滕 騰, 陳新新, 李鵬飛, 馬俊杰

(西北大學 城市與環(huán)境學院， 陜西 西安 710127)

近年來，由化石燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體(GHG)大量排放造成的全球變暖的問題引起了社會廣泛關(guān)注。自工業(yè)革命以后，工業(yè)生產(chǎn)和人類生活的能源供給主要來源于傳統(tǒng)化石燃料的燃燒?，F(xiàn)如今，經(jīng)濟社會的高速發(fā)展更是加大了人類的能源需求量，致使大量的化石燃料被使用，由于其燃燒產(chǎn)生的大量的溫室氣體包括CO2,CH4和N2O等引發(fā)了多種生態(tài)環(huán)境問題。其中CO2是導致全球氣候變暖和溫室效應(yīng)的最主要原因，控制并減少大氣中的CO2是抑制全球氣候變暖、緩解溫室效應(yīng)的重要手段。且二氧化碳的捕捉與封存[1-2](carbon capture and storage, CCS)被認為是唯一能在工業(yè)尺度上大規(guī)模削減溫室氣體排放量的技術(shù)方法。大量的CO2泄漏會對氣候、植被—土壤、地下水以及人類身體健康造成影響，甚至誘發(fā)地震[3-6]，因此對CCS進行泄漏監(jiān)測具有十分重要的意義。

隨著無人機技術(shù)快速發(fā)展，無人機遙感監(jiān)測技術(shù)已被視為航空遙感和航天遙感后的第三代遙感技術(shù)，基于無人機遙感平臺的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有立體監(jiān)測、響應(yīng)速度快、監(jiān)測范圍廣、地形干擾小等優(yōu)點，有效彌補了傳統(tǒng)以環(huán)境監(jiān)測車和便攜式設(shè)備為主體的大氣環(huán)境監(jiān)測體系的不足，是目前環(huán)境監(jiān)測方面重要的發(fā)展方向之一[7-8]。本文擬通過背景值監(jiān)測，理論模擬，試驗監(jiān)測3個方面對無人機遙感監(jiān)測平臺在CCS泄漏風險事故監(jiān)測上的響應(yīng)效果進行研究。

1 研究方法

本文主要是研究無人機遙感監(jiān)測平臺在CCS泄漏風險事故監(jiān)測上的響應(yīng)效果，故在進行研究之前提出了一個相對完善的研究方法體系。該方法中主要包括試驗場環(huán)境背景值監(jiān)測、理論模擬以及飛行監(jiān)測試驗這3個方面，并通過3組數(shù)據(jù)的對比分析確定無人機遙感監(jiān)測平臺對CCS泄漏風險事故的響應(yīng)效果。

1.1 環(huán)境背景值監(jiān)測

在進行釋放監(jiān)測試驗之前，對試驗場的環(huán)境背景值進行監(jiān)測具有十分重要的意義。環(huán)境背景值對于釋放實驗的監(jiān)測有著非常重要的作用，只有獲取了有效的、穩(wěn)定的環(huán)境背景值，才能較為可信的判斷監(jiān)測儀器響應(yīng)到的CO2濃度變化數(shù)據(jù)是由于實驗釋放造成的。本次試驗搭載的監(jiān)測平臺選用的是由深圳圣凱安公司研發(fā)設(shè)計的一款針對無人機平臺的氣體監(jiān)測儀，主要包括采樣單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)分析單元等，采樣單元監(jiān)測的數(shù)據(jù)可通過數(shù)傳或GPRS傳輸?shù)降孛骘@示平臺進行實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理以及圖表生成，其采樣單元是基于NDIR紅外吸收檢測原理的氣體傳感器模組，采用的是國外進口光源、特殊結(jié)構(gòu)的光學腔體和雙通道探測器，監(jiān)測儀器在使用之前已經(jīng)進行了校準，獲取的數(shù)據(jù)不需要處理，可直接顯示實時濃度數(shù)據(jù)。

