紀(jì)文超 范行軍 王艷 蔡永兵 李粉茹

摘要：《大氣污染控制工程》是環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)類人才培養(yǎng)課程體系中的一門重要的專業(yè)核心課，其中的污染物的氣相擴散模型是教學(xué)的難點之一。本文研究和分析了大氣污染模擬軟件CALPUFF的基本組成框架和計算模塊在大氣污染控制工程教學(xué)中可以結(jié)合與應(yīng)用的具體案例。借助CALPUFF軟件的設(shè)計架構(gòu)與模擬思路剖析，不僅可以簡明深刻地講授課程的重要內(nèi)容，而且可以全方位串聯(lián)知識點并構(gòu)建知識體系。這種軟件和理論知識深度融合的教學(xué)模式，可以讓學(xué)生以最直觀的方式理解和吸收課程重要知識點，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進而提高學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：CALPUFF;《大氣污染控制工程》;大氣模式

中圖分類號：D64 文獻標(biāo)識碼：A

一、前言

大氣污染控制工程是在大氣科學(xué)、環(huán)境化學(xué)、化工原理和污染控制等學(xué)科的基礎(chǔ)理論和方法上發(fā)展起來的，具有多學(xué)科交叉的特點。作為環(huán)境科學(xué)與工程類人才培養(yǎng)方案中的一門核心課程，對于培養(yǎng)學(xué)生分析大氣污染控制領(lǐng)域的問題和解決工程實際難題的能力至關(guān)重要，將為他們今后從事環(huán)境保護和工程設(shè)計工作奠定堅實的基礎(chǔ)[1]。目前該課程理論與實驗教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式難以讓學(xué)生很好地理解與掌握一些晦澀難懂的基礎(chǔ)理論，難以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

隨著科技的進步與發(fā)展，尤其是計算機科學(xué)的新理論新方法的多學(xué)科交叉不斷強化，基于不同學(xué)科的理論與計算機模型算法得到深度融合，計算機輔助的大氣污染模型相繼出現(xiàn)[2]。AERSCREEN（Air Quality Dispersion Modeling - Screening Models）AERMOD （Air Quality Dispersion Modeling）ADMS （Advanced Distribution Management Solutions）CMAQ（The Community Multiscale Air Quality Modeling System）和CALPUFF（California Puff Model）模型都實現(xiàn)軟件化，目前都被最新的大氣環(huán)境環(huán)評導(dǎo)則（HJ 2.2-2018）推薦使用。在眾多的大氣污染模型中，CALPUFF是最具國內(nèi)法規(guī)地位的大氣模型之一，主要優(yōu)勢在于能夠較為準(zhǔn)確的進行長距離、大尺度（≥50km）的污染物運輸模擬。該模型基于三維非穩(wěn)態(tài)拉格朗日擴散模式，融合了土地利用數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)處理等模塊，將大氣污染物的擴散影響關(guān)鍵因素全方位關(guān)聯(lián)，能夠進行大數(shù)據(jù)量的處理與數(shù)據(jù)的動靜態(tài)可視化。許多與大氣有關(guān)的大氣環(huán)境問題，如能見度模擬、放射性核素模擬、區(qū)域重點行業(yè)大氣污染和預(yù)測風(fēng)速等均可通過CALPUFF軟件得到定性、定量的解決。因此，在《大氣污染控制工程》課程的教學(xué)過程中，教師能熟練地運用各種教學(xué)和科研軟件，適時變換教學(xué)方式，在課程重點難點的“理論模型化”和“模型理論化”之間有序轉(zhuǎn)換，構(gòu)建新的課程知識體系，融入最新的科研進展顯得尤其重要[3-5]。CALPUFF軟件輔助教學(xué)有利于學(xué)生加深對《大氣污染控制工程》知識的理解和運用，特別是氣象、地形和土地利用等因素影響下的大氣擴散行為的變化，從而強化教學(xué)效果，從晦澀難懂的理論公式到可操作、可視化的模型，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)大氣模式系統(tǒng)的興趣，提高大氣科學(xué)理論基本功，增強實際應(yīng)用的水平和能力。

