng)目中出現(xiàn)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)事故，但由于試驗(yàn)條件所限，不可能做到工業(yè)大尺度下的泄漏事故，故本次試驗(yàn)采取的泄放流量為30 g/s，總泄放時(shí)長(zhǎng)為420 s。試驗(yàn)中采用搭載了減壓閥和流量計(jì)的大容量CO2儲(chǔ)氣瓶作為穩(wěn)定泄漏源，將氣瓶平放，源高度視為0。具體試驗(yàn)方案如圖1所示。

圖1 飛行實(shí)驗(yàn)方案

1.2.2 飛行監(jiān)測(cè)航線 在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在飛行過(guò)程中由于試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境的變化導(dǎo)致無(wú)法按照預(yù)先設(shè)計(jì)的航線進(jìn)行飛行。在考慮試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)際情況后，決定以逆風(fēng)向進(jìn)行飛行，且以正對(duì)泄放源的方向進(jìn)行飛行監(jiān)測(cè)。

1.2.3 數(shù)據(jù)記錄與分析 由于監(jiān)測(cè)平臺(tái)和飛行平臺(tái)具有自主記錄數(shù)據(jù)的功能，在試驗(yàn)后通過(guò)相關(guān)技術(shù)手段獲取了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和飛行記錄數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)將引起環(huán)境背景值濃度變化達(dá)到3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上(與平均值的偏差超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差的測(cè)定值就可稱為高度異常值)視為監(jiān)測(cè)儀器對(duì)于泄放CO2的響應(yīng)。將獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后的數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 整合后的CO2濃度分布

通過(guò)整合后的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，再與環(huán)境背景值進(jìn)行比對(duì)后，以引起環(huán)境中CO2變化幅度超過(guò)背景濃度值最高的值的1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差作為響應(yīng)濃度，此處環(huán)境背景值平均濃度為449 mg/kg，最高濃度為483 mg/kg，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為15。此條件下監(jiān)測(cè)儀器第一次響應(yīng)到由于泄放導(dǎo)致環(huán)境中的CO2發(fā)生變化的濃度是502 mg/kg。

1.3 試驗(yàn)條件下的高斯模型理論模擬

對(duì)于大氣中的污染物的擴(kuò)散情況的預(yù)測(cè)往往都會(huì)以數(shù)學(xué)模型的方式進(jìn)行，而高斯煙羽擴(kuò)散模型[10-12]更是被廣泛應(yīng)用于污染物擴(kuò)散方面的研究。目前美國(guó)、歐盟以及中國(guó)都將其列為環(huán)境影響評(píng)價(jià)中大氣環(huán)境預(yù)測(cè)的基本模型，高斯煙羽模型公式下[13]：

(1)

式中：c(x,y,z)——泄漏CO2在(x,y,z)點(diǎn)處的質(zhì)量濃度(mg/m3);u——風(fēng)速(m/s)；Qm——泄漏源的泄放速度(g/s)；H——有效源高，等于泄漏源高度和抬升高度之和，即H=Hs+ΔH，(m)；Hs——泄漏源高度(m)； ΔH——抬升高度，可由抬升模型求得，m；σy，σz分別是y，z方向的擴(kuò)散系數(shù)，是由排放源到計(jì)算點(diǎn)的下風(fēng)向距離，大氣穩(wěn)定度的函數(shù)，煙羽的排放高度及地表粗糙度決定的。

1.3.1 擴(kuò)散系數(shù)的確定 在中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則和方法》(GB3840-91)規(guī)定取樣時(shí)間在30 min時(shí)，擴(kuò)散參數(shù)可按下述方法確定。由于大氣擴(kuò)散系數(shù)與大氣穩(wěn)定度密切相關(guān)，而大氣穩(wěn)定度又與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、云量、風(fēng)速等氣象因子有關(guān)，因此，擴(kuò)散系數(shù)的確定方法有許多類(lèi)型，通常需要首先確定大氣穩(wěn)定度，然后建立不同溫度條件下的風(fēng)和距離與擴(kuò)散系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，再由下風(fēng)向距離求算擴(kuò)散系數(shù)的具體數(shù)值。

