(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究方法

我國是世界第一產(chǎn)煤大國，產(chǎn)量占世界的37%，同時(shí)煤炭也是我國的主要能源之一，占國內(nèi)一次能源生產(chǎn)總量的76%[1]，其中露天煤礦開采在我國煤炭生產(chǎn)中占有重要地位。為了研究露天煤礦煤塵擴(kuò)散對(duì)周邊城市的影響，可使用CALPUFF模擬系統(tǒng)來進(jìn)行研究。CALPUFF模擬系統(tǒng)包括氣象模式CALMET、高斯煙團(tuán)擴(kuò)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(shù)據(jù)(Reanalysis data)和美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先使用MM5[3]模擬生成逐時(shí)的中尺度氣象數(shù)據(jù)，然后利用CALMET模型對(duì)MM5數(shù)據(jù)做進(jìn)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(shù)據(jù)，通過對(duì)2012年7月、10月和2013年1月、4月氣象場(chǎng)的模擬，得到某露天礦及其周邊地區(qū)的詳細(xì)氣象時(shí)空變量場(chǎng)。然后利用CALMET產(chǎn)生的氣象場(chǎng)文件，使用CALPUFF[4]高斯煙團(tuán)模式，以平流輸送煙團(tuán)的形式模擬污染源排放出物質(zhì)的擴(kuò)散過程。最后，后處理模塊CALPOST將CALPUFF生成的濃度場(chǎng)文件依用戶的需要進(jìn)行處理，生成如逐時(shí)濃度文件、日均濃度文件和月及年平均濃度文件等。

最后，對(duì)比分析模擬值和監(jiān)測(cè)值，從而驗(yàn)證CALPUFF模型對(duì)露天煤礦煤塵擴(kuò)散模擬的可信度。

2 模擬方案

2.1 中尺度氣象背景場(chǎng)

本文MM5以某煤礦地理中心為網(wǎng)格中心，由三個(gè)相互嵌套的網(wǎng)格組成。其中外層的DOMAIN1包括從省西部至省東北部，覆蓋整個(gè)省區(qū)，并為內(nèi)層的區(qū)域提供邊界條件；內(nèi)層DOMAIN2北起某河，南至某山南緣，包含整個(gè)省內(nèi)野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)；最內(nèi)層DOMAIN3區(qū)域包括了礦區(qū)，及其附屬設(shè)施，詳細(xì)設(shè)置的參數(shù)見表1。選取2012年7月，2012年10月，2013年1月，2013年4月，四個(gè)月的時(shí)間分別代表春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)來進(jìn)行氣象場(chǎng)的模擬。

表1 MM5模式模擬區(qū)域設(shè)計(jì)

模型使用資料包括：

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

(2) 氣象背景場(chǎng)初始資料：美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的1°×1°fnl格式全球再分析格點(diǎn)資料。

2.2 CALMET診斷氣象場(chǎng)

在MM5三層嵌套模擬的基礎(chǔ)上，使用CALMET模擬區(qū)域內(nèi)的氣象場(chǎng)。以MM5 DOMAIN3的輸出結(jié)果作為其氣象輸入資料，以美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的90m精度格點(diǎn)資料作為其地理輸入資料，其中包括：

模擬區(qū)域中心點(diǎn)經(jīng)緯度，網(wǎng)格格距0.5km，格點(diǎn)數(shù)為80×80。區(qū)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(gè)等高面，以相鄰兩個(gè)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(shí)間與MM5模擬的時(shí)間范圍相同(1、4、7、10月)，模式輸出結(jié)果時(shí)間間隔1h。

2.3 排放源參數(shù)設(shè)置

根據(jù)CALPUFF格式要求及煤礦的自身情況，將堆煤場(chǎng)和排土場(chǎng)揚(yáng)塵設(shè)置為體源，將道路運(yùn)輸揚(yáng)塵設(shè)置為線面源，將礦坑開采揚(yáng)塵設(shè)置為面源，將巖層爆破揚(yáng)塵設(shè)置為點(diǎn)源。將表2-表5的內(nèi)容輸入到模型中去，進(jìn)行礦區(qū)煤塵濃度模擬。

表2 體源輸入文件相關(guān)參數(shù)

表3 線面源輸入文件的相關(guān)參數(shù)

表4 面源輸入文件的相關(guān)參數(shù)

表5 點(diǎn)源輸入文件的相關(guān)參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 氣象要素

由CALMET模擬得到的數(shù)據(jù)分析該區(qū)域的氣象要素，包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度層結(jié)、大氣穩(wěn)定度和混合層高度。

3.1.1 風(fēng)速和風(fēng)向

由極限平衡理論可知大主應(yīng)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(qū)四季平均風(fēng)速中，冬季的平均風(fēng)速最大，為4.77m/s；春季和夏季平均風(fēng)速次之，分別為3.90m/s和3.73m/s；秋季的平均風(fēng)速最小，為3.61m/s。小時(shí)風(fēng)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(shù)倍。