由于無人機的旋翼會對旋翼下方空氣產(chǎn)生擾動，在經(jīng)過多次試驗驗證和綜合考慮本次試驗采用的無人機平臺的載荷問題后，選定將監(jiān)測平臺放置在無人機旋翼下方2 m處。本次環(huán)境背景值監(jiān)測選取了試驗場的3個斷面，分別將5，9和13 m高度作為監(jiān)測斷面。

1.1.1 飛行高度為5 m的環(huán)境背景值監(jiān)測 基于無人機飛行平臺的記錄數(shù)據(jù)，并在到達預定位置后開啟監(jiān)測儀器進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和記錄，其結(jié)果如表1所示。

表1 飛行高度為5 m的環(huán)境背景CO2濃度分布

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在實驗場的5 m高的斷面下，CO2濃度最高值為496 mg/kg，最低值為450 mg/kg，平均濃度為472 mg/kg，5 m斷面層的波動幅度為46 mg/kg，斷面濃度的標準差為12，導致斷面CO2濃度出現(xiàn)波動主要原因是環(huán)境風速的不穩(wěn)定、無人機旋翼速度變化造成的空氣擾動和距離地面太低受地面環(huán)境干擾情況較大。

1.1.2 飛行高度為9 m的環(huán)境背景值監(jiān)測 表2是根據(jù)無人機飛行數(shù)據(jù)和監(jiān)測平臺記錄下的不同位置的濃度數(shù)據(jù)。

表2 飛行高度為9 m的環(huán)境背景CO2濃度分布

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在實驗場的9 m高的斷面下，CO2濃度最高值為483 mg/kg，最低值為430 mg/kg平均濃度為449 mg/kg，監(jiān)測數(shù)據(jù)的標準差為15。相較于5 m斷面的46 mg/kg的波動幅度9 m斷面的波動幅度達到53 mg/kg，相對穩(wěn)定性略微較低，但總體濃度相較于5 m斷面有所較低，平均濃度相差了23 mg/kg。

1.1.3 飛行高度為13 m的環(huán)境背景值監(jiān)測和CO2垂直濃度監(jiān)測 在進行13 m斷面層的環(huán)境背景值監(jiān)測的過程中沒有完全按照預設(shè)航線進行飛行，在飛行半個斷面后在垂直高度上不斷拉高高度至40 m左右，分別在多個高度下獲取了CO2濃度值，濃度分布如表3所示。

表3 飛行高度為13 m的環(huán)境背景CO2濃度分布

在13 m的斷面層下， CO2濃度最高值為473 mg/kg，最低值為420 mg/kg，平均濃度為448 mg/kg，13 m下波動幅度為53 mg/kg與9 m斷面層的波動幅度一樣，但通過監(jiān)測數(shù)據(jù)標準差發(fā)現(xiàn)，13 m斷面層的背景濃度數(shù)據(jù)的標準差要高于9 m斷面層，但平均濃度有所降低且與9 m高度的斷面層濃度相近。

表4為同一位置不同高度下的CO2濃度分布。由表4可知，在同一位置不同高度下的CO2濃度變化幅度較小，最高值濃度出現(xiàn)在31.9 m的高度下為486 mg/kg，最小值為15 m的高度下的453 mg/kg。

