Calpuff模型在生活垃圾填埋場臭氣擴散模擬中的應用*

何 晟，沈斯亮，干 磊，夏金雨，陳為海

（1.蘇州市環境衛生管理處，江蘇 蘇州 215007；

2.浙江大學軟弱土與環境土工教育部重點實驗室，浙江 杭州 310058）

近年來，隨著計算科學的發展，基于計算機操作平臺上的空氣質量模型被廣泛地用來模擬預測污染物的擴散分布情況，ISCST3模型、ADMS模型、Calpuff模型及Aermod等擴散模式在填埋場的臭氣擴散分布模擬中開始得到應用，并證明能夠有效地模擬填埋場的臭氣擴散［1-4］。筆者結合蘇州市某填埋場的地形及氣象條件，采用Calpuff模型對臭氣的擴散進行模擬，掌握臭氣擴散的規律，為采取合理的臭氣控制措施提供依據。

1 模擬方法與設計

1.1 Calpuff模型介紹

Calpuff模型是用于模擬污染物傳輸行為的集成模擬系統，是美國國家環境保護局推薦并長期支持開發的空氣質量擴散模式［5］，同時也是中國環境保護部推薦使用的預測模型之一［6］。該模型適用于幾十米至數十公里的氣體擴散分析工作。Calpuff模式是多層、多種非定常煙團擴散模型，可模擬在時空變化的氣象條件下對污染物輸送、轉化和清除的影響，包括計算次層網格區域的影響和長距離輸送的影響。

Calpuff模擬系統包括氣象模式Calmet、高斯煙團擴散模式Calpuff和后處理軟件Calpost。Calmet通過2步方案來產生三維診斷風場。第1步，主要通過地形的運動學效應、斜坡流效應、閉合效應以及三維輻散最小化來調整初始猜測風場。第2步，用診斷模型處理風場時把觀測資料引入第1步格點風場，這個過程主要包括插值、平滑、垂直速度的調整、輻散最小化。Calpuff煙團擴散模塊是模式的核心部分，利用Calmet產生的氣象場文件，以平流輸送煙團的形式模擬從污染源排放出物質的擴散過程。Calpuff基本原理為高斯煙團模型，利用在采樣時間內進行積分的方法，計算網格點和各指定點的污染濃度。Calpuff煙團擴散模型基于MESOPUFF模型的綜合采樣函數，對遠距離輸送擴散煙團的空間軌跡和濃度分布模擬采用積分煙團（puff）公式，而對近源擴散的模擬則采用拉長煙片（slug）公式。考慮到填埋場的實際情況，多選用slug模式進行較為精確的計算。Calpost是后處理模塊。該模塊可將Calpuff生成的濃度場文件依用戶的不同目的進行相應處理，如生成不同格式的逐時濃度文件、日平均濃度文件和月及年平均濃度文件等。

1.2 模擬設計

1.2.1 臭氣擴散模擬方案

D.Ying等在杭州某垃圾填埋場的氣體成分監測結果表明，氨氣的氣體濃度分布于（520.0±46.1） ～ （4 020.0±212.5） μg/m3，占氣體總濃度的84.05%～93.94%［7］。本次對蘇州市某填埋場的臭氣擴散評估近似地將堆體表面的惡臭氣體釋放分析簡化為氨氣釋放的情景進行分析，在氣體的釋放過程中，忽略氣體在擴散過程中發生相互反應生成新產物的情況。

根據蘇州的氣象條件、填埋場的實際日處理能力以及地理位置等因素，臭氣擴散分析的范圍是以填埋場作業面為中心、半徑為3.5 km的區域；模擬日期選擇4個季節中的4 d，春季3月15日、夏季7月15日、秋季10月15日和冬季12月15日。

1.2.2 臭氣擴散模擬標準

填埋場的排放標準及國內部分填埋場實測濃度如表1和表2所示。

表1 氨氣排放的國家標準（GB 14554—1993） mg/m3

表2 國內填埋場氨氣實測強度 mg/m3

1.2.3 氣象參數確定

使用系統內的氣象模式Calmet對蘇州市某氣象站獲得的氣象數據進行分析，對格式為FNL的源數據重新計算，生成M3D格式代入軟件生成。氣象數據的分析選用了高精度的100 m×100 m尺度，確保計算出的風向變化與真實情況更為接近。

1.2.4 污染物源頭釋放數據確定

惡臭氣體種類和含量隨著季節的變化而變化，并與溫度直接相關。S.C.Zou等［10］對廣州某垃圾填埋場惡臭氣體的研究發現，較高的溫度和濕度會引起垃圾中有機物質快速生物降解，導致較多的填埋氣體產生。同時，根據表2國內填埋場氨氣實測強度，本次模擬將填埋場氨氣釋放的最大值設定為夏季（7月），排放濃度為4 mg/m3，其他季節的排放濃度分別設置為春季（3月） 2 mg/m3、秋季（10月） 3 mg/m3和冬季（12月） 2 mg/m3，氣壓默認為標準狀態氣壓。通量計算公式為：

