煤田火區(qū)溫室氣體排放通量及其影響因素研究
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陳曉坤，桑長波，馬礪，郭龍龍
（1．西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西西安710054；
2．西安科技大學(xué)西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西西安710054）
摘要：煤田火區(qū)溫室氣體的排放速率在時間和空間上由于影響因素而存在差異，本研究在對目前氣體排放通量研究基礎(chǔ)上，采用空氣動力學(xué)法對神府礦區(qū)活雞兔火區(qū)排放C02、CH4氣體和風(fēng)速、溫度以及氣壓等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行原位監(jiān)測，測試結(jié)果表明，CO2和CH4通量的變化規(guī)律一致，火區(qū)內(nèi)CO2、CH4排放通量變化范圍為3.88~ 30. 46 mg/( m2．s)和0. 12~1.36 mg／( m2．s)；通過相關(guān)性分析，環(huán)境因素對兩種溫室氣體的排放影響很大，火區(qū)CO2、CH4的排放與風(fēng)速、溫度以及氣壓均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)性大小依次為風(fēng)速>溫度>氣壓，論證了所建的濃度梯度模型對煤田火區(qū)溫室氣體排放通量的適用性，進(jìn)而為煤田火區(qū)有害氣體污染治理提供了思路。
關(guān)鍵詞：煤田火區(qū)；溫室氣體；排放通量；影響因素
O 引言
煤田火災(zāi)現(xiàn)已成為全球持續(xù)的五大生態(tài)災(zāi)難之一，在世界上進(jìn)行原煤開采的國家和地區(qū)普遍存在，每年造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到數(shù)百億美元。煤田火災(zāi)形成的煤田火區(qū)時刻向大氣排放大量的CO2、CH4、SO，和NO。等有害氣體。這些生成物初期對火災(zāi)局部區(qū)域環(huán)境造成污染，后期則會對大的區(qū)域乃至全球造成污染，其中CO2和CH4的排放量尤為顯著。煤火產(chǎn)生的溫室氣體在地下高溫作用下沿著裂隙通道外排，在地表溫度降低，以隨風(fēng)擴(kuò)散為主。目前針對濕地、農(nóng)田、城市綠地等溫室氣體的排放通量通過箱法監(jiān)測已做了深入的研究，但箱法在使用中隔絕了箱體內(nèi)外氣體的自由交換，而煤田火區(qū)溫室氣體的排放是通過延伸的，且溫度較高，難以制作滿足條件的箱體。因此劉生根等根據(jù)空氣動力學(xué)法開發(fā)了煤田火區(qū)CO2排放監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)，以此估算CO2排放通量，并在內(nèi)蒙古典型煤火裂隙區(qū)現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用觀測。此外，徐永亮等對煤火燃燒氣體產(chǎn)物與地表裂隙關(guān)系分析研究，得出氣體濃度、溫度與地下燃燒煤體之間必然存在一定的量化聯(lián)系。
基于此，本研究選取神府煤田活雞兔井田煤火區(qū)為研究對象，結(jié)合成本、測量環(huán)境、所需要的精度等，基于空氣動力學(xué)法建立濃度梯度模型對火區(qū)進(jìn)行野外原位監(jiān)測，探討了活雞兔井田煤火區(qū)釋放溫室氣體通量在時間和空間尺度上的變化規(guī)律；并對影響溫室氣體通量的主要影響因素進(jìn)行了測定，分析了火區(qū)風(fēng)速、溫度、氣壓等環(huán)境因子與排放通量的相關(guān)性分析，以期為評估煤田火區(qū)溫室氣體排放量及其環(huán)境因子影響提供依據(jù)。
1 研究區(qū)域與方法
1.1 區(qū)域概況