并且礦區(qū)各季節(jié)西風(fēng)和東風(fēng)的概率最高，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。其中，春季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，最大風(fēng)速為11-17節(jié)(1節(jié)=1.852千米/小時(shí))的風(fēng)頻為12%，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，最大風(fēng)速11-17節(jié)所占風(fēng)頻為14%；夏季以西風(fēng)為主，最大風(fēng)速為11-17節(jié)的風(fēng)頻為35%；秋季以東風(fēng)為主，風(fēng)頻為28%；冬季主導(dǎo)風(fēng)為東風(fēng)，最大風(fēng)速超過22節(jié)，所占風(fēng)頻為45%；

3.1.2 溫度場(chǎng)

溫度層結(jié)是指空氣溫度隨高度變化的情況，它決定著大氣的穩(wěn)定度和混合層的高度，影響湍流的強(qiáng)度，因而溫度層結(jié)與空氣污染狀況密切相關(guān)。對(duì)CALMET模擬的2011年夏季(7月)和冬季(12月)00、04、08、12、16、20時(shí)，礦區(qū)地面到3500m，共10個(gè)高度層的月平均溫度進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果如圖1。

圖1 四季日氣溫變化

經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，夏季礦區(qū)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(qū)。

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(jié)礦區(qū)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(dá)到2500m以上，冬季最高只有200m左右，混合層高度與溫度層結(jié)密切相關(guān)，經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，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(wěn)定狀態(tài)，易進(jìn)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(xiàn)逆溫，因此混合層高度較低。

3.2 濃度值對(duì)比分析

為了校驗(yàn)CALPUFF模擬煤塵濃度的準(zhǔn)確性，需將模擬的煤塵濃度結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，共設(shè)置5個(gè)常規(guī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站，分別為管委會(huì)辦公樓前、電廠、篩分場(chǎng)、采坑內(nèi)。

在春夏秋冬四個(gè)季節(jié)，以5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PM10均值作為特征監(jiān)測(cè)值，和PM10模擬值進(jìn)行對(duì)比，從而進(jìn)行驗(yàn)證。圖2給出了各特征監(jiān)測(cè)點(diǎn)和礦區(qū)模擬平均濃度對(duì)比圖。

圖2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM10監(jiān)測(cè)值和模擬值對(duì)比

監(jiān)測(cè)點(diǎn)名稱月份監(jiān)測(cè)值14710模擬值14710相關(guān)系數(shù)管委會(huì)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(chǎng)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(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均值的PM10模擬濃度與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，總體看來，模式計(jì)算濃度與實(shí)際相比，在數(shù)值上有一定的偏差，但在數(shù)量級(jí)上具有較好的一致性，模擬結(jié)果基本上反映了實(shí)際觀測(cè)的主要變化趨勢(shì)。二者濃度變化趨勢(shì)基本一致，監(jiān)測(cè)值與預(yù)測(cè)值相關(guān)系數(shù)在0.82左右，礦區(qū)平均濃度的相關(guān)性系數(shù)最高為0.88，說明模式模擬結(jié)果具有較高的有效性和可信性?？烧J(rèn)為研究選取的模擬和設(shè)計(jì)方案能有效模擬該礦區(qū)空氣質(zhì)量變化情況。

雖然趨勢(shì)的一致性很好，但從表5.3可以看出，模擬值與監(jiān)測(cè)值的大小有差異，夏季預(yù)測(cè)值大約是監(jiān)測(cè)值的0.4～1.2倍；而冬季，監(jiān)測(cè)值是預(yù)測(cè)值的0.7～1.1倍。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是源排放速率采用全季平均的處理方法有關(guān)，而現(xiàn)實(shí)中源排放速率會(huì)隨時(shí)間變化。

4 結(jié) 論

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

(1)礦區(qū)不同季節(jié)平均風(fēng)速從大到小為冬季>春季>夏季>秋季。春季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，夏季以西風(fēng)為主，秋季以東風(fēng)為主，冬季主導(dǎo)風(fēng)為東風(fēng)，全年主導(dǎo)風(fēng)向以北西風(fēng)和東南風(fēng)為主。

(2)礦區(qū)夜晚易形成逆溫，冬季逆溫層厚度較大、維持時(shí)間最長，夏季厚度較小、時(shí)間較短。當(dāng)逆溫時(shí)間較長且厚度較大的時(shí)候，由于氣溫的垂直遞減率小于標(biāo)準(zhǔn)大氣，不利于空氣的上下流動(dòng)，礦區(qū)煤塵不易擴(kuò)散，造成空氣質(zhì)量下降。

(3)混合層高度晚上較低，白天較高。對(duì)不同季節(jié)，夏季混合層高度最高可達(dá)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(kuò)散，造成近地面污染物的堆積，易加重空氣污染。

(4)對(duì)比模擬值和監(jiān)測(cè)值發(fā)現(xiàn)，兩者的數(shù)據(jù)雖有差異，但數(shù)量級(jí)相同并且趨勢(shì)上也具有很好的相似性，最高相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.88，說明CALPUFF模型在露天煤礦的煤塵擴(kuò)散模擬中具有較高的可信度。

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