帕斯圭爾擴(kuò)散曲線法可根據(jù)易得到的氣象觀測(cè)資料直接估算出污染物在大氣中的擴(kuò)散情況。帕斯圭爾首先根據(jù)云量、云狀、太陽(yáng)輻射和地面風(fēng)速等常規(guī)氣象資料，將大氣的擴(kuò)散稀釋能力劃分為A,B,C,D,E,F 6個(gè)穩(wěn)定度級(jí)別，然后根據(jù)大量的擴(kuò)散試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論上的討論，用曲線法表示每一個(gè)穩(wěn)定度級(jí)別的σy和σz隨距離的變化。這樣就可以用前面的擴(kuò)散模式進(jìn)行濃度估算了。

根據(jù)常規(guī)氣象觀測(cè)資料確定穩(wěn)定度級(jí)別：帕斯圭爾劃分穩(wěn)定度級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表6 帕斯圭爾大氣穩(wěn)定度級(jí)別

對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的劃分說(shuō)明如下： ①穩(wěn)定度級(jí)別中，A指極不穩(wěn)定，B指不穩(wěn)定，C指微不穩(wěn)定，D指中性，E指微穩(wěn)定，F(xiàn)指穩(wěn)定；從A→F表示大氣擴(kuò)散能力逐漸減弱； ②穩(wěn)定度級(jí)別A-B表示按A、B級(jí)別數(shù)據(jù)內(nèi)插； ③夜間(夜晚)定義為日落前一小時(shí)至日出后一小時(shí)的時(shí)段； ④不論何種天氣狀況，夜間前后各一小時(shí)算作中性，即D級(jí)穩(wěn)定度； ⑤強(qiáng)太陽(yáng)輻射對(duì)應(yīng)于碧空下太陽(yáng)高度角大于60°的條件，弱太陽(yáng)輻射相當(dāng)于碧空下太陽(yáng)高度角從15°到35°。在中緯度地區(qū)，仲夏晴天的中午為強(qiáng)太陽(yáng)輻射；寒冬晴天中午為弱太陽(yáng)輻射。云量將減少太陽(yáng)輻射，在確定太陽(yáng)輻射時(shí)云量應(yīng)與太陽(yáng)高度一起考慮。例如，在碧空下應(yīng)當(dāng)是強(qiáng)太陽(yáng)輻射；在有碎中云(云量為6/9～9/10)時(shí)要減弱到中等太陽(yáng)輻射；在有碎低云時(shí)減弱到弱太陽(yáng)輻射。

對(duì)于擴(kuò)散參數(shù)σy和σz可按照下式計(jì)算：

σy=γ1xα1

(2)

σz=γ2xα2

(3)

式中：α1——橫向擴(kuò)散系數(shù)回歸指數(shù)；α2——垂直擴(kuò)散系數(shù)回歸指數(shù)；γ1——橫向擴(kuò)散系數(shù)回歸系數(shù)；γ2——垂直擴(kuò)散系數(shù)回歸系數(shù)；x——距排氣筒下風(fēng)向水平距離。

以上各指數(shù)、系數(shù)的數(shù)值可按照表7確定。按表7和公式(2)，(3)確定的擴(kuò)散系數(shù)σy和σz對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間為30 min。根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的氣象條件和環(huán)境狀況，本次實(shí)驗(yàn)大氣穩(wěn)定度級(jí)別確定為B等級(jí)，具體參數(shù)見(jiàn)表7(部分節(jié)選)。

表7 擴(kuò)散系數(shù)冪函數(shù)表達(dá)式數(shù)據(jù)

1.3.2 煙羽抬升有效高度的確定 一般情況下，煙羽抬升的有效高度會(huì)因?yàn)樘鞖鉅顩r的不同而采用不同的計(jì)算模型，本文參考中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則和方法》(GB3840-91)。國(guó)標(biāo)公式中在不同情況下都給出了相應(yīng)的計(jì)算公式，并充分的考慮了煙氣熱源、風(fēng)速、城市和農(nóng)村地面粗糙度的不同以及煙氣溫度與大氣溫度的差別等相關(guān)影響因素。本文根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)試時(shí)的情況和氣象條件，選用了以下煙羽抬升模型進(jìn)行計(jì)算[9]：

(4)