表4 同一位置不同高度下CO2垂直濃度分布

通過多個斷面的環(huán)境背景值監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在同樣的條件下試驗場內(nèi)的CO2濃度隨著高度在不斷變化，從3個斷面層的平均濃度的角度來看，隨著高度的升高，環(huán)境中的CO2濃度降低，可能與CO2本身具有沉降性有關(guān)，但是以某個高度點的一個濃度數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)濃度與高度的關(guān)系不是很明顯，究其原因可能是試驗場相對較小，無人機旋翼對試驗場的空氣流動造成了很大的擾動，導致飛行過程中監(jiān)測到的是一個相對不穩(wěn)定的空氣場，但是在實際監(jiān)測過程中同樣存在無人機旋翼的干擾，同樣條件下的背景值才更具有參考意義；通過斷面層監(jiān)測數(shù)據(jù)的標準差發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加，監(jiān)測數(shù)據(jù)的離散程度升高，可能是斷面層越高大氣環(huán)境越不穩(wěn)定導致的。普遍認為在全球環(huán)境中，CO2在空氣中的含量在380～390 mg/kg，由于試驗場所處位置周圍有多處高層建筑和居民點，人類活動頻繁且試驗當天環(huán)境污染程度較高，霧霾嚴重，風速較小等原因?qū)е略囼瀳鯟O2濃度處于較高水平。

1.2 飛行監(jiān)測試驗

1.2.1 試驗方案 本次試驗是為了模擬CCS項目中出現(xiàn)的泄漏風險事故，但由于試驗條件所限，不可能做到工業(yè)大尺度下的泄漏事故，故本次試驗采取的泄放流量為30 g/s，總泄放時長為420 s。試驗中采用搭載了減壓閥和流量計的大容量CO2儲氣瓶作為穩(wěn)定泄漏源，將氣瓶平放，源高度視為0。具體試驗方案如圖1所示。

圖1 飛行實驗方案

1.2.2 飛行監(jiān)測航線 在進行試驗時，在飛行過程中由于試驗場環(huán)境的變化導致無法按照預先設(shè)計的航線進行飛行。在考慮試驗場環(huán)境的實際情況后，決定以逆風向進行飛行，且以正對泄放源的方向進行飛行監(jiān)測。

1.2.3 數(shù)據(jù)記錄與分析 由于監(jiān)測平臺和飛行平臺具有自主記錄數(shù)據(jù)的功能，在試驗后通過相關(guān)技術(shù)手段獲取了監(jiān)測數(shù)據(jù)和飛行記錄數(shù)據(jù)。本次試驗將引起環(huán)境背景值濃度變化達到3個標準差以上(與平均值的偏差超過3倍標準差的測定值就可稱為高度異常值)視為監(jiān)測儀器對于泄放CO2的響應(yīng)。將獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)與飛行數(shù)據(jù)進行整合后的數(shù)據(jù)見表5。

表5 整合后的CO2濃度分布

通過整合后的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，再與環(huán)境背景值進行比對后，以引起環(huán)境中CO2變化幅度超過背景濃度值最高的值的1個標準差作為響應(yīng)濃度，此處環(huán)境背景值平均濃度為449 mg/kg，最高濃度為483 mg/kg，監(jiān)測數(shù)據(jù)標準差為15。此條件下監(jiān)測儀器第一次響應(yīng)到由于泄放導致環(huán)境中的CO2發(fā)生變化的濃度是502 mg/kg。

1.3 試驗條件下的高斯模型理論模擬

對于大氣中的污染物的擴散情況的預測往往都會以數(shù)學模型的方式進行，而高斯煙羽擴散模型[10-12]更是被廣泛應(yīng)用于污染物擴散方面的研究。目前美國、歐盟以及中國都將其列為環(huán)境影響評價中大氣環(huán)境預測的基本模型，高斯煙羽模型公式下[13]：

(1)

式中：c(x,y,z)——泄漏CO2在(x,y,z)點處的質(zhì)量濃度(mg/m3);u——風速(m/s)；Qm——泄漏源的泄放速度(g/s)；H——有效源高，等于泄漏源高度和抬升高度之和，即H=Hs+ΔH，(m)；Hs——泄漏源高度(m)； ΔH——抬升高度，可由抬升模型求得，m；σy，σz分別是y，z方向的擴散系數(shù)，是由排放源到計算點的下風向距離，大氣穩(wěn)定度的函數(shù)，煙羽的排放高度及地表粗糙度決定的。