本論文將主要針對《大氣污染控制工程》大氣污染物遷移影響、主要氣象要素、污染物擴散理論和模型教學(xué)過程中重點和難點，具體研究和分析CALPUFF軟件的構(gòu)成與基礎(chǔ)對課程教學(xué)的作用和晦澀理論的模型化過程的實際案例，旨在構(gòu)建完備的教學(xué)理論框架，融入新的模型與方法。

二、CALPUFF軟件框架輔助大氣污染物遷移影響教學(xué)

大氣污染物遷移的影響因素很多，如污染源屬性、氣象因素、地面特征等。CALPUFF軟件的設(shè)計基礎(chǔ)充分的考慮了上述影響因素，從前處理模塊、氣象處理模塊、擴散模塊和后處理模塊，分別對各種影響因素進行數(shù)據(jù)處理與集成，通過對軟件設(shè)計的框架深入的剖析，影響大氣污染物遷移擴散的影響因素可順理成章的串聯(lián)起來。如圖1所示，前處理模塊主要通過WRF模型獲取氣象和土地利用的原始數(shù)據(jù)，處理后的數(shù)據(jù)可以供氣象模塊使用，CALMET氣象模塊處理得到的氣象數(shù)據(jù)再供CALPUFF模塊計算與模擬，形成擴散模型，最后通過后處理CALPOST模塊得到可視化數(shù)據(jù)與圖形，中間穿插一些常規(guī)氣象、地理數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。

由此，借助CALPUFF軟件系統(tǒng)的設(shè)計框架，可以使學(xué)生對大氣污染物擴散的“前因后果”有非常深刻和系統(tǒng)地認識，以全局性思維思考大氣污染物擴散的全過程，以嚴(yán)密的邏輯理解大氣污染物遷移的影響因素，有效地將這些影響因素串聯(lián)起來。

三、CALPUFF軟件輔助主要氣象要素教學(xué)

CALPUFF軟件整合了氣象要素的處理模塊，并可以輸出研究對象所在區(qū)域的氣溫、氣壓、氣濕、風(fēng)向和風(fēng)速等信息，通過可視化手段，可以顯著提升學(xué)生對大氣污染氣象學(xué)知識的興趣，有較為準(zhǔn)確地把握，使枯燥的理論教學(xué)變得生動有趣。如圖2所示，某地在一月和二月的風(fēng)玫瑰圖可以很清晰通過CALPUFF軟件展現(xiàn)。

此外，污染物的擴散與地形也密不可分，通過CAPUFF軟件的地形處理程序，可以得出當(dāng)?shù)氐母叱虉D，聯(lián)合氣象處理結(jié)果，可以生成對應(yīng)區(qū)域的高程分布及風(fēng)場動畫，簡潔直觀地觀察風(fēng)場隨時間的演變（如圖3所示）。

四、CALPUFF軟件輔助大氣污染物擴散理論和模型教學(xué)

CALPUFF軟件具有簡便靈活、使用廣泛的特點，尤其在靜風(fēng)問題的處理方面極具優(yōu)勢[6]。CALPUFF在積分煙團的處理主要是通過以下方程估算單個煙團從排放源排放后擴散到任意一接受點處的基本濃度，從而建立研究網(wǎng)格的濃度分布體系。

式中，C為污染物的地面接受點的基本濃度，g/m2;Q為源強;σx、σy、σz為三個方向的擴散系數(shù);da為順風(fēng)距離;dc為橫向距離;He為有效高度;h為混合層高度;g為高斯方程垂直項。

通過基本的地形數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、地面氣象數(shù)據(jù)和探空氣象處理后，輸入到CALMET模塊中計算即可得到三維氣象場數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，我們再對污染物、污染源參數(shù)進行設(shè)定，軟件中所列的是常見的污染物類型，如SO2、SO4、NOx、HNO3、NO3、NO、NO2、ODOR、TOLUENE、B-PINENE、PM2.5等，化學(xué)轉(zhuǎn)化方法主要有無污染物轉(zhuǎn)化、MESPUFF II化學(xué)轉(zhuǎn)化方案、使用用戶自定義的轉(zhuǎn)化速率文件、RIVAS/ARM3化學(xué)轉(zhuǎn)化方案和計算二次有機氣溶膠（SOA）等，輸入污染源參數(shù)信息，常規(guī)參數(shù)涉及排放源的排放參數(shù)、污染物排放速率、源變化參數(shù)、建筑物下洗等，上述參數(shù)設(shè)置完成以后即可運行CALPUFF計算模塊。根據(jù)CALPUFF計算的結(jié)果，進行結(jié)果的后處理，得到不同污染物的1h、12h、24h、月平均、年平均等濃度值。

