CALPUFF模型在某露天煤矿煤尘模拟中的应用

(1.新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆环境保护科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830011)

1 研究方法

我国是世界第一产煤大国，产量占世界的37%，同时煤炭也是我国的主要能源之一，占国内一次能源生产总量的76%[1]，其中露天煤矿开采在我国煤炭生产中占有重要地位。为了研究露天煤矿煤尘扩散对周边城市的影响，可使用CALPUFF模拟系统来进行研究。CALPUFF模拟系统包括气象模式CALMET、高斯烟团扩散模式CALPUFF和后处理软件CALPOST三部分组成[2]。

本文以美国国家大气研究中心(NCAR)气象再分析数据(Reanalysis data)和美国地质调查局(USGS)地理数据为基础，首先使用MM5[3]模拟生成逐时的中尺度气象数据，然后利用CALMET模型对MM5数据做进一步的诊断分析，使其能够反映高分辨率的地形和土地利用数据，通过对2012年7月、10月和2013年1月、4月气象场的模拟，得到某露天矿及其周边地区的详细气象时空变量场。然后利用CALMET产生的气象场文件，使用CALPUFF[4]高斯烟团模式，以平流输送烟团的形式模拟污染源排放出物质的扩散过程。最后，后处理模块CALPOST将CALPUFF生成的浓度场文件依用户的需要进行处理，生成如逐时浓度文件、日均浓度文件和月及年平均浓度文件等。

最后，对比分析模拟值和监测值，从而验证CALPUFF模型对露天煤矿煤尘扩散模拟的可信度。

2 模拟方案

2.1 中尺度气象背景场

本文MM5以某煤矿地理中心为网格中心，由三个相互嵌套的网格组成。其中外层的DOMAIN1包括从省西部至省东北部，覆盖整个省区，并为内层的区域提供边界条件；内层DOMAIN2北起某河，南至某山南缘，包含整个省内野生动物保护区；最内层DOMAIN3区域包括了矿区，及其附属设施，详细设置的参数见表1。选取2012年7月，2012年10月，2013年1月，2013年4月，四个月的时间分别代表春、夏、秋、冬四个季节来进行气象场的模拟。

表1 MM5模式模拟区域设计

模型使用资料包括：

(1) 地形地表资料：美国地质调查局(USGS)全球2min精度的地形和地表格点资料(地表分为24类)。

(2) 气象背景场初始资料：美国国家环境预报中心(NCEP)的1°×1°fnl格式全球再分析格点资料。

2.2 CALMET诊断气象场

在MM5三层嵌套模拟的基础上，使用CALMET模拟区域内的气象场。以MM5 DOMAIN3的输出结果作为其气象输入资料，以美国地质调查局(USGS)的90m精度格点资料作为其地理输入资料，其中包括：

模拟区域中心点经纬度，网格格距0.5km，格点数为80×80。区域模拟的垂直高度均为3000m，从地面开始向高空共垂直定义10层、11个等高面，以相邻两个等高面的中心高度作为每层的有效高度，垂直等高面高度分别为0，20，40，80，160，300，600，1200，2000，2500，3000。模拟时间与MM5模拟的时间范围相同(1、4、7、10月)，模式输出结果时间间隔1h。

2.3 排放源参数设置

根据CALPUFF格式要求及煤矿的自身情况，将堆煤场和排土场扬尘设置为体源，将道路运输扬尘设置为线面源，将矿坑开采扬尘设置为面源，将岩层爆破扬尘设置为点源。将表2-表5的内容输入到模型中去，进行矿区煤尘浓度模拟。

表2 体源输入文件相关参数

表3 线面源输入文件的相关参数

表4 面源输入文件的相关参数

表5 点源输入文件的相关参数

3 模拟结果分析

3.1 气象要素

由CALMET模拟得到的数据分析该区域的气象要素，包括风速、风向、温度层结、大气稳定度和混合层高度。

3.1.1 风速和风向

由极限平衡理论可知大主应力作用面与破坏面的夹角为α2=45°+φ′/2；在拱轴线x=L/2处的切线斜率为：

模拟的矿区四季平均风速中，冬季的平均风速最大，为4.77m/s；春季和夏季平均风速次之，分别为3.90m/s和3.73m/s；秋季的平均风速最小，为3.61m/s。小时风速在一天之中并不是保持不变的，而是存在着剧烈的变化，最大可能相差数倍。

并且矿区各季节西风和东风的概率最高，次主导风向为西北风。其中，春季主导风向为西北风，最大风速为11-17节(1节=1.852千米/小时)的风频为12%，次主导风向为东风，最大风速11-17节所占风频为14%；夏季以西风为主，最大风速为11-17节的风频为35%；秋季以东风为主，风频为28%；冬季主导风为东风，最大风速超过22节，所占风频为45%；