1.3.1 擴散系數(shù)的確定 在中國國家標準中《制定地方大氣污染物排放標準的技術(shù)原則和方法》(GB3840-91)規(guī)定取樣時間在30 min時，擴散參數(shù)可按下述方法確定。由于大氣擴散系數(shù)與大氣穩(wěn)定度密切相關(guān)，而大氣穩(wěn)定度又與太陽輻射強度、云量、風速等氣象因子有關(guān)，因此，擴散系數(shù)的確定方法有許多類型，通常需要首先確定大氣穩(wěn)定度，然后建立不同溫度條件下的風和距離與擴散系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，再由下風向距離求算擴散系數(shù)的具體數(shù)值。

帕斯圭爾擴散曲線法可根據(jù)易得到的氣象觀測資料直接估算出污染物在大氣中的擴散情況。帕斯圭爾首先根據(jù)云量、云狀、太陽輻射和地面風速等常規(guī)氣象資料，將大氣的擴散稀釋能力劃分為A,B,C,D,E,F 6個穩(wěn)定度級別，然后根據(jù)大量的擴散試驗數(shù)據(jù)和理論上的討論，用曲線法表示每一個穩(wěn)定度級別的σy和σz隨距離的變化。這樣就可以用前面的擴散模式進行濃度估算了。

根據(jù)常規(guī)氣象觀測資料確定穩(wěn)定度級別：帕斯圭爾劃分穩(wěn)定度級別的標準如表6所示。

表6 帕斯圭爾大氣穩(wěn)定度級別

對該標準的劃分說明如下： ①穩(wěn)定度級別中，A指極不穩(wěn)定，B指不穩(wěn)定，C指微不穩(wěn)定，D指中性，E指微穩(wěn)定，F(xiàn)指穩(wěn)定；從A→F表示大氣擴散能力逐漸減弱； ②穩(wěn)定度級別A-B表示按A、B級別數(shù)據(jù)內(nèi)插； ③夜間(夜晚)定義為日落前一小時至日出后一小時的時段； ④不論何種天氣狀況，夜間前后各一小時算作中性，即D級穩(wěn)定度； ⑤強太陽輻射對應(yīng)于碧空下太陽高度角大于60°的條件，弱太陽輻射相當于碧空下太陽高度角從15°到35°。在中緯度地區(qū)，仲夏晴天的中午為強太陽輻射；寒冬晴天中午為弱太陽輻射。云量將減少太陽輻射，在確定太陽輻射時云量應(yīng)與太陽高度一起考慮。例如，在碧空下應(yīng)當是強太陽輻射；在有碎中云(云量為6/9～9/10)時要減弱到中等太陽輻射；在有碎低云時減弱到弱太陽輻射。

對于擴散參數(shù)σy和σz可按照下式計算：

σy=γ1xα1

(2)

σz=γ2xα2

(3)

式中：α1——橫向擴散系數(shù)回歸指數(shù)；α2——垂直擴散系數(shù)回歸指數(shù)；γ1——橫向擴散系數(shù)回歸系數(shù)；γ2——垂直擴散系數(shù)回歸系數(shù)；x——距排氣筒下風向水平距離。

以上各指數(shù)、系數(shù)的數(shù)值可按照表7確定。按表7和公式(2)，(3)確定的擴散系數(shù)σy和σz對應(yīng)的采樣時間為30 min。根據(jù)實驗場的氣象條件和環(huán)境狀況，本次實驗大氣穩(wěn)定度級別確定為B等級，具體參數(shù)見表7(部分節(jié)選)。

表7 擴散系數(shù)冪函數(shù)表達式數(shù)據(jù)

1.3.2 煙羽抬升有效高度的確定 一般情況下，煙羽抬升的有效高度會因為天氣狀況的不同而采用不同的計算模型，本文參考中國國家標準中《制定地方大氣污染物排放標準的技術(shù)原則和方法》(GB3840-91)。國標公式中在不同情況下都給出了相應(yīng)的計算公式，并充分的考慮了煙氣熱源、風速、城市和農(nóng)村地面粗糙度的不同以及煙氣溫度與大氣溫度的差別等相關(guān)影響因素。本文根據(jù)試驗場地測試時的情況和氣象條件，選用了以下煙羽抬升模型進行計算[9]：

