纪文超 范行军 王艳 蔡永兵 李粉茹

摘要：《大气污染控制工程》是环境科学与工程学类人才培养课程体系中的一门重要的专业核心课，其中的污染物的气相扩散模型是教学的难点之一。本文研究和分析了大气污染模拟软件CALPUFF的基本组成框架和计算模块在大气污染控制工程教学中可以结合与应用的具体案例。借助CALPUFF软件的设计架构与模拟思路剖析，不仅可以简明深刻地讲授课程的重要内容，而且可以全方位串联知识点并构建知识体系。这种软件和理论知识深度融合的教学模式，可以让学生以最直观的方式理解和吸收课程重要知識点，有效激发学生的学习兴趣，进而提高学习效率，提升学习效果。

关键词：CALPUFF;《大气污染控制工程》;大气模式

中图分类号：D64 文献标识码：A

一、前言

大气污染控制工程是在大气科学、环境化学、化工原理和污染控制等学科的基础理论和方法上发展起来的，具有多学科交叉的特点。作为环境科学与工程类人才培养方案中的一门核心课程，对于培养学生分析大气污染控制领域的问题和解决工程实际难题的能力至关重要，将为他们今后从事环境保护和工程设计工作奠定坚实的基础[1]。目前该课程理论与实验教学相结合的教学方式难以让学生很好地理解与掌握一些晦涩难懂的基础理论，难以提高学生的学习效果。

随着科技的进步与发展，尤其是计算机科学的新理论新方法的多学科交叉不断强化，基于不同学科的理论与计算机模型算法得到深度融合，计算机辅助的大气污染模型相继出现[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）模型都实现软件化，目前都被最新的大气环境环评导则（HJ 2.2-2018）推荐使用。在众多的大气污染模型中，CALPUFF是最具国内法规地位的大气模型之一，主要优势在于能够较为准确的进行长距离、大尺度（≥50km）的污染物运输模拟。该模型基于三维非稳态拉格朗日扩散模式，融合了土地利用数据和气象数据处理等模块，将大气污染物的扩散影响关键因素全方位关联，能够进行大数据量的处理与数据的动静态可视化。许多与大气有关的大气环境问题，如能见度模拟、放射性核素模拟、区域重点行业大气污染和预测风速等均可通过CALPUFF软件得到定性、定量的解决。因此，在《大气污染控制工程》课程的教学过程中，教师能熟练地运用各种教学和科研软件，适时变换教学方式，在课程重点难点的“理论模型化”和“模型理论化”之间有序转换，构建新的课程知识体系，融入最新的科研进展显得尤其重要[3-5]。CALPUFF软件辅助教学有利于学生加深对《大气污染控制工程》知识的理解和运用，特别是气象、地形和土地利用等因素影响下的大气扩散行为的变化，从而强化教学效果，从晦涩难懂的理论公式到可操作、可视化的模型，激发学生学习大气模式系统的兴趣，提高大气科学理论基本功，增强实际应用的水平和能力。

本论文将主要针对《大气污染控制工程》大气污染物迁移影响、主要气象要素、污染物扩散理论和模型教学过程中重点和难点，具体研究和分析CALPUFF软件的构成与基础对课程教学的作用和晦涩理论的模型化过程的实际案例，旨在构建完备的教学理论框架，融入新的模型与方法。

二、CALPUFF软件框架辅助大气污染物迁移影响教学

大气污染物迁移的影响因素很多，如污染源属性、气象因素、地面特征等。CALPUFF软件的设计基础充分的考虑了上述影响因素，从前处理模块、气象处理模块、扩散模块和后处理模块，分别对各种影响因素进行数据处理与集成，通过对软件设计的框架深入的剖析，影响大气污染物迁移扩散的影响因素可顺理成章的串联起来。如图1所示，前处理模块主要通过WRF模型获取气象和土地利用的原始数据，处理后的数据可以供气象模块使用，CALMET气象模块处理得到的气象数据再供CALPUFF模块计算与模拟，形成扩散模型，最后通过后处理CALPOST模块得到可视化数据与图形，中间穿插一些常规气象、地理数据预处理模块。

由此，借助CALPUFF软件系统的设计框架，可以使学生对大气污染物扩散的“前因后果”有非常深刻和系统地认识，以全局性思维思考大气污染物扩散的全过程，以严密的逻辑理解大气污染物迁移的影响因素，有效地将这些影响因素串联起来。

三、CALPUFF软件辅助主要气象要素教学

CALPUFF软件整合了气象要素的处理模块，并可以输出研究对象所在区域的气温、气压、气湿、风向和风速等信息，通过可视化手段，可以显著提升学生对大气污染气象学知识的兴趣，有较为准确地把握，使枯燥的理论教学变得生动有趣。如图2所示，某地在一月和二月的风玫瑰图可以很清晰通过CALPUFF软件展现。

此外，污染物的扩散与地形也密不可分，通过CAPUFF软件的地形处理程序，可以得出当地的高程图，联合气象处理结果，可以生成对应区域的高程分布及风场动画，简洁直观地观察风场随时间的演变（如图3所示）。

四、CALPUFF软件辅助大气污染物扩散理论和模型教学

CALPUFF软件具有简便灵活、使用广泛的特点，尤其在静风问题的处理方面极具优势[6]。CALPUFF在积分烟团的处理主要是通过以下方程估算单个烟团从排放源排放后扩散到任意一接受点处的基本浓度，从而建立研究网格的浓度分布体系。

