利用CALPUFF对安徽和河南秸秆焚烧的模拟与研究

杨怀荣，刘 茂，刘付衍华

南开大学城市公共安全研究中心，天津 300071

利用CALPUFF对安徽和河南秸秆焚烧的模拟与研究

杨怀荣，刘 茂*，刘付衍华

南开大学城市公共安全研究中心，天津 300071

秸秆焚烧会产生大量的颗粒物(PM)、氮氧化物、有机碳、苯以及多环芳烃等污染物，不仅影响空气质量，危害人体健康，而且大大降低能见度，对交通运输构成威胁.针对安徽和河南2009年6月严重的秸秆焚烧现象，对CALPUFF模拟系统和FEPS模型进行重新编译与整合，对空气动力学直径小于10μm的颗粒物(PM10)进行扩散模拟，得到逐时ρ(PM10)的烟羽扩散，并对模拟结果进行分析.结果表明，秸秆焚烧过程中焚烧点附近的ρ(PM10)较大，研究区域内部分区域的日均ρ(PM10)大于我国二级标准(150μg/m3)甚至三级标准(350μg/m3).如果考虑二次粒子，其影响程度会更加严重.

秸秆焚烧;颗粒物;烟羽扩散;CALPUFF模拟系统;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

近年来我国对农作物秸秆焚烧采取了多种措施以降低其规模，但焚烧现象依然难以遏制.农作物秸秆燃烧时会产生大量的 PM，有机碳，氮氧化物，苯及多环芳烃等有害气体，不仅危害人体健康，造成环境污染［1］，而且产生大量烟雾，大大降低能见度，威胁交通运输安全.2007年5月华北和江淮流域的粮食主产区出现大规模秸秆焚烧现象，使北京等周边城市的空气质量明显下降［2］.1997年5月14— 18日，成都双流机场由于焚烧秸秆产生大量烟雾造成10个航班无法降落，22架进出港航班延误，滞留旅客1 000多人［3］.

目前国内秸秆焚烧的研究主要有遥感对秸秆焚烧的监测、排放因子的试验研究以及排放清单的估算等，但很少对污染物的扩散进行模拟.祝斌等［4］对农作物秸秆燃烧时 PM2.5排放因子进行了试验研究，并分别对水稻、小麦和玉米等农作物秸秆在明火和闷火状态下的燃烧情况进行了试验，测定了燃烧过程中PM2.5的排放因子.王书肖等［5］采用排放因子法，建立了我国秸秆露天焚烧一次大气污染物的排放清单，并分析了其时间和空间的分布特征.厉青等［6］利用卫星遥感技术监测了2007年6月全国秸秆焚烧状况，并以某市为例，结合气象资料分析秸秆焚烧对环境空气质量的影响.方萌等［7］介绍了“3S”技术在农作物秸秆焚烧监测中应用的一般原理和方法，同时还介绍了国家卫星气象中心近年来采用“3S”技术监测农作物秸秆焚烧的概况.国外对于秸秆焚烧的研究除了有对排放因子的计算、遥感的监测外，还有对焚烧过程中产生污染物的扩散进行的计算机模拟.JAIN等［8］对太平洋海岸西北部秸秆焚烧的烟气扩散预测系统(ClearSky)进行了介绍，ClearSky是数值烟气扩散预测系统，通过确定秸秆焚烧情景，利用 MM5中尺度气象预测模型和CALPUFF模拟系统，模拟秸秆焚烧产生的 PM2.5浓度扩散情况.CHOI等［9］利用 CALPUFF/CALMET/ MM5模拟系统，对美国墨西哥边境秸秆焚烧排放的PM10浓度进行了扩散模拟，并与PM10的相关环境标准进行了对比.

据秸秆焚烧遥感监测日报发布的2009年全国秸秆焚烧分布遥感监测结果发现，安徽和河南两省6月中上旬的秸秆焚烧现象均十分严重.针对秸秆焚烧严重的现象，笔者借鉴国内外模拟颗粒物扩散的经验，整合了CALPUFF模型与FEPS模型，并对CALPUFF模型的部分程序进行了重新编译，模拟了安徽和河南两省2009年6月3日与5日秸秆焚烧产生的ρ(PM10)扩散情况，得到了PM10的烟羽扩散浓度，以期为相关部门提出相应的应急对策以及制订相关标准提供依据.