由于通量j'為理想氣體通量公式，需在實驗中加以修正：

其中：v為靜態箱體積；s為靜態箱底面積；c為測量的目標氣體濃度；j為目標氣體輸入排放通量。

本次模擬假設通量測試所用的靜態箱為底面積1 m2，體積為1 m3的方形箱體；忽略溫度、氣壓對于排放通量的影響。通過反推，計算出3月、7月、10月和12月的排放通量分別為0.002、0.004、0.003、0.002 g/（m2·s）。

2 結果分析

2.1 不同氨氣濃度在不同季節的擴散運移分析

在氨氣嗅覺閾值濃度（0.1 mg/m3）和二級排放標準（2 mg/m3）時，保持氣體的釋放速率不變，用Calpuff模式對蘇州市某垃圾填埋場一年四季的氨氣擴散情況進行模擬，模擬的擴散云圖（部分） 如圖1所示。

圖1 氨氣在不同季節中午12點的擴散云圖

在氨氣嗅覺閾值濃度（0.1 mg/m3）和二級排放標準（2 mg/m3）時，氣體的運移隨著時間和作業面的面積發生一定的改變，不同季節的某一天中，氣體擴散的距離與時刻的變化趨勢如圖2～3所示。

春夏秋冬4個季節中，夏季的氣體擴散效應最為明顯，在夏季，二級排放標準濃度和嗅覺閾值濃度所影響的范圍分別達到1.7 km與3.6 km。這是因為我國生活垃圾中有機物質含量高，夏天的有機物含量達到1 a中的峰值，且夏季溫度較高，有機物的生化降解保持在活躍的階段；此外，與蘇州該垃圾填埋場的地理特點與風向因素有關，夏季是1 a中風向影響最為嚴重的時間段。

氨氣擴散的范圍在白天與夜間差異明顯，白天擴散的距離明顯大于夜間。造成這種現象的原因是因為氨氣主要來源于填埋場內有機物的生化降解，夜間溫度較低，抑制了有機物的生化降解活動，使氣體的生成量減少；另一方面，夜間氣壓較高，風速偏慢，氣體擴散范圍較小，而白天氣壓較低，風速加快，溫度的升高加速了有機物的生化降解行為；此外，白天一般為垃圾填埋的作業時間，填埋面敞開時間較長，從而造成氣體擴散范圍較大。

圖2 嗅覺閾值濃度影響范圍隨著時刻的變化

圖3 二級排放濃度影響范圍隨著時刻的變化

2.2 風速對氨氣擴散運移的影響分析

氣體的擴散與各種自然條件例如風速、溫度、大氣壓強等有著直接的聯系，同時直接受到源強強度的控制。在不考慮氣象條件對源強產生影響的前提下，風速對氣體的擴散也起到了直接的影響。本次模擬風速對氣體擴散的影響，以3月15日上午9點作為分析的對象，按照最低標高49 m處的不同風速，對填埋場的氨氣擴散進行分析，擴散云圖如圖4所示。

圖4 氨氣隨不同風速的擴散云圖

當風速較慢時，惡臭氣體擴散能力較差，氣體累積在一個較小范圍以內；隨著風速的加快，在一定的風速范圍內，臭氣影響區域擴大。隨著風速的進一步增加，臭氣高濃度區域逐漸變小，而低濃度的影響區域變大。

在恒定的源強下，風速與氨氣嗅覺閾值濃度（0.1 mg/m3）與二級排放標準濃度（2 mg/m3）下的擴散距離的相互影響關系如圖5所示。

圖5 風速逐級增加情況下嗅覺閾值濃度與二級排放標準濃度的影響距離

在源強不變的條件下，風速對氣體擴散的影響比較顯著，二級排放濃度和嗅覺閾值濃度的影響范圍隨著風速的變化規律大體相同。在風從靜止狀態到4級（風速約為6 m/s） 時，氨氣的擴散距離隨著風速的增加逐漸增大，最遠可傳播到1 500 m；隨著風速的進一步增加，風的稀釋作用開始逐漸顯現，擴散的距離開始減小，并最終大致約束于填埋場廠界范圍之內。

3 結論

1）在不控制源頭表面排放速率的情況下，氨氣能夠擴散至該填埋場周邊2 km左右的范圍。

2）夏季氨氣的擴散效應最為明顯，需著重加強夏季填埋作業時的臨時覆蓋，縮短作業時間。

3）風速對氨氣擴散距離的影響比較顯著，4級風速下的嗅覺閾值濃度范圍下的傳播距離是1級風速下的1倍以上，且在靜風與4級風速的范圍內，傳播距離整體隨著風速的增加而增加。在每日填埋前，可提前獲取當日的風向、風速情況，以便提前做好控制準備。

4）由于自然條件無法人為控制，因此只有做好填埋場表面的臨時覆蓋措施，才能有效地減輕惡臭氣體對于周邊環境的影響。

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