煤田火区温室气体排放通量及其影响因素研究

 陈晓坤，桑长波，马砺，郭龙龙

（1．西安科技大学能源学院，陕西西安710054；

 2．西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安710054）

摘要：煤田火区温室气体的排放速率在时间和空间上由于影响因素而存在差异，本研究在对目前气体排放通量研究基础上，采用空气动力学法对神府矿区活鸡兔火区排放C02、CH4气体和风速、温度以及气压等环境参数进行原位监测，测试结果表明，CO2和CH4通量的变化规律一致，火区内CO2、CH4排放通量变化范围为3.88~ 30. 46 mg/( m2．s)和0. 12~1.36 mg／( m2．s)；通过相关性分析，环境因素对两种温室气体的排放影响很大，火区CO2、CH4的排放与风速、温度以及气压均呈显著正相关，相关性大小依次为风速>温度>气压，论证了所建的浓度梯度模型对煤田火区温室气体排放通量的适用性，进而为煤田火区有害气体污染治理提供了思路。

关键词：煤田火区；温室气体；排放通量；影响因素

O  引言

 煤田火灾现已成为全球持续的五大生态灾难之一，在世界上进行原煤开采的国家和地区普遍存在，每年造成的直接经济损失达到数百亿美元。煤田火灾形成的煤田火区时刻向大气排放大量的CO2、CH4、SO，和NO。等有害气体。这些生成物初期对火灾局部区域环境造成污染，后期则会对大的区域乃至全球造成污染，其中CO2和CH4的排放量尤为显著。煤火产生的温室气体在地下高温作用下沿着裂隙通道外排，在地表温度降低，以随风扩散为主。目前针对湿地、农田、城市绿地等温室气体的排放通量通过箱法监测已做了深入的研究，但箱法在使用中隔绝了箱体内外气体的自由交换，而煤田火区温室气体的排放是通过延伸的，且温度较高，难以制作满足条件的箱体。因此刘生根等根据空气动力学法开发了煤田火区CO2排放监测的环境数据实时采集系统，以此估算CO2排放通量，并在内蒙古典型煤火裂隙区现场进行了应用观测。此外，徐永亮等对煤火燃烧气体产物与地表裂隙关系分析研究，得出气体浓度、温度与地下燃烧煤体之间必然存在一定的量化联系。

 基于此，本研究选取神府煤田活鸡兔井田煤火区为研究对象，结合成本、测量环境、所需要的精度等，基于空气动力学法建立浓度梯度模型对火区进行野外原位监测，探讨了活鸡兔井田煤火区释放温室气体通量在时间和空间尺度上的变化规律；并对影响温室气体通量的主要影响因素进行了测定，分析了火区风速、温度、气压等环境因子与排放通量的相关性分析，以期为评估煤田火区温室气体排放量及其环境因子影响提供依据。

1  研究区域与方法

1.1  区域概况

 观测区位于陕西省与内蒙古自治区交界处的陕西一侧的神木县中鸡乡境内，地处毛乌素沙漠边缘。煤田地理座标为东径110。7'50”~110。16'28”，北纬39。11'27”~ 39。16 749”。由于煤层的煤化度低，埋藏浅，易自燃，开采后井田北部和东部形成大片火区。地裂缝在活鸡兔火区分布较多，与地面塌陷伴生出现，多呈圆弧状、阶梯状等，裂缝深度不等，裂缝宽0. 01~0.3 m，裂缝长1~300 m。煤层埋藏浅，地质构造简单。监测区属于典型的陆性干旱半干旱气候，干燥多风，冬寒夏炎，昼夜温差相对大，雨量集中且长年少雨干旱，有干旱、风沙、暴雨等灾害条件。由于受蒙古高压影响，区内春冬季盛行西北风。年均风速2.6 m/s，最大风速25 m/s。风蚀大于17.2 m/s的大风，以春季最多。

1.2煤田火区温室气体排放通量测算模型的建立

通过对目前气体排放通量的监测方法比较，常用的陆地气体通量观测方法有箱法和微气象法等，微气象法中应用较广的有能量平衡法、涡度相关法、松弛涡度积累法、空气动力学法等。能量平衡法适用于较湿润的大气条件，在煤田火区中使用时，误差较大；涡度相关法需要精确测量三维风场的脉动量和气体浓度的脉动量，要求设备的精度高且量程通常较小。而煤火裂隙区的气体浓度较高，动态变化大，要求设备的量程大且精度适中即可；松弛涡度积累法需要结合实验室条件，且不适合长时间观测。而空气动力学法计算的是监测区内的平均值，在较大区域内被测气体的水平浓度梯度可忽略不计，适用于大面积均匀下垫面，观测期间大气条件定常。浓度梯度法根据气体浓度梯度、风速梯度、温度梯度和气压间接推算气体向上输送通量。类似于分子扩散，在近地层内的空气动力学粗糙面上，被测气体的垂直传输通量与浓度垂直梯度关系为：