1 方法介绍

安徽和河南两省秸秆焚烧涉及的区域较广，并且气象和地形条件对 PM10的扩散有一定的影响.因此，选择长距离中尺度空气质量模型(CALPUFF)比较合适.该模型结合时变的气象资料与复杂的地形条件，能够很好地模拟不同尺度区域污染物的扩散情景，使模拟结果更真实地反映大气污染扩散的实际情况［10-11］.CALPUFF模拟系统需要气象条件、地理条件和污染物信息等，其中某些污染物信息由火灾排放模型 FEPS提供［12］.模拟系统框架见图1.具体包括:①根据卫星提供的遥感影像或其他信息确定秸秆焚烧位置、面积等参数，并查找当地的地理和气象条件;②将秸秆焚烧当成面源处理，利用FEPS模型确定PM10的烟羽抬升，并根据相关文献和经验值估算PM10的释放速率;③利用CALPUFF模型模拟秸秆焚烧排放的ρ(PM10)扩散，并对模拟结果进行分析和可视化.

图1 CALPUFF模拟系统与FEPS模型整合的模拟系统框架Fig.1 Framework of integrating CALPUFF system and FEPSmodel

2 模拟过程

2.1 研究区域与时段

研究区域是以116°E，33°N为中心，东西500 km，南北 350 km，总面积 17.5×104km2，转换为LCC坐标范围为:X(－300～150 km)，Y(－200～150 km)，网格间距为5 km，垂直方向分为10层.研究时段为2009年6月3日和5日，共2 d.

2.2 秸秆焚烧火点的确定

秸秆焚烧遥感监测日报是环境保护部卫星环境应用中心基于美国NASA的Terra和Aqua卫星搭载的MODIS传感器每日观测的遥感数据，通过热异常反演方法并结合历史土地利用等数据分析制作而成的.Terra卫星的过境时间大约在每日上午10:30左右，Aqua卫星的过境时间大约在每日下午13:30左右.MODIS波段多，灵敏度更高，监测频率高，每天对同一地方观测次数最多可达4次，因此能够探测到更小的面积(最小面积可达50 m2)、更多的火点.由于卫星遥感数据空间分辨率仅为1 km，土地利用和行政区划数据存在精度问题，在秸秆焚烧火点的定位会出现一定的偏差，但研究区域范围较大，遥感数据可以满足研究的需要.秸秆焚烧遥感监测日报可提供全国范围内秸秆焚烧火点的经纬度，因此可将各火点的经纬度视为秸秆焚烧火点的中心位置.

2.3 地理数据

CALMET模块需要地形数据和土地利用数据，包括土地类型、海拔高度、地表参数和人为热导系数.其中，地形数据利用子软件 TERREL处理GTOPO30文件得到TERREL.DAT数据文件;土地利用数据利用系统子软件 CTGPROC处理 USGSGlobal-Lambert Azimuthal的 ASIA数据，可得 LU. DAT数据文件.

2.4 气象资料

模拟系统中CALMET所需的气象数据包括地面和探空数据.地面气象站数据采用7个地面观测站2009年6月3日和5日逐时气象数据，包括风向、风速、温度、湿度、压力、云量和降水等，各地面站的具体信息见表1.探空气象数据采用9个探空站6月3日和5日每天2次的探空数据，探空站具体信息见表2.CALMET模块可以获得研究区域的时变10层模拟气象场，用以分析高空以及地面的气象场对污染物传输和扩散的影响，其中风速、风向受地形条件影响.LCC坐标下6月3日08:00的地形风场图见图2.

表1 地面监测站具体信息Table 1 Basic information about the surface stations

表2 探空站具体信息Table 2 Basic information about the upper air stations

图2 2009年6月3日08:00地形风场图Fig.2 Simulated surface winds over the CALPUFF domain(08:00 July 3rd，2009)

2.5 秸秆焚烧面源数据

秸秆焚烧面源数据包括秸秆焚烧火点的空间分布、燃烧持续时间、释放速率和初始垂直扩散系数.

2.5.1 秸秆焚烧火点的空间分布

秸秆焚烧火点的空间分布包括火点的位置与焚烧面源的面积.火点位置可根据秸秆焚烧遥感监测日报提供的数据确定，焚烧面积信息需根据相关文献以及实际情况考虑.何立明等［13］统计秸秆焚烧像元数和实际年焚烧面积的关系发现，二者间存在很好的线性关系，即焚烧面积=0.644 9×火点像元数+27.365.CHOI等［9］模拟美墨边境秸秆焚烧时设定的面积假定为像元的面积大小(221 m×323 m).SMITH［14］将MODIS监测数据和问卷调查结合起来，估算2个月内平均秸秆焚烧的面积为(75± 6)hm2，则每 d平均秸秆焚烧为(1.25±0.1)hm2.参考前面3种情况，并为简化模拟，假定火点的面积为1 hm2.