式中：ΔH——煙氣抬升高度(m)； dTa/dTs——環(huán)境溫度梯度(K/m)；u——泄露口的排氣速度(m/s)；Qh——煙氣熱釋放率(kJ/s)，其具體的計(jì)算公式為:

(5)

式中：Pa——環(huán)境大氣壓力(Pa)；Qv——實(shí)際排煙率(m3/s)； ΔT——煙氣出口溫度與環(huán)境溫度差(K)；Ts——煙氣出口溫度(K)；Ta——環(huán)境大氣溫度(K)

1.3.3 試驗(yàn)條件下的理論數(shù)值模擬

(1) 試驗(yàn)場(chǎng)地概況。本次試驗(yàn)場(chǎng)地位于陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)內(nèi)，周?chē)ㄖ鄬?duì)稀疏，風(fēng)速風(fēng)向較為穩(wěn)定，利于CO2擴(kuò)散，同時(shí)亦比較適合進(jìn)行無(wú)人機(jī)的飛行監(jiān)控試驗(yàn)。在試驗(yàn)場(chǎng)附近10 m左右的地方有一個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，相關(guān)氣象資料可以通過(guò)監(jiān)測(cè)的記錄數(shù)據(jù)獲取。

(2) 試驗(yàn)案例模擬。試驗(yàn)測(cè)試時(shí)的大氣壓為102 900 Pa，環(huán)境溫度為2.4 ℃，測(cè)試時(shí)溫度在高度方向上的溫度梯度為0. 008 K/m。本次試驗(yàn)選擇的泄放源為儲(chǔ)氣瓶其內(nèi)部壓力為3.5 MPa，瓶?jī)?nèi)的CO2濃度達(dá)到99.99%以上，氣體噴出溫度為272.0 K；泄放口的直徑為30 mm；泄露口為圓狀，因此泄漏系數(shù)Cd可以選擇為1。由于本次試驗(yàn)選擇的將儲(chǔ)氣瓶水平放置可將源高度視為0；試驗(yàn)場(chǎng)的環(huán)境風(fēng)速為1.5 m/s，實(shí)際排煙率為0.015 m3/s，泄露口的煙氣排出速度為21.23 m/s。本次試驗(yàn)的泄放氣體為CO2，其基本物理性質(zhì)如下：相對(duì)分子質(zhì)量M為44 g/mol，氣體常數(shù)R為8.314 J/(mol·K)。參照帕斯圭爾穩(wěn)定度級(jí)別，本次試驗(yàn)的大氣穩(wěn)定度定為B等級(jí)。結(jié)合飛行試驗(yàn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，在高斯模型下計(jì)算在下風(fēng)向10 m處，高度為9.2 m的擴(kuò)散理論濃度。

由于本次飛行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中飛行方向穩(wěn)定與泄露口正對(duì)的下風(fēng)向，故本次計(jì)算將水平方向記為0，在相關(guān)條件下按照式(1)進(jìn)行高斯模擬，分別計(jì)算處在下風(fēng)向10 m處高度為9.2 m處的擴(kuò)散理論濃度為0.08 g/m3。因?yàn)?.98 g/m3相當(dāng)于1 000 mg/kg，在本次試驗(yàn)中泄放后的CO2擴(kuò)散至下風(fēng)向10 m高度為9.2 m處的濃度應(yīng)為40 mg/kg，此次飛行試驗(yàn)中響應(yīng)到的最高濃度為下風(fēng)向8 m高度為5.8 m的位置，監(jiān)測(cè)濃度為746 mg/kg，理論擴(kuò)散濃度為690 mg/kg。

2 結(jié)果與分析

在本次飛行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中，為了了解無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)CO2的泄漏監(jiān)測(cè)效果，再綜合考慮環(huán)境背景值、試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和理論擴(kuò)散濃度后分別進(jìn)行了同一位置(從第一次有濃度響應(yīng)開(kāi)始)不同高度下的濃度數(shù)據(jù)分析以及同一高度下不同位置的濃度數(shù)據(jù)分析(詳見(jiàn)表8—9)。