 式中：F。是待测气体的通量密度，mg/( m2．s)；P。是监测高度处空气密度，mg/m3；C。是待测气体的浓度，mg/m3；K；（H）是测量高度H处气体的湍流扩散系数，由风速、高度、空气动力学粗糙度和大气稳定度决定。

由气体状态方程，可求得p。。

 式中：P为监测高度处大气压，Pa；R为空气气体常数，R= 287. 06 J/( kg．K)；T为监测高度处温室气体的绝对温度，K。

根据相似理论，在中性条件下，可认为动量通量、热量通量和物质通量的湍流扩散系数相等。则根据风轮廓线方程可得温室气体的湍流扩散系数为：

式中：K是卡曼常数，K=0.035；U*是摩擦风速。而中性层结时近地层的风轮廓线可用对数模式描述：

 式中：z。为地面粗糙度长，m。

 由式(4)可知，只要测得两个不同高度上的风速，联立解方程，即可求得U*、Z。。

由于在实际监测中，大气一般处于稳定或不稳定的状态，此时煤火区温室气体的湍流扩散系数与动量、热量的扩散系数不相等，需选用大气稳定度函数对式(1)进行修正，根据梯度Richardson数(Ri)：

 综上，通过持续监测煤火区释放源不同层高度温室气体浓度以及温度、气压、风速等气象因素，就可估算出煤火区温室气体通量。

1.3现场布点与数据采集

根据所建立测算模型中所需要的参数，宏观了解活鸡兔煤火区的燃烧状况、地理概况、环境因素，设置7个典型的释放点，具体点位位置见图1。裂隙区监测点采用GPS对裂隙位置进行定位，分别在距裂隙口和距裂隙1.5 m高处采用气体监测仪监测裂隙排放的CO2、CH4浓度变化，同时利用气象检测仪同步监测风速、温度、气压等。根据有害气体检测法规和技术要求，选用的煤田火区的气体监测仪以及气象监测仪等在使用前均经过了校准，各监测点观测数据经数据采集器每30 s采集一次数据后输出10 min平均值，每次持续监测30 min。根据大气污染相关标准规范，野外实验性观测的时间为期2015年8月1 1日到2015年8月20日，每天取得3次(8、14、20 h)监测值。监测期选正常情况下气候状况，无极端天气以及降雨出现。

2计算结果及分析讨论

2.1  C02和CH4排放通量

将两组不同时间分辨率的数据比较可知，平均处理仅减少了计算结果的波动性，不改变梯度方向，且不影响计算结果的准确。观测时段温度、风向和风速均无剧烈变化，经平均后的环境因子原始观测数据见表1所示。由监测结果可见，监测期间气压的变化幅度不大，温度的变化幅度次之，而风速的变化幅度最为明显，图2为经制图软件处理后的CO2和CH4排放浓度变化曲线，两个高度层CO2、CH4浓度的变化趋势相似，同一时刻高处的浓度始终小于低处的浓度，符合实际情况。此外，下层释放源口的气体浓度变化幅度较大，上层检测到的浓度值变化相对较稳定，CH4的变化幅度较大于CO2的变化幅度。

根据建立的适用于煤火区温室气体排放通量的浓度梯度模型可计算出CO2和CH4的通量变化，最终计算结果见图3。

 由图3可见，活鸡兔井田煤火区的CO2和CH4通量的变化规律一致，CO2的变化幅度较小，而CH4的变化幅度较大。CO2通量最小值为3.88 mg/( m2．s)，最大值可达到30.46 mg/( m2．s)，平均通量为14. 21mg/( m2．s)；而CH4排放通量的最小值0.12mg/( m2．s)，最大可达到1. 36 mg/( m2．s)，平均通量为0. 70 mg/( m2．s)。总体而言，其排放通量受环境因素的影响变化波动较大。

2.2  排放通量影响因素分析

采用SPSS软件对CO2和CH4的通量与影响因素监测数据（表1）分析数据之间的相关性，分析结果见表2。

 1)风速对CO2和CH4排放通量的影响

 风速大小对c0：和CH；的扩散影响较为复杂，决定了两种气体输送距离的远近和大气扩散稀释作用的强弱，一方面在一定的较小风速时，风会加大CO2和CH4的扩散范围，当在风速大到一定程度时，风会加速CO2和CH4的稀释。同时，风的影响会加剧CO2、CH4和空气之间的传质和传热。由风速变化对CO2和CH4排放通量的影响关系可知，所得CO2、CH4与风速的Pearson相关系数均大于0，说明呈正相关，而相伴概率值sig.=0.000<0.05，即说明CO2、CH4的排放通量是受风速显著性正影响的。可见，由于活鸡兔火区风速较高，风速成为影响CO2、CH4排放通量的主导因子。总体可知，风速的变化趋势与两种温室气体的变化趋势一致，风速增大时通量也增大，不过通量的变化有所滞后。