2.5.2 秸秆燃烧持续时间

JENKINS等［15］的风洞试验条件:麦秆点火方式为逆风点火，风速为 2～3 m/s，空气温度为 21～27℃，燃料负荷为400～500 g/m2.最后试验得到的燃烧蔓延速度为0.2～0.4 m/m in.研究区域内6月3日和5日的平均风速、风向、温度和稳定度见图3.比较图3的气象条件和JENKINS等［15］的风洞试验条件发现，安徽和河南3日和5日的实际秸秆焚烧条件与风洞的试验条件基本相似，因此可将风洞试验得到的结果作为实际燃烧速率的初步假设.考虑到6月3日与5日大气稳定度较低，燃烧蔓延速率取风洞试验得到的较大蔓延速率(0.4 m/min).假定蔓延速率恒定，1 hm2的秸秆燃烧持续时间约为4 h，假定秸秆焚烧时段为上午08:00—11:00，下午12:00—15:00.

图3 2009年6月3日研究区域内平均风向、风速、温度、稳定度随时间的变化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 污染物释放速率

污染物释放速率计算方法:

式中，释放速率单位为g/(m2·s);排放因子单位为g/kg;可燃物负荷量单位为kg/m2;燃烧持续时间单位为 s.

据报道，PM10的排放因子为5.77 g/kg［16］;可燃物负荷量可以用单位面积秸秆量表示，而秸秆量用产量乘以谷草比表示，其中小麦产量为 0.525 kg/m2，谷草比为 1.366［16］，则可燃物负荷量为0.717 2 kg/m2;燃烧持续时间为4 h.计算得到释放速率为2.874×10－4g/(m2·s).

2.5.4 初始垂直扩散系数

秸秆燃烧过程中释放的热量会产生浮力，浮力会使秸秆焚烧过程产生的大部分气体漂浮并向更广的时空尺度扩散.CALPUFF可以处理浮力面源、一般面源、点源和体源等，模拟秸秆焚烧最合理的应是浮力面源，但因为缺少有效面源垂直速度和燃烧温度等参数，所以考虑由浮力产生的烟羽抬升的一般面源作为替代.其中，烟羽抬升高度的计算采用FEPS模型计算烟羽抬升高度的原理，具体公式:

式中，ΔHF-min，i和 ΔHF-max，i分别为第 i小时 FEPS模型中最小与最大经验热气抬升高度，m;ARi为第i－1小时与i h内的燃烧面积变化率，hm2/h;PBot为最大有效烟羽底部抬升高度，缺省值为4 000 m;PTop为最大有效烟羽抬升高度，缺省值为8 000 m;ARBot与ARTop为基准变化率，缺省值均为161.876 hm2/h.

1 hm2的秸秆4 h烧完，平均燃烧面积变化率为0.25 m2/h，带入式(1)，(2)得到 ΔHF-min，i为12.344m，ΔHF-max，i为6.172 m.初始垂直扩散系数(σx)=烟羽抬升高度/3.5［11］，最大初始垂直扩散系数σmax= 3.527 m，最小初始垂直扩散系数σmin=1.764 m.

2.6 CALPUFF模型系统的重新编译

CALPUFF模型默认的可以模拟的最大面源数是200个，而6月3日要模拟的火点数是241个，6月5日要模拟的火点数为423个.为满足模拟需求，对源程序进行重新编译.首先将 paramsl.puf中最大面源数限值改成 500个，然后利用 LF Fortran Professional v7.2重新编译源程序，最后在CALPUFF主页面上执行新的参数文件.

3 结果与讨论

3.1 CALPUFF模拟的逐时ρ(PM10)

CALPUFF模拟6月3日与5日最大、最小烟羽抬升下逐时最大ρ(PM10)见表3.由表3可知，3日和5日00:00—07:00因没有秸秆焚烧现象，在不考虑背景值的情况下ρ(PM10)为0;3日08:00—23:00最大烟羽抬升下逐时最大ρ(PM10)范围为4.996 1～3 040.7μg/m3;最小烟羽抬升下的ρ(PM10)范围为5.007 8～6 069.2μg/m3.5日08:00—23:00最大烟羽抬升下逐时的最大ρ(PM10)范围为 4.285～2 562μg/m3;最小烟羽抬升下的ρ(PM10)范围为4.284 9～5 122.4μg/m3.对比3日和5日最大和最小烟羽抬升下的ρ(PM10)，在秸秆燃烧阶段最小烟羽抬升下ρ(PM10)是最大烟羽抬升下的2倍，而在其他时段ρ(PM10)不存在明显的比例关系.

