無人機遙感監測技術在CO2地質封存泄漏風險事故監測中的應用

滕 騰, 陳新新, 李鵬飛, 馬俊杰

(西北大學 城市與環境學院， 陜西 西安 710127)

近年來，由化石燃料燃燒產生的溫室氣體(GHG)大量排放造成的全球變暖的問題引起了社會廣泛關注。自工業革命以后，工業生產和人類生活的能源供給主要來源于傳統化石燃料的燃燒。現如今，經濟社會的高速發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，由于其燃燒產生的大量的溫室氣體包括CO2,CH4和N2O等引發了多種生態環境問題。其中CO2是導致全球氣候變暖和溫室效應的最主要原因，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尺度上大規模削減溫室氣體排放量的技術方法。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，甚至誘發地震[3-6]，因此對CCS進行泄漏監測具有十分重要的意義。

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

1 研究方法

本文主要是研究無人機遙感監測平臺在CCS泄漏風險事故監測上的響應效果，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境背景值監測、理論模擬以及飛行監測試驗這3個方面，并通過3組數據的對比分析確定無人機遙感監測平臺對CCS泄漏風險事故的響應效果。

1.1 環境背景值監測

在進行釋放監測試驗之前，對試驗場的環境背景值進行監測具有十分重要的意義。環境背景值對于釋放實驗的監測有著非常重要的作用，只有獲取了有效的、穩定的環境背景值，才能較為可信的判斷監測儀器響應到的CO2濃度變化數據是由于實驗釋放造成的。本次試驗搭載的監測平臺選用的是由深圳圣凱安公司研發設計的一款針對無人機平臺的氣體監測儀，主要包括采樣單元、數據傳輸單元、數據分析單元等，采樣單元監測的數據可通過數傳或GPRS傳輸到地面顯示平臺進行實時監控、數據管理以及圖表生成，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、特殊結構的光學腔體和雙通道探測器，監測儀器在使用之前已經進行了校準，獲取的數據不需要處理，可直接顯示實時濃度數據。

由于無人機的旋翼會對旋翼下方空氣產生擾動，在經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，選定將監測平臺放置在無人機旋翼下方2 m處。本次環境背景值監測選取了試驗場的3個斷面，分別將5，9和13 m高度作為監測斷面。

1.1.1 飛行高度為5 m的環境背景值監測 基于無人機飛行平臺的記錄數據，并在到達預定位置后開啟監測儀器進行數據監測和記錄，其結果如表1所示。

表1 飛行高度為5 m的環境背景CO2濃度分布

通過監測數據發現，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濃度出現波動主要原因是環境風速的不穩定、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境干擾情況較大。

1.1.2 飛行高度為9 m的環境背景值監測 表2是根據無人機飛行數據和監測平臺記錄下的不同位置的濃度數據。

表2 飛行高度為9 m的環境背景CO2濃度分布

通過監測數據發現，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，監測數據的標準差為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的環境背景值監測和CO2垂直濃度監測 在進行13 m斷面層的環境背景值監測的過程中沒有完全按照預設航線進行飛行，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，但通過監測數據標準差發現，13 m斷面層的背景濃度數據的標準差要高于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

通過多個斷面的環境背景值監測發現，在同樣的條件下試驗場內的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，環境中的CO2濃度降低，可能與CO2本身具有沉降性有關，但是以某個高度點的一個濃度數據對比發現濃度與高度的關系不是很明顯，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，導致飛行過程中監測到的是一個相對不穩定的空氣場，但是在實際監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；通過斷面層監測數據的標準差發現隨著高度的增加，監測數據的離散程度升高，可能是斷面層越高大氣環境越不穩定導致的。普遍認為在全球環境中，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境污染程度較高，霧霾嚴重，風速較小等原因導致試驗場CO2濃度處于較高水平。

1.2 飛行監測試驗

1.2.1 試驗方案 本次試驗是為了模擬CCS項目中出現的泄漏風險事故，但由于試驗條件所限，不可能做到工業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 飛行監測航線 在進行試驗時，在飛行過程中由于試驗場環境的變化導致無法按照預先設計的航線進行飛行。在考慮試驗場環境的實際情況后，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測。

1.2.3 數據記錄與分析 由于監測平臺和飛行平臺具有自主記錄數據的功能，在試驗后通過相關技術手段獲取了監測數據和飛行記錄數據。本次試驗將引起環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)視為監測儀器對于泄放CO2的響應。將獲取的監測數據與飛行數據進行整合后的數據見表5。

