CALPUFF模型在某露天煤礦煤塵模擬中的應用

(1.新疆農業大學，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆環境保護科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究方法

我國是世界第一產煤大國，產量占世界的37%，同時煤炭也是我國的主要能源之一，占國內一次能源生產總量的76%[1]，其中露天煤礦開采在我國煤炭生產中占有重要地位。為了研究露天煤礦煤塵擴散對周邊城市的影響，可使用CALPUFF模擬系統來進行研究。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三部分組成[2]。

本文以美國國家大氣研究中心(NCAR)氣象再分析數據(Reanalysis data)和美國地質調查局(USGS)地理數據為基礎，首先使用MM5[3]模擬生成逐時的中尺度氣象數據，然后利用CALMET模型對MM5數據做進一步的診斷分析，使其能夠反映高分辨率的地形和土地利用數據，通過對2012年7月、10月和2013年1月、4月氣象場的模擬，得到某露天礦及其周邊地區的詳細氣象時空變量場。然后利用CALMET產生的氣象場文件，使用CALPUFF[4]高斯煙團模式，以平流輸送煙團的形式模擬污染源排放出物質的擴散過程。最后，后處理模塊CALPOST將CALPUFF生成的濃度場文件依用戶的需要進行處理，生成如逐時濃度文件、日均濃度文件和月及年平均濃度文件等。

最后，對比分析模擬值和監測值，從而驗證CALPUFF模型對露天煤礦煤塵擴散模擬的可信度。

2 模擬方案

2.1 中尺度氣象背景場

本文MM5以某煤礦地理中心為網格中心，由三個相互嵌套的網格組成。其中外層的DOMAIN1包括從省西部至省東北部，覆蓋整個省區，并為內層的區域提供邊界條件；內層DOMAIN2北起某河，南至某山南緣，包含整個省內野生動物保護區；最內層DOMAIN3區域包括了礦區，及其附屬設施，詳細設置的參數見表1。選取2012年7月，2012年10月，2013年1月，2013年4月，四個月的時間分別代表春、夏、秋、冬四個季節來進行氣象場的模擬。

表1 MM5模式模擬區域設計

模型使用資料包括：

(1) 地形地表資料：美國地質調查局(USGS)全球2min精度的地形和地表格點資料(地表分為24類)。

(2) 氣象背景場初始資料：美國國家環境預報中心(NCEP)的1°×1°fnl格式全球再分析格點資料。

2.2 CALMET診斷氣象場

在MM5三層嵌套模擬的基礎上，使用CALMET模擬區域內的氣象場。以MM5 DOMAIN3的輸出結果作為其氣象輸入資料，以美國地質調查局(USGS)的90m精度格點資料作為其地理輸入資料，其中包括：

模擬區域中心點經緯度，網格格距0.5km，格點數為80×80。區域模擬的垂直高度均為3000m，從地面開始向高空共垂直定義10層、11個等高面，以相鄰兩個等高面的中心高度作為每層的有效高度，垂直等高面高度分別為0，20，40，80，160，300，600，1200，2000，2500，3000。模擬時間與MM5模擬的時間范圍相同(1、4、7、10月)，模式輸出結果時間間隔1h。

2.3 排放源參數設置

根據CALPUFF格式要求及煤礦的自身情況，將堆煤場和排土場揚塵設置為體源，將道路運輸揚塵設置為線面源，將礦坑開采揚塵設置為面源，將巖層爆破揚塵設置為點源。將表2-表5的內容輸入到模型中去，進行礦區煤塵濃度模擬。

表2 體源輸入文件相關參數

表3 線面源輸入文件的相關參數

表4 面源輸入文件的相關參數

表5 點源輸入文件的相關參數

3 模擬結果分析

3.1 氣象要素

由CALMET模擬得到的數據分析該區域的氣象要素，包括風速、風向、溫度層結、大氣穩定度和混合層高度。

3.1.1 風速和風向

由極限平衡理論可知大主應力作用面與破壞面的夾角為α2=45°+φ′/2；在拱軸線x=L/2處的切線斜率為：

模擬的礦區四季平均風速中，冬季的平均風速最大，為4.77m/s；春季和夏季平均風速次之，分別為3.90m/s和3.73m/s；秋季的平均風速最小，為3.61m/s。小時風速在一天之中并不是保持不變的，而是存在著劇烈的變化，最大可能相差數倍。

并且礦區各季節西風和東風的概率最高，次主導風向為西北風。其中，春季主導風向為西北風，最大風速為11-17節(1節=1.852千米/小時)的風頻為12%，次主導風向為東風，最大風速11-17節所占風頻為14%；夏季以西風為主，最大風速為11-17節的風頻為35%；秋季以東風為主，風頻為28%；冬季主導風為東風，最大風速超過22節，所占風頻為45%；