表3 最大、最小烟羽抬升下逐时最大ρ(PM10)Table 3 The maximum hourly PM10mass concentration with different plume rise μg/m3

3.2 CALPUFF模拟ρ(PM10)的时空分布

3日和5日最大、最小烟羽抬升下ρ(PM10)日均值以及逐时ρ(PM10)空间分布见图4～7，其中最大ρ(PM10)标在图4～7中，单位为 μg/m3.由图4～7可知，ρ(PM10)较高的区域火点比较密集，并且最大值出现在火点密集的区域.扩散过程受气象条件影响明显，受风速及风向的影响尤其大.将图4与图5，图6与图7对比可知，初始烟羽抬升高度对扩散有明显的影响，当烟羽抬升高度较小时，扩散浓度相对较大.对图4～7各子图进行分析可知，秸秆焚烧时段逐时ρ(PM10)要远大于日均值和非燃烧时段23:00的值.

模拟区域内3日火点数为241个，5日为423个.根据模拟结果，6月3日最大烟羽抬升下 PM10总排放量为3 716.4μg/m3，最小烟羽抬升下 PM10总排放量为6 551.2μg/m3;6月5日最大烟羽抬升下PM10总排放量为9 682.8μg/m3，最小烟羽抬升下PM10总排放量为18 169.1μg/m3.可见，总排放量不仅与烟羽抬升高度有关，而且还与火点数有关，火点越多，总的ρ(PM10)越大.

3日最小、最大烟羽抬升下的最大日均ρ(PM10)分别为323.9和164μg/m3，5日分别为360.1和180.77 μg/m3，可见部分区域日均ρ(PM10)大于国家二级标准的150μg/m3甚至三级标准的350μg/m3，说明秸秆焚烧现象对空气质量有比较显著的影响.

3.3 ρ(PM10)与空气质量

6月3日和5日郑州、合肥和平顶山的首要污染物都为可吸入颗粒物，具体 API数值和推算得到的ρ(PM10)见表4.由表4可知，各城市5日的空气质量比3日的差，ρ(PM10)也相应变大，与秸秆焚烧量有关，说明秸秆焚烧对空气质量有一定的影响.

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

图5 6月3日最大烟羽抬升下日均ρ(PM10)(μg/m3)及11:00，15:00和23:00逐时平均ρ(PM10)(μg/m3)Fig.5 PM10mass concentration(μg/m3)in maximum plume rise on June 3rd，2009

图6 6月5日最小烟羽抬升下日均ρ(PM10)(μg/m3)及12:00，15:00和23:00逐时平均ρ(PM10)(μg/m3)Fig.6 PM10mass concentration(μg/m3)in minimum plume rise on June 5th，2009

图7 6月5日最大烟羽抬升下日均ρ(PM10)(μg/m3)及12:00，15:00和23:00逐时平均ρ(PM10)(μg/m3)Fig.7 PM10mass concentration(μg/m3)in maximum plume rise on June 5th，2009

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

3.4 模型局限性

模型只模拟了安徽和河南6月3日和5日当天4 h秸秆燃烧对周围环境的影响，如果考虑麦收后期连续几天或十几天的燃烧，则监测到的火点要比实际情况少，以及考虑二次颗粒的形成等因素，那么秸秆焚烧对周围环境的影响会更加严重.

在模拟过程中一些输入参数只是简单地估算或设定的缺省值，致使输入参数不够精确，所以模型具有一定的不确定性.

4 结论

a.秸秆焚烧排放的ρ(PM10)受烟羽抬升高度、火点数以及火点密集程度等因素的影响.烟羽抬升高度越高，ρ(PM10)越低.火点数越多，总ρ(PM10)越大.火点密集的地方ρ(PM10)较高，最大值出现在火点密集的区域.

b.在模拟区域内，焚烧阶段最小烟羽抬升下逐时ρ(PM10)是最大烟羽抬升下的2倍，而在其他非焚烧时段最小和最大烟羽抬升下的逐时ρ(PM10)不存在明显的比例关系.

c.部分区域日均ρ(PM10)大于国家二级标准的150μg/m3甚至三级标准的350μg/m3，说明秸秆焚烧现象对空气质量有显著的影响.如果考虑二次粒子和其他条件，影响程度会更加严重.

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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

国家自然科学基金重点项目(70833003);国家“十一五”科技支撑计划项目(200603746006)

杨 怀 荣 (1986 －)，女，黑 龙 江 牡 丹 江 人，mapleyb@126.com.

*责任作者，刘茂(1945－)，男，辽宁抚顺人，教授，博导，主要从事城市公共安全研究，lmsafety@nankai.edu.cn