(4)

式中：ΔH——煙氣抬升高度(m)； dTa/dTs——環(huán)境溫度梯度(K/m)；u——泄露口的排氣速度(m/s)；Qh——煙氣熱釋放率(kJ/s)，其具體的計算公式為:

(5)

式中：Pa——環(huán)境大氣壓力(Pa)；Qv——實際排煙率(m3/s)； ΔT——煙氣出口溫度與環(huán)境溫度差(K)；Ts——煙氣出口溫度(K)；Ta——環(huán)境大氣溫度(K)

1.3.3 試驗條件下的理論數(shù)值模擬

(1) 試驗場地概況。本次試驗場地位于陜西省西安市長安區(qū)內(nèi)，周圍建筑相對稀疏，風速風向較為穩(wěn)定，利于CO2擴散，同時亦比較適合進行無人機的飛行監(jiān)控試驗。在試驗場附近10 m左右的地方有一個環(huán)境監(jiān)測站，相關(guān)氣象資料可以通過監(jiān)測的記錄數(shù)據(jù)獲取。

(2) 試驗案例模擬。試驗測試時的大氣壓為102 900 Pa，環(huán)境溫度為2.4 ℃，測試時溫度在高度方向上的溫度梯度為0. 008 K/m。本次試驗選擇的泄放源為儲氣瓶其內(nèi)部壓力為3.5 MPa，瓶內(nèi)的CO2濃度達到99.99%以上，氣體噴出溫度為272.0 K；泄放口的直徑為30 mm；泄露口為圓狀，因此泄漏系數(shù)Cd可以選擇為1。由于本次試驗選擇的將儲氣瓶水平放置可將源高度視為0；試驗場的環(huán)境風速為1.5 m/s，實際排煙率為0.015 m3/s，泄露口的煙氣排出速度為21.23 m/s。本次試驗的泄放氣體為CO2，其基本物理性質(zhì)如下：相對分子質(zhì)量M為44 g/mol，氣體常數(shù)R為8.314 J/(mol·K)。參照帕斯圭爾穩(wěn)定度級別，本次試驗的大氣穩(wěn)定度定為B等級。結(jié)合飛行試驗的響應(yīng)數(shù)據(jù)，在高斯模型下計算在下風向10 m處，高度為9.2 m的擴散理論濃度。

由于本次飛行監(jiān)測試驗中飛行方向穩(wěn)定與泄露口正對的下風向，故本次計算將水平方向記為0，在相關(guān)條件下按照式(1)進行高斯模擬，分別計算處在下風向10 m處高度為9.2 m處的擴散理論濃度為0.08 g/m3。因為1.98 g/m3相當于1 000 mg/kg，在本次試驗中泄放后的CO2擴散至下風向10 m高度為9.2 m處的濃度應(yīng)為40 mg/kg，此次飛行試驗中響應(yīng)到的最高濃度為下風向8 m高度為5.8 m的位置，監(jiān)測濃度為746 mg/kg，理論擴散濃度為690 mg/kg。

2 結(jié)果與分析

在本次飛行監(jiān)測試驗中，為了了解無人機遙感監(jiān)測技術(shù)對CO2的泄漏監(jiān)測效果，再綜合考慮環(huán)境背景值、試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論擴散濃度后分別進行了同一位置(從第一次有濃度響應(yīng)開始)不同高度下的濃度數(shù)據(jù)分析以及同一高度下不同位置的濃度數(shù)據(jù)分析(詳見表8—9)。