3.1.2 溫度場

溫度層結是指空氣溫度隨高度變化的情況，它決定著大氣的穩定度和混合層的高度，影響湍流的強度，因而溫度層結與空氣污染狀況密切相關。對CALMET模擬的2011年夏季(7月)和冬季(12月)00、04、08、12、16、20時，礦區地面到3500m，共10個高度層的月平均溫度進行分析。計算結果如圖1。

圖1 四季日氣溫變化

經過模擬發現，夏季礦區地表平均溫度的日變化范圍在27～37℃之間。地表至2000m高度為垂直溫度的劇烈變化區。

春季均溫為4℃，夏季均溫為30℃，秋季均溫為9℃，冬季均溫為-6℃，四季溫差較大，夏季和冬季最高溫和最低溫最大相差37℃，符合該省四季分明的氣候特征。

3.1.3 混合層高度

不同季節礦區的日變化特征基本相同，但最大混合層高度變化較大，其中夏季>春季>秋季>冬季，夏季最高可達到2500m以上，冬季最高只有200m左右，混合層高度與溫度層結密切相關，經過模擬發現，在白天，近地面氣溫的垂直遞減率大于干絕熱遞減率，空氣處于不穩定狀態，易進行垂直交流，所以白天的混合層高度較高；晚上垂直遞減率小于干絕熱遞減率，甚至出現逆溫，因此混合層高度較低。

3.2 濃度值對比分析

為了校驗CALPUFF模擬煤塵濃度的準確性，需將模擬的煤塵濃度結果與監測數據進行對比。在監測區域內，共設置5個常規空氣質量監測站，分別為管委會辦公樓前、電廠、篩分場、采坑內。

在春夏秋冬四個季節，以5個監測點的PM10均值作為特征監測值，和PM10模擬值進行對比，從而進行驗證。圖2給出了各特征監測點和礦區模擬平均濃度對比圖。

圖2 各監測點PM10監測值和模擬值對比

監測點名稱月份監測值14710模擬值14710相關系數管委會辦公樓前0.0970.090.080.140.0670.0880.08540.10590.687911894電廠0.9741.2140.911.3140.951.1980.9831.1230.857222128篩分場1.2451.2453.42.7370.9870.8761.3321.6730.789818963煤礦采坑1.7651.2650.682.0621.9511.5410.5851.6980.88350318

對各監測點均值的PM10模擬濃度與監測值進行對比，總體看來，模式計算濃度與實際相比，在數值上有一定的偏差，但在數量級上具有較好的一致性，模擬結果基本上反映了實際觀測的主要變化趨勢。二者濃度變化趨勢基本一致，監測值與預測值相關系數在0.82左右，礦區平均濃度的相關性系數最高為0.88，說明模式模擬結果具有較高的有效性和可信性?？烧J為研究選取的模擬和設計方案能有效模擬該礦區空氣質量變化情況。

雖然趨勢的一致性很好，但從表5.3可以看出，模擬值與監測值的大小有差異，夏季預測值大約是監測值的0.4～1.2倍；而冬季，監測值是預測值的0.7～1.1倍。產生這一現象的原因是源排放速率采用全季平均的處理方法有關，而現實中源排放速率會隨時間變化。

4 結 論

本文通過耦合MM5/CALMET和CALPUFF模型模擬某礦區的氣象條件及煤塵濃度，得出以下結論：

(1)礦區不同季節平均風速從大到小為冬季>春季>夏季>秋季。春季主導風向為西北風，次主導風向為東風，夏季以西風為主，秋季以東風為主，冬季主導風為東風，全年主導風向以北西風和東南風為主。

(2)礦區夜晚易形成逆溫，冬季逆溫層厚度較大、維持時間最長，夏季厚度較小、時間較短。當逆溫時間較長且厚度較大的時候，由于氣溫的垂直遞減率小于標準大氣，不利于空氣的上下流動，礦區煤塵不易擴散，造成空氣質量下降。

(3)混合層高度晚上較低，白天較高。對不同季節，夏季混合層高度最高可達2500m以上，其次為春季和秋季，冬季混合層高度最低只有200m左右，極不利于擴散，造成近地面污染物的堆積，易加重空氣污染。

(4)對比模擬值和監測值發現，兩者的數據雖有差異，但數量級相同并且趨勢上也具有很好的相似性，最高相關系數達到了0.88，說明CALPUFF模型在露天煤礦的煤塵擴散模擬中具有較高的可信度。

參考文獻：

[1]高峰.草原區露天煤礦大氣環境影響后評—以神華勝利一號露天礦為例，內蒙古大學，碩士論文，2011.6.

[2]馬鋒敏.北京及周邊地區典型大氣污染過程的數值模擬研究[D].南京信息工程大學，2007，6.

[3]李楠，孫鴻雁，等.吉林省MM5(MRF)中期模式分季節分系統24—48小時降水能力檢驗[J].吉林氣象，2010(04)：89-98.

[4]永建，賴安偉.山西省陽泉市大氣環境質量數值模擬[D].環境科學與技術，2010(02)：34-43.