表8 環(huán)境背景值、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的比較

表9 環(huán)境背景值、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的比較

通過(guò)分析表明，在同一位置(正對(duì)泄漏源下風(fēng)向10 m處)監(jiān)測(cè)濃度隨著高度在不斷變化，變化趨勢(shì)與高斯模型下的理論數(shù)據(jù)濃度變化趨勢(shì)相同，數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明在無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)第一次對(duì)泄漏的CO2做出響應(yīng)的時(shí)候響應(yīng)濃度與理論濃度差距最小，隨著無(wú)人機(jī)高度下降響應(yīng)濃度與理論擴(kuò)散濃度差距越來(lái)越大，但是響應(yīng)濃度總體變化趨勢(shì)與高斯模型擴(kuò)散方式相同。

以5.8 m作為基準(zhǔn)高度(其中一組由于無(wú)人機(jī)不穩(wěn)定的原因選取5.7 m作為參考)進(jìn)行同一高度不同位置的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，從距離泄漏源10 m處開(kāi)始越靠近泄漏源的位置響應(yīng)到的濃度越高，但在距離11 m處響應(yīng)濃度比10 m處更高的濃度，可能是由于無(wú)人機(jī)旋翼速度變化和飛行軌跡的原因擾亂了試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的CO2分布。

研究還發(fā)現(xiàn)，在無(wú)人機(jī)第一次對(duì)泄漏的CO2做出響應(yīng)時(shí)，響應(yīng)濃度與理論濃度差距最小，在其他位置響應(yīng)濃度與理論濃度差距很大。綜合考慮后可能是如下原因造成的：

(1) 由于泄漏后的氣體會(huì)在開(kāi)始擴(kuò)散后與空氣發(fā)生稀釋作用，導(dǎo)致泄漏的CO2很難被完全捕捉到，尤其在泄漏強(qiáng)度很小的時(shí)候基本上在監(jiān)測(cè)到之前就已經(jīng)被稀釋了。

(2) 無(wú)人機(jī)的旋翼會(huì)對(duì)空氣造成擾動(dòng)，造成無(wú)人機(jī)周?chē)目諝饬鲌?chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致泄漏后的CO2更加快速的被稀釋?zhuān)挥捎跓o(wú)人機(jī)在進(jìn)行位置變化和保持穩(wěn)定的過(guò)程中會(huì)改變旋翼的轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)周?chē)目諝饬鲌?chǎng)變化更加復(fù)雜；通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也能發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)越靠近泄漏源對(duì)擴(kuò)散的影響越大，如果靠得太近甚至?xí)苯痈淖冃孤┖驝O2的擴(kuò)散方式。

(3) 由于試驗(yàn)場(chǎng)特殊的環(huán)境狀況，在進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)場(chǎng)空氣中的CO2濃度處在一個(gè)相對(duì)較高的水平，這也加大了無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)泄漏后的CO2響應(yīng)難度。

3 結(jié) 論

由于CCS技術(shù)在減排方面的巨大優(yōu)勢(shì)，引起社會(huì)的廣泛關(guān)注，但是由于其存在一定的泄漏風(fēng)險(xiǎn)性。通常一個(gè)CCS項(xiàng)目往往會(huì)在埋存場(chǎng)注入大量的CO2，一旦發(fā)生泄漏事故可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果，所以目前需要一種安全、可靠、能夠快速響應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。考慮到無(wú)人機(jī)的各方面優(yōu)勢(shì)，本文試圖利用無(wú)人機(jī)搭載監(jiān)測(cè)儀器的方式來(lái)對(duì)CCS項(xiàng)目中的泄漏風(fēng)險(xiǎn)事故進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文通過(guò)高斯模型計(jì)算和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠應(yīng)用到實(shí)際CCS項(xiàng)目的泄漏風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)中。

通過(guò)本次試驗(yàn)研究表明，無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全能夠?qū)CS泄漏后的CO2做出響應(yīng)，能夠應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)在越靠近泄漏源的地方對(duì)泄漏后的CO2擴(kuò)散情況影響越大，甚至在距離很小的情況下會(huì)直接改變其擴(kuò)散方式。本試驗(yàn)采用的無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)能夠響應(yīng)到的泄漏的CO2的極值理論濃度為40 mg/kg。在實(shí)際應(yīng)用中工業(yè)尺度的泄漏量往往是一個(gè)很大的值，無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠響應(yīng)到一個(gè)很大的空間場(chǎng)，具有實(shí)際應(yīng)用意義。