表8 環(huán)境背景值、監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的比較

表9 環(huán)境背景值、監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的比較

通過分析表明，在同一位置(正對泄漏源下風向10 m處)監(jiān)測濃度隨著高度在不斷變化，變化趨勢與高斯模型下的理論數(shù)據(jù)濃度變化趨勢相同，數(shù)據(jù)對比分析表明在無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)第一次對泄漏的CO2做出響應(yīng)的時候響應(yīng)濃度與理論濃度差距最小，隨著無人機高度下降響應(yīng)濃度與理論擴散濃度差距越來越大，但是響應(yīng)濃度總體變化趨勢與高斯模型擴散方式相同。

以5.8 m作為基準高度(其中一組由于無人機不穩(wěn)定的原因選取5.7 m作為參考)進行同一高度不同位置的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，從距離泄漏源10 m處開始越靠近泄漏源的位置響應(yīng)到的濃度越高，但在距離11 m處響應(yīng)濃度比10 m處更高的濃度，可能是由于無人機旋翼速度變化和飛行軌跡的原因擾亂了試驗場內(nèi)的CO2分布。

研究還發(fā)現(xiàn)，在無人機第一次對泄漏的CO2做出響應(yīng)時，響應(yīng)濃度與理論濃度差距最小，在其他位置響應(yīng)濃度與理論濃度差距很大。綜合考慮后可能是如下原因造成的：

(1) 由于泄漏后的氣體會在開始擴散后與空氣發(fā)生稀釋作用，導致泄漏的CO2很難被完全捕捉到，尤其在泄漏強度很小的時候基本上在監(jiān)測到之前就已經(jīng)被稀釋了。

(2) 無人機的旋翼會對空氣造成擾動，造成無人機周圍的空氣流場發(fā)生變化，導致泄漏后的CO2更加快速的被稀釋；由于無人機在進行位置變化和保持穩(wěn)定的過程中會改變旋翼的轉(zhuǎn)速，導致無人機周圍的空氣流場變化更加復雜；通過監(jiān)測數(shù)據(jù)也能發(fā)現(xiàn)無人機越靠近泄漏源對擴散的影響越大，如果靠得太近甚至會直接改變泄漏后CO2的擴散方式。

(3) 由于試驗場特殊的環(huán)境狀況，在進行監(jiān)測的過程中發(fā)現(xiàn)試驗場空氣中的CO2濃度處在一個相對較高的水平，這也加大了無人機遙感監(jiān)測平臺對泄漏后的CO2響應(yīng)難度。

3 結(jié) 論

由于CCS技術(shù)在減排方面的巨大優(yōu)勢，引起社會的廣泛關(guān)注，但是由于其存在一定的泄漏風險性。通常一個CCS項目往往會在埋存場注入大量的CO2，一旦發(fā)生泄漏事故可能會造成嚴重的后果，所以目前需要一種安全、可靠、能夠快速響應(yīng)的監(jiān)測技術(shù)來對其進行監(jiān)測?？紤]到無人機的各方面優(yōu)勢，本文試圖利用無人機搭載監(jiān)測儀器的方式來對CCS項目中的泄漏風險事故進行監(jiān)測。本文通過高斯模型計算和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)表明無人機遙感監(jiān)測技術(shù)能夠應(yīng)用到實際CCS項目的泄漏風險監(jiān)測中。

通過本次試驗研究表明，無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)完全能夠?qū)CS泄漏后的CO2做出響應(yīng)，能夠應(yīng)用到實際項目中。無人機遙感監(jiān)測平臺在越靠近泄漏源的地方對泄漏后的CO2擴散情況影響越大，甚至在距離很小的情況下會直接改變其擴散方式。本試驗采用的無人機遙感監(jiān)測平臺能夠響應(yīng)到的泄漏的CO2的極值理論濃度為40 mg/kg。在實際應(yīng)用中工業(yè)尺度的泄漏量往往是一個很大的值，無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)能夠響應(yīng)到一個很大的空間場，具有實際應(yīng)用意義。