式中，C为污染物的地面接受点的基本浓度，g/m2;Q为源强;σx、σy、σz为三个方向的扩散系数;da为顺风距离;dc为横向距离;He为有效高度;h为混合层高度;g为高斯方程垂直项。

通过基本的地形数据、土地利用数据、地面气象数据和探空气象处理后，输入到CALMET模块中计算即可得到三维气象场数据。在此基础上，我们再对污染物、污染源参数进行设定，软件中所列的是常见的污染物类型，如SO2、SO4、NOx、HNO3、NO3、NO、NO2、ODOR、TOLUENE、B-PINENE、PM2.5等，化学转化方法主要有无污染物转化、MESPUFF II化学转化方案、使用用户自定义的转化速率文件、RIVAS/ARM3化学转化方案和计算二次有机气溶胶（SOA）等，输入污染源参数信息，常规参数涉及排放源的排放参数、污染物排放速率、源变化参数、建筑物下洗等，上述参数设置完成以后即可运行CALPUFF计算模块。根据CALPUFF计算的结果，进行结果的后处理，得到不同污染物的1h、12h、24h、月平均、年平均等浓度值。

以某化工厂为例，其四个主要含Hg烟尘排放源，对应源强别为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，烟囱有效源高分别为40m、15m、15m和62m，直径分别为0.8m、0.8m、0.8m和1.84m，烟囱出口处平均风速4m/s，烟气速度均为15m/s，烟气温度303.15K，试分析该厂含Hg污染物的迁移扩散情况。

根据上述信息，我们按照CALPUFF计算的框架和流程，设置了50×50 km的研究区域，依次对厂区所在地地形、高程、地面气象和高空气象数据进行了处理，通过CALMET计算得到的厂区周边的三维气象场，设置主要的污染物为Hg，利用CALPUFF进行了计算模拟，得到了含Hg烟气的扩散模型，如图4所示，（a）、（b）、（c）和（d）分别对应重金属Hg污染扩散的1h、12h、24h和月均扩散浓度。

通过CALPUFF计算得到的污染物浓度扩散图，我们可以得出重金属Hg污染扩散1h、12h和24h主要的扩散方向均在厂区周边，逐渐向外围扩散，对应浓度的递减，这与短时段的扩散气象条件有关，主导污染物的扩散。当我们将时段扩展找月均时，污染物的扩散明显想正南方、东南方向扩散，这便与当地的主导风向为北风、次主导风向为西北风密切相关。因此，我們可以很清晰的辨别出厂区周边的地理、气象等要素对污染物扩散的影响，以及污染物浓度等值线和分布区域。这种方法充分地联系了非稳态拉格朗日烟团输送模式的基础理论与实际污染物迁移扩散模型有机结合起来，有助于同学们系统地认识和思考污染物的扩散问题，做到知其然还要知其所以然。

五、结语

《大气污染控制工程》教学中的气象要素和污染物扩散模型内容比较枯燥，理论公式较为复杂，讲解难以激发学生兴趣。通过CALPUFF软件辅助教学，不仅可以简明、直观地讲清楚授课的重点和难点知识，而且通过一些数据的处理可以得到气象要素、地形、土地利用和污染物扩散等一系列图形，能够建立基础环境资料与污染物扩散之间的联系，培养学生认识大气污染控制的系统性思维。CALPUFF软件与教学内容之间的深度融合，以最生动的表达构建完整的知识体系，深入浅出帮助同学们理解和吸收，提升教学效果，实现一举多得的功效。

参考文献：

[1]赵兵涛.能源与环境类专业“大气污染控制工程”课程建设与探索[J].中国电力教育，2013（16）：74-75.

[2]刘涛，李照海，羌宁，徐斌，施鼎方，徐竟成.大气污染控制工程信息化实验教学模式的构建[J].实验室研究与探索，2017，36（08）：234-236.

[3]祁志冲，冯彩霞，周艳梅，李德亮.科研进展融入《大气污染控制工程》教学初探[J].广州化工，2020，48（13）：118-120.

[4]烟征，马云峰，李延吉，刘祚希，孙洋，李少白.工程教育专业认证背景下Mathematica软件在大气污染控制工程课程设计中的实践探索[J].当代教育实践与教学研究，2020（10）：147-148.

[5]蒋明，李博，李天国，湛方栋，何永美.HSC化学热力学计算程序在《大气污染控制工程》课程中的教学实践[J].化工设计通讯，2018，44（06）：156+160.

[6]宋英明，刘子朋，卢川，陈心润，肖德涛，杨钧翔，孙正，张宇.核事故放射性气体扩散及辐射剂量模拟研究[J].核电子学与探测技术，2018，38（01）：95-99.

基金项目：安徽省级课程思政建设研究项目（编号：2020kcszyjxm067）;安徽省教育厅高等学校省级质量工程项目（编号：2020jyxm1754）;安徽省资源环境类专业一流本科人才示范引领基地（编号：2019rcsfjd062）;安徽科技学院校级质量工程项目（编号：X2019029）。

作者简介：纪文超（1989-），男，安徽池州人，博士，研究方向：烟气汞污染治理、环境化学、教学法。