觀測區(qū)位于陜西省與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界處的陜西一側(cè)的神木縣中雞鄉(xiāng)境內(nèi)，地處毛烏素沙漠邊緣。煤田地理座標(biāo)為東徑110。7'50”~110。16'28”，北緯39。11'27”~ 39。16 749”。由于煤層的煤化度低，埋藏淺，易自燃，開采后井田北部和東部形成大片火區(qū)。地裂縫在活雞兔火區(qū)分布較多，與地面塌陷伴生出現(xiàn)，多呈圓弧狀、階梯狀等，裂縫深度不等，裂縫寬0. 01~0.3 m，裂縫長1~300 m。煤層埋藏淺，地質(zhì)構(gòu)造簡單。監(jiān)測區(qū)屬于典型的陸性干旱半干旱氣候，干燥多風(fēng)，冬寒夏炎，晝夜溫差相對大，雨量集中且長年少雨干旱，有干旱、風(fēng)沙、暴雨等災(zāi)害條件。由于受蒙古高壓影響，區(qū)內(nèi)春冬季盛行西北風(fēng)。年均風(fēng)速2.6 m/s，最大風(fēng)速25 m/s。風(fēng)蝕大于17.2 m/s的大風(fēng)，以春季最多。
1.2煤田火區(qū)溫室氣體排放通量測算模型的建立
通過對目前氣體排放通量的監(jiān)測方法比較，常用的陸地氣體通量觀測方法有箱法和微氣象法等，微氣象法中應(yīng)用較廣的有能量平衡法、渦度相關(guān)法、松弛渦度積累法、空氣動力學(xué)法等。能量平衡法適用于較濕潤的大氣條件，在煤田火區(qū)中使用時，誤差較大；渦度相關(guān)法需要精確測量三維風(fēng)場的脈動量和氣體濃度的脈動量，要求設(shè)備的精度高且量程通常較小。而煤火裂隙區(qū)的氣體濃度較高，動態(tài)變化大，要求設(shè)備的量程大且精度適中即可；松弛渦度積累法需要結(jié)合實驗室條件，且不適合長時間觀測。而空氣動力學(xué)法計算的是監(jiān)測區(qū)內(nèi)的平均值，在較大區(qū)域內(nèi)被測氣體的水平濃度梯度可忽略不計，適用于大面積均勻下墊面，觀測期間大氣條件定常。濃度梯度法根據(jù)氣體濃度梯度、風(fēng)速梯度、溫度梯度和氣壓間接推算氣體向上輸送通量。類似于分子擴(kuò)散，在近地層內(nèi)的空氣動力學(xué)粗糙面上，被測氣體的垂直傳輸通量與濃度垂直梯度關(guān)系為：
式中：F。是待測氣體的通量密度，mg/( m2．s)；P。是監(jiān)測高度處空氣密度，mg/m3；C。是待測氣體的濃度，mg/m3；K；（H）是測量高度H處氣體的湍流擴(kuò)散系數(shù)，由風(fēng)速、高度、空氣動力學(xué)粗糙度和大氣穩(wěn)定度決定。
由氣體狀態(tài)方程，可求得p。。
式中：P為監(jiān)測高度處大氣壓，Pa；R為空氣氣體常數(shù)，R= 287. 06 J/( kg．K)；T為監(jiān)測高度處溫室氣體的絕對溫度，K。
根據(jù)相似理論，在中性條件下，可認(rèn)為動量通量、熱量通量和物質(zhì)通量的湍流擴(kuò)散系數(shù)相等。則根據(jù)風(fēng)輪廓線方程可得溫室氣體的湍流擴(kuò)散系數(shù)為：
式中：K是卡曼常數(shù)，K=0.035；U*是摩擦風(fēng)速。而中性層結(jié)時近地層的風(fēng)輪廓線可用對數(shù)模式描述：
式中：z。為地面粗糙度長，m。
由式(4)可知，只要測得兩個不同高度上的風(fēng)速，聯(lián)立解方程，即可求得U*、Z。。
由于在實際監(jiān)測中，大氣一般處于穩(wěn)定或不穩(wěn)定的狀態(tài)，此時煤火區(qū)溫室氣體的湍流擴(kuò)散系數(shù)與動量、熱量的擴(kuò)散系數(shù)不相等，需選用大氣穩(wěn)定度函數(shù)對式(1)進(jìn)行修正，根據(jù)梯度Richardson數(shù)(Ri)：
綜上，通過持續(xù)監(jiān)測煤火區(qū)釋放源不同層高度溫室氣體濃度以及溫度、氣壓、風(fēng)速等氣象因素，就可估算出煤火區(qū)溫室氣體通量。
1.3現(xiàn)場布點與數(shù)據(jù)采集
根據(jù)所建立測算模型中所需要的參數(shù)，宏觀了解活雞兔煤火區(qū)的燃燒狀況、地理概況、環(huán)境因素，設(shè)置7個典型的釋放點，具體點位位置見圖1。裂隙區(qū)監(jiān)測點采用GPS對裂隙位置進(jìn)行定位，分別在距裂隙口和距裂隙1.5 m高處采用氣體監(jiān)測儀監(jiān)測裂隙排放的CO2、CH4濃度變化，同時利用氣象檢測儀同步監(jiān)測風(fēng)速、溫度、氣壓等。根據(jù)有害氣體檢測法規(guī)和技術(shù)要求，選用的煤田火區(qū)的氣體監(jiān)測儀以及氣象監(jiān)測儀等在使用前均經(jīng)過了校準(zhǔn)，各監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集器每30 s采集一次數(shù)據(jù)后輸出10 min平均值，每次持續(xù)監(jiān)測30 min。根據(jù)大氣污染相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，野外實驗性觀測的時間為期2015年8月1 1日到2015年8月20日，每天取得3次(8、14、20 h)監(jiān)測值。監(jiān)測期選正常情況下氣候狀況，無極端天氣以及降雨出現(xiàn)。