表5 整合后的CO2濃度分布

通過整合后的數據發現，再與環境背景值進行比對后，以引起環境中CO2變化幅度超過背景濃度值最高的值的1個標準差作為響應濃度，此處環境背景值平均濃度為449 mg/kg，最高濃度為483 mg/kg，監測數據標準差為15。此條件下監測儀器第一次響應到由于泄放導致環境中的CO2發生變化的濃度是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境影響評價中大氣環境預測的基本模型，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，是由排放源到計算點的下風向距離，大氣穩定度的函數，煙羽的排放高度及地表粗糙度決定的。

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

帕斯圭爾擴散曲線法可根據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。帕斯圭爾首先根據云量、云狀、太陽輻射和地面風速等常規氣象資料，將大氣的擴散稀釋能力劃分為A,B,C,D,E,F 6個穩定度級別，然后根據大量的擴散試驗數據和理論上的討論，用曲線法表示每一個穩定度級別的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。

根據常規氣象觀測資料確定穩定度級別：帕斯圭爾劃分穩定度級別的標準如表6所示。

表6 帕斯圭爾大氣穩定度級別

對該標準的劃分說明如下： ①穩定度級別中，A指極不穩定，B指不穩定，C指微不穩定，D指中性，E指微穩定，F指穩定；從A→F表示大氣擴散能力逐漸減弱； ②穩定度級別A-B表示按A、B級別數據內插； 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級穩定度； ⑤強太陽輻射對應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，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與太陽高度一起考慮。例如，在碧空下應當是強太陽輻射；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——橫向擴散系數回歸指數；α2——垂直擴散系數回歸指數；γ1——橫向擴散系數回歸系數；γ2——垂直擴散系數回歸系數；x——距排氣筒下風向水平距離。

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

表7 擴散系數冪函數表達式數據

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原則和方法》(GB3840-91)。國標公式中在不同情況下都給出了相應的計算公式，并充分的考慮了煙氣熱源、風速、城市和農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影響因素。本文根據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——環境大氣壓力(Pa)；Qv——實際排煙率(m3/s)； ΔT——煙氣出口溫度與環境溫度差(K)；Ts——煙氣出口溫度(K)；Ta——環境大氣溫度(K)

1.3.3 試驗條件下的理論數值模擬

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

(2) 試驗案例模擬。試驗測試時的大氣壓為102 900 Pa，環境溫度為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部壓力為3.5 MPa，瓶內的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，其基本物理性質如下：相對分子質量M為44 g/mol，氣體常數R為8.314 J/(mol·K)。參照帕斯圭爾穩定度級別，本次試驗的大氣穩定度定為B等級。結合飛行試驗的響應數據，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。

由于本次飛行監測試驗中飛行方向穩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處的濃度應為40 mg/kg，此次飛行試驗中響應到的最高濃度為下風向8 m高度為5.8 m的位置，監測濃度為746 mg/kg，理論擴散濃度為690 mg/kg。

2 結果與分析

在本次飛行監測試驗中，為了了解無人機遙感監測技術對CO2的泄漏監測效果，再綜合考慮環境背景值、試驗監測數據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開始)不同高度下的濃度數據分析以及同一高度下不同位置的濃度數據分析(詳見表8—9)。

表8 環境背景值、監測數據和理論數據的比較

表9 環境背景值、監測數據和理論數據的比較

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據濃度變化趨勢相同，數據對比分析表明在無人機遙感監測系統第一次對泄漏的CO2做出響應的時候響應濃度與理論濃度差距最小，隨著無人機高度下降響應濃度與理論擴散濃度差距越來越大，但是響應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據對比發現，從距離泄漏源10 m處開始越靠近泄漏源的位置響應到的濃度越高，但在距離11 m處響應濃度比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的CO2分布。

研究還發現，在無人機第一次對泄漏的CO2做出響應時，響應濃度與理論濃度差距最小，在其他位置響應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測到之前就已經被稀釋了。

(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定的過程中會改變旋翼的轉速，導致無人機周圍的空氣流場變化更加復雜；通過監測數據也能發現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境狀況，在進行監測的過程中發現試驗場空氣中的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測平臺對泄漏后的CO2響應難度。

3 結 論

由于CCS技術在減排方面的巨大優勢，引起社會的廣泛關注，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、能夠快速響應的監測技術來對其進行監測。考慮到無人機的各方面優勢，本文試圖利用無人機搭載監測儀器的方式來對CCS項目中的泄漏風險事故進行監測。本文通過高斯模型計算和實際監測數據表明無人機遙感監測技術能夠應用到實際CCS項目的泄漏風險監測中。

通過本次試驗研究表明，無人機遙感監測系統完全能夠對CCS泄漏后的CO2做出響應，能夠應用到實際項目中。無人機遙感監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測平臺能夠響應到的泄漏的CO2的極值理論濃度為40 mg/kg。在實際應用中工業尺度的泄漏量往往是一個很大的值，無人機遙感監測系統能夠響應到一個很大的空間場，具有實際應用意義。