 2)温度对CO2和CH4排放通量的影响

 温度的影响主要表现在火区环境温度的垂直梯度分布，温度的垂直分布决定了大气层结的垂直稳定度，直接影响气体湍流的强弱，进而支配气体的散布。对于火区释放的高温温室气体，其浮力作用大小受温度的影响，当其被冷却至大气温度后，它的上升作用便会丧失，此时大气本身的扩散稀释能力就会下降，火区CO2和CH4的浓度会随逆温层厚度和强度的增大而明显增加。同时，煤火燃烧的温度会影响裂隙上空的气温，温度越高，也证明了煤火燃烧旺盛，就会释放出更多的CO2，由温度变化对CO2和CH4排放通量的影响关系，所得CO2、CH4与温度的Pearson相关系数可知呈正相关，而相伴概率值均为sig．=0.000<0.05，即说明CO2、CH4的排放通量是受风速显著性正影响的，但其相关系数明显低于风速对其的影响系数，分析结果同样指出不普遍适用。结合风速对其排放通量的影响，在风速较低时，排放通量与温度相关性较强，当在风速较高时，通量与温度的相关性降低。总体可知，温度对其有一定相关性，但其影响低于风速的影响。

 3)气压对CO2和CH4排放通量的影响

 对于气体扩散而言，压力越大，则扩散相的浓度越大，越利于扩散相的扩散。当地面受低压控制时，四周的高压气团会向中心流动，进而形成上升气流，通常风力较大时利于气体向上扩散；地面受高压控制时，中心出现下沉气流，阻止气体向上扩散，在稳定高压的控制下会使气体浓度变大。由气压变化（对CO2和CH4排放通量的影响）关系可知，所得CO2和气压的Pearson相关系数为0. 404 >0，相伴概率值sig.=0.004<0.05；CH4和气压的Pearson相关系数为0.290 >0，相伴概率值sig.=0.046<0.05，即说明CO2和CH4的排放通量是受气压正影响的，但相关系数明显低于风速和温度，且监测期间气压的变化范围为88 301—88 585 Pa，日变幅度< 1%，远远低于风速、气温等因素的日变化幅度，因此，当其他影响温室气体通量的环境参数发生较明显变化时，气压对通量的影响几乎可以忽略不计，表明气压并不是影响CO2和CH4通量的关键因素。

 4)其他影响因素影响分析

 煤田火区温室气体排放受煤质、土壤岩层性质、火区裂隙类型、排放口分布位置、排放方式以及排放时间规律等多种因素影响。当扩散至地面时主要受到温度、气压、风速等环境因素影响较大，气体扩散还受到湿度、降雨量、地形等很多环境因素的影响。由于火区内温度较高，湿度较小，几乎不变，对火区温室气体的排放影响较小。其次，在降雨的天气条件下，火区释放能溶于水有害气体会随雨沉降至地面而转为水污染，从而影响排放通量。由于CO2易溶于水，CH4不溶于水中，因此会对其释放产生影响。当然，火区源所在位置的地表状况、火区源的高度等地理环境因素也会影响温室气体的排放，它们既会改变火区温室气体扩散速度，又会改变扩散方向。由于研究设备的局限性，以及其他因素相互之间往往产生交互作用，很难将某一因素的影响作用定性或者定量化。

3结论

 1)通过对活鸡兔火区释放CO2、CH4两种典型温室气体的原位监测，C02、CH4平均排放通量分别为3.88~30. 46 mg/( m2．s)和0. 12—1.36 mg/( mz．s)，总体而言，两种温室气体的排放通量大，CH4的通量变化幅度较大，而CO2的排放通量则相对比较平稳。可见利用此方法综合考虑了煤田火区温室气体排放的特性以及环境因素对排放量的影响，可更加准确地测算出煤火区温室气体排放量。

 2)由影响因素对活鸡兔火区CO2、CH4排放影响相关性分析可知，风速与CO2、CH4的相关性为0.770、0. 705，温度与CO2、CH4的相关性为0.609、0.557，气压与CO2、CH4的相关性为0.404、0.290，可知，风速对C02、CH4排放影响较高，温度次之，气压对其影响较为微弱，论证了所建立的浓度梯度模型对煤田火区温室气体排放通量的适用性，进而可从环境因素影响强弱的角度更为有效的防治煤田火区有害气体污染。