以某化工廠為例，其四個主要含Hg煙塵排放源，對應(yīng)源強別為6.8×10-7 kg/h、1.9×10-6 kg/h、2.95×10-6 kg/h和4.80×10-5 kg/h，煙囪有效源高分別為40m、15m、15m和62m，直徑分別為0.8m、0.8m、0.8m和1.84m，煙囪出口處平均風(fēng)速4m/s，煙氣速度均為15m/s，煙氣溫度303.15K，試分析該廠含Hg污染物的遷移擴散情況。

根據(jù)上述信息，我們按照CALPUFF計算的框架和流程，設(shè)置了50×50 km的研究區(qū)域，依次對廠區(qū)所在地地形、高程、地面氣象和高空氣象數(shù)據(jù)進行了處理，通過CALMET計算得到的廠區(qū)周邊的三維氣象場，設(shè)置主要的污染物為Hg，利用CALPUFF進行了計算模擬，得到了含Hg煙氣的擴散模型，如圖4所示，（a）、（b）、（c）和（d）分別對應(yīng)重金屬Hg污染擴散的1h、12h、24h和月均擴散濃度。

通過CALPUFF計算得到的污染物濃度擴散圖，我們可以得出重金屬Hg污染擴散1h、12h和24h主要的擴散方向均在廠區(qū)周邊，逐漸向外圍擴散，對應(yīng)濃度的遞減，這與短時段的擴散氣象條件有關(guān)，主導(dǎo)污染物的擴散。當(dāng)我們將時段擴展找月均時，污染物的擴散明顯想正南方、東南方向擴散，這便與當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向為北風(fēng)、次主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)密切相關(guān)。因此，我們可以很清晰的辨別出廠區(qū)周邊的地理、氣象等要素對污染物擴散的影響，以及污染物濃度等值線和分布區(qū)域。這種方法充分地聯(lián)系了非穩(wěn)態(tài)拉格朗日煙團輸送模式的基礎(chǔ)理論與實際污染物遷移擴散模型有機結(jié)合起來，有助于同學(xué)們系統(tǒng)地認識和思考污染物的擴散問題，做到知其然還要知其所以然。

五、結(jié)語

《大氣污染控制工程》教學(xué)中的氣象要素和污染物擴散模型內(nèi)容比較枯燥，理論公式較為復(fù)雜，講解難以激發(fā)學(xué)生興趣。通過CALPUFF軟件輔助教學(xué)，不僅可以簡明、直觀地講清楚授課的重點和難點知識，而且通過一些數(shù)據(jù)的處理可以得到氣象要素、地形、土地利用和污染物擴散等一系列圖形，能夠建立基礎(chǔ)環(huán)境資料與污染物擴散之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生認識大氣污染控制的系統(tǒng)性思維。CALPUFF軟件與教學(xué)內(nèi)容之間的深度融合，以最生動的表達構(gòu)建完整的知識體系，深入淺出幫助同學(xué)們理解和吸收，提升教學(xué)效果，實現(xiàn)一舉多得的功效。

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基金項目：安徽省級課程思政建設(shè)研究項目（編號：2020kcszyjxm067）;安徽省教育廳高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目（編號：2020jyxm1754）;安徽省資源環(huán)境類專業(yè)一流本科人才示范引領(lǐng)基地（編號：2019rcsfjd062）;安徽科技學(xué)院校級質(zhì)量工程項目（編號：X2019029）。

作者簡介：紀(jì)文超（1989-），男，安徽池州人，博士，研究方向：煙氣汞污染治理、環(huán)境化學(xué)、教學(xué)法。