2計算結(jié)果及分析討論
2.1 C02和CH4排放通量
將兩組不同時間分辨率的數(shù)據(jù)比較可知，平均處理僅減少了計算結(jié)果的波動性，不改變梯度方向，且不影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確。觀測時段溫度、風(fēng)向和風(fēng)速均無劇烈變化，經(jīng)平均后的環(huán)境因子原始觀測數(shù)據(jù)見表1所示。由監(jiān)測結(jié)果可見，監(jiān)測期間氣壓的變化幅度不大，溫度的變化幅度次之，而風(fēng)速的變化幅度最為明顯，圖2為經(jīng)制圖軟件處理后的CO2和CH4排放濃度變化曲線，兩個高度層CO2、CH4濃度的變化趨勢相似，同一時刻高處的濃度始終小于低處的濃度，符合實際情況。此外，下層釋放源口的氣體濃度變化幅度較大，上層檢測到的濃度值變化相對較穩(wěn)定，CH4的變化幅度較大于CO2的變化幅度。
根據(jù)建立的適用于煤火區(qū)溫室氣體排放通量的濃度梯度模型可計算出CO2和CH4的通量變化，最終計算結(jié)果見圖3。
由圖3可見，活雞兔井田煤火區(qū)的CO2和CH4通量的變化規(guī)律一致，CO2的變化幅度較小，而CH4的變化幅度較大。CO2通量最小值為3.88 mg/( m2．s)，最大值可達(dá)到30.46 mg/( m2．s)，平均通量為14. 21mg/( m2．s)；而CH4排放通量的最小值0.12mg/( m2．s)，最大可達(dá)到1. 36 mg/( m2．s)，平均通量為0. 70 mg/( m2．s)�？傮w而言，其排放通量受環(huán)境因素的影響變化波動較大。
2.2 排放通量影響因素分析
采用SPSS軟件對CO2和CH4的通量與影響因素監(jiān)測數(shù)據(jù)（表1）分析數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，分析結(jié)果見表2。
1)風(fēng)速對CO2和CH4排放通量的影響
風(fēng)速大小對c0：和CH；的擴(kuò)散影響較為復(fù)雜，決定了兩種氣體輸送距離的遠(yuǎn)近和大氣擴(kuò)散稀釋作用的強(qiáng)弱，一方面在一定的較小風(fēng)速時，風(fēng)會加大CO2和CH4的擴(kuò)散范圍，當(dāng)在風(fēng)速大到一定程度時，風(fēng)會加速CO2和CH4的稀釋。同時，風(fēng)的影響會加劇CO2、CH4和空氣之間的傳質(zhì)和傳熱。由風(fēng)速變化對CO2和CH4排放通量的影響關(guān)系可知，所得CO2、CH4與風(fēng)速的Pearson相關(guān)系數(shù)均大于0，說明呈正相關(guān)，而相伴概率值sig.=0.000<0.05，即說明CO2、CH4的排放通量是受風(fēng)速顯著性正影響的。可見，由于活雞兔火區(qū)風(fēng)速較高，風(fēng)速成為影響CO2、CH4排放通量的主導(dǎo)因子。總體可知，風(fēng)速的變化趨勢與兩種溫室氣體的變化趨勢一致，風(fēng)速增大時通量也增大，不過通量的變化有所滯后。
2)溫度對CO2和CH4排放通量的影響
溫度的影響主要表現(xiàn)在火區(qū)環(huán)境溫度的垂直梯度分布，溫度的垂直分布決定了大氣層結(jié)的垂直穩(wěn)定度，直接影響氣體湍流的強(qiáng)弱，進(jìn)而支配氣體的散布。對于火區(qū)釋放的高溫溫室氣體，其浮力作用大小受溫度的影響，當(dāng)其被冷卻至大氣溫度后，它的上升作用便會喪失，此時大氣本身的擴(kuò)散稀釋能力就會下降，火區(qū)CO2和CH4的濃度會隨逆溫層厚度和強(qiáng)度的增大而明顯增加。同時，煤火燃燒的溫度會影響裂隙上空的氣溫，溫度越高，也證明了煤火燃燒旺盛，就會釋放出更多的CO2，由溫度變化對CO2和CH4排放通量的影響關(guān)系，所得CO2、CH4與溫度的Pearson相關(guān)系數(shù)可知呈正相關(guān)，而相伴概率值均為sig．=0.000<0.05，即說明CO2、CH4的排放通量是受風(fēng)速顯著性正影響的，但其相關(guān)系數(shù)明顯低于風(fēng)速對其的影響系數(shù)，分析結(jié)果同樣指出不普遍適用。結(jié)合風(fēng)速對其排放通量的影響，在風(fēng)速較低時，排放通量與溫度相關(guān)性較強(qiáng)，當(dāng)在風(fēng)速較高時，通量與溫度的相關(guān)性降低�？傮w可知，溫度對其有一定相關(guān)性，但其影響低于風(fēng)速的影響。