3.1.2 温度场

温度层结是指空气温度随高度变化的情况，它决定着大气的稳定度和混合层的高度，影响湍流的强度，因而温度层结与空气污染状况密切相关。对CALMET模拟的2011年夏季(7月)和冬季(12月)00、04、08、12、16、20时，矿区地面到3500m，共10个高度层的月平均温度进行分析。计算结果如图1。

图1 四季日气温变化

经过模拟发现，夏季矿区地表平均温度的日变化范围在27～37℃之间。地表至2000m高度为垂直温度的剧烈变化区。

春季均温为4℃，夏季均温为30℃，秋季均温为9℃，冬季均温为-6℃，四季温差较大，夏季和冬季最高温和最低温最大相差37℃，符合该省四季分明的气候特征。

3.1.3 混合层高度

不同季节矿区的日变化特征基本相同，但最大混合层高度变化较大，其中夏季>春季>秋季>冬季，夏季最高可达到2500m以上，冬季最高只有200m左右，混合层高度与温度层结密切相关，经过模拟发现，在白天，近地面气温的垂直递减率大于干绝热递减率，空气处于不稳定状态，易进行垂直交流，所以白天的混合层高度较高；晚上垂直递减率小于干绝热递减率，甚至出现逆温，因此混合层高度较低。

3.2 浓度值对比分析

为了校验CALPUFF模拟煤尘浓度的准确性，需将模拟的煤尘浓度结果与监测数据进行对比。在监测区域内，共设置5个常规空气质量监测站，分别为管委会办公楼前、电厂、筛分场、采坑内。

在春夏秋冬四个季节，以5个监测点的PM10均值作为特征监测值，和PM10模拟值进行对比，从而进行验证。图2给出了各特征监测点和矿区模拟平均浓度对比图。

图2 各监测点PM10监测值和模拟值对比

监测点名称月份监测值14710模拟值14710相关系数管委会办公楼前0.0970.090.080.140.0670.0880.08540.10590.687911894电厂0.9741.2140.911.3140.951.1980.9831.1230.857222128筛分场1.2451.2453.42.7370.9870.8761.3321.6730.789818963煤矿采坑1.7651.2650.682.0621.9511.5410.5851.6980.88350318

对各监测点均值的PM10模拟浓度与监测值进行对比，总体看来，模式计算浓度与实际相比，在数值上有一定的偏差，但在数量级上具有较好的一致性，模拟结果基本上反映了实际观测的主要变化趋势。二者浓度变化趋势基本一致，监测值与预测值相关系数在0.82左右，矿区平均浓度的相关性系数最高为0.88，说明模式模拟结果具有较高的有效性和可信性。可认为研究选取的模拟和设计方案能有效模拟该矿区空气质量变化情况。

虽然趋势的一致性很好，但从表5.3可以看出，模拟值与监测值的大小有差异，夏季预测值大约是监测值的0.4～1.2倍；而冬季，监测值是预测值的0.7～1.1倍。产生这一现象的原因是源排放速率采用全季平均的处理方法有关，而现实中源排放速率会随时间变化。

4 结 论

本文通过耦合MM5/CALMET和CALPUFF模型模拟某矿区的气象条件及煤尘浓度，得出以下结论：

(1)矿区不同季节平均风速从大到小为冬季>春季>夏季>秋季。春季主导风向为西北风，次主导风向为东风，夏季以西风为主，秋季以东风为主，冬季主导风为东风，全年主导风向以北西风和东南风为主。

(2)矿区夜晚易形成逆温，冬季逆温层厚度较大、维持时间最长，夏季厚度较小、时间较短。当逆温时间较长且厚度较大的时候，由于气温的垂直递减率小于标准大气，不利于空气的上下流动，矿区煤尘不易扩散，造成空气质量下降。

(3)混合层高度晚上较低，白天较高。对不同季节，夏季混合层高度最高可达2500m以上，其次为春季和秋季，冬季混合层高度最低只有200m左右，极不利于扩散，造成近地面污染物的堆积，易加重空气污染。

(4)对比模拟值和监测值发现，两者的数据虽有差异，但数量级相同并且趋势上也具有很好的相似性，最高相关系数达到了0.88，说明CALPUFF模型在露天煤矿的煤尘扩散模拟中具有较高的可信度。

参考文献：

[1]高峰.草原区露天煤矿大气环境影响后评—以神华胜利一号露天矿为例，内蒙古大学，硕士论文，2011.6.

[2]马锋敏.北京及周边地区典型大气污染过程的数值模拟研究[D].南京信息工程大学，2007，6.

[3]李楠，孙鸿雁，等.吉林省MM5(MRF)中期模式分季节分系统24—48小时降水能力检验[J].吉林气象，2010(04)：89-98.

[4]永建，赖安伟.山西省阳泉市大气环境质量数值模拟[D].环境科学与技术，2010(02)：34-43.