3)氣壓對CO2和CH4排放通量的影響
對于氣體擴(kuò)散而言，壓力越大，則擴(kuò)散相的濃度越大，越利于擴(kuò)散相的擴(kuò)散。當(dāng)?shù)孛媸艿蛪嚎刂茣r，四周的高壓氣團(tuán)會向中心流動，進(jìn)而形成上升氣流，通常風(fēng)力較大時利于氣體向上擴(kuò)散；地面受高壓控制時，中心出現(xiàn)下沉氣流，阻止氣體向上擴(kuò)散，在穩(wěn)定高壓的控制下會使氣體濃度變大。由氣壓變化（對CO2和CH4排放通量的影響）關(guān)系可知，所得CO2和氣壓的Pearson相關(guān)系數(shù)為0. 404 >0，相伴概率值sig.=0.004<0.05；CH4和氣壓的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.290 >0，相伴概率值sig.=0.046<0.05，即說明CO2和CH4的排放通量是受氣壓正影響的，但相關(guān)系數(shù)明顯低于風(fēng)速和溫度，且監(jiān)測期間氣壓的變化范圍為88 301—88 585 Pa，日變幅度< 1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于風(fēng)速、氣溫等因素的日變化幅度，因此，當(dāng)其他影響溫室氣體通量的環(huán)境參數(shù)發(fā)生較明顯變化時，氣壓對通量的影響幾乎可以忽略不計，表明氣壓并不是影響CO2和CH4通量的關(guān)鍵因素。
4)其他影響因素影響分析
煤田火區(qū)溫室氣體排放受煤質(zhì)、土壤巖層性質(zhì)、火區(qū)裂隙類型、排放口分布位置、排放方式以及排放時間規(guī)律等多種因素影響。當(dāng)擴(kuò)散至地面時主要受到溫度、氣壓、風(fēng)速等環(huán)境因素影響較大，氣體擴(kuò)散還受到濕度、降雨量、地形等很多環(huán)境因素的影響。由于火區(qū)內(nèi)溫度較高，濕度較小，幾乎不變，對火區(qū)溫室氣體的排放影響較小。其次，在降雨的天氣條件下，火區(qū)釋放能溶于水有害氣體會隨雨沉降至地面而轉(zhuǎn)為水污染，從而影響排放通量。由于CO2易溶于水，CH4不溶于水中，因此會對其釋放產(chǎn)生影響。當(dāng)然，火區(qū)源所在位置的地表狀況、火區(qū)源的高度等地理環(huán)境因素也會影響溫室氣體的排放，它們既會改變火區(qū)溫室氣體擴(kuò)散速度，又會改變擴(kuò)散方向。由于研究設(shè)備的局限性，以及其他因素相互之間往往產(chǎn)生交互作用，很難將某一因素的影響作用定性或者定量化。
3結(jié)論
1)通過對活雞兔火區(qū)釋放CO2、CH4兩種典型溫室氣體的原位監(jiān)測，C02、CH4平均排放通量分別為3.88~30. 46 mg/( m2．s)和0. 12—1.36 mg/( mz．s)，總體而言，兩種溫室氣體的排放通量大，CH4的通量變化幅度較大，而CO2的排放通量則相對比較平穩(wěn)。可見利用此方法綜合考慮了煤田火區(qū)溫室氣體排放的特性以及環(huán)境因素對排放量的影響，可更加準(zhǔn)確地測算出煤火區(qū)溫室氣體排放量。
2)由影響因素對活雞兔火區(qū)CO2、CH4排放影響相關(guān)性分析可知，風(fēng)速與CO2、CH4的相關(guān)性為0.770、0. 705，溫度與CO2、CH4的相關(guān)性為0.609、0.557，氣壓與CO2、CH4的相關(guān)性為0.404、0.290，可知，風(fēng)速對C02、CH4排放影響較高，溫度次之，氣壓對其影響較為微弱，論證了所建立的濃度梯度模型對煤田火區(qū)溫室氣體排放通量的適用性，進(jìn)而可從環(huán)境因素影響強(qiáng)弱的角度更為有效的防治煤田火區(qū)有害氣體污染。
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