甲烷(CH4)是第二重要的人為源溫室氣體,它在大氣環境化學過程中發揮著重要作用。但甲烷的全球收支卻存在著巨大的不確定性,特別是大型設施來源的存量不確定性,如垃圾填埋場、牛群以及石油和天然氣開采基礎設施,它們共同為全球排放產生了巨大影響。
紅外線相機是相對便宜的泄漏檢測工具,但它們不能提供測量CH4 通量所需的定量信息。另外,示蹤氣體擴散遙感方法可用于量化逃逸性排放,依靠在源頭控制釋放示蹤氣體,結合對示蹤氣體和目標氣體羽流的濃度測量。然而,這種方法需要昂貴的儀器設備,而且比較難以實施。例如,在不可能進入現場釋放示蹤劑的情況下,或者在羽流可能是懸空的情況下,示蹤劑方法可能有局限性。
設施規模的排放通量可以迅速從近場采樣(離源頭不到500米)中得出,這可以從無人駕駛飛行器(UAV)平臺獲得。無人機是便宜的、通用的和相對容易使用的。它們可以在源頭附近飛行,并可以使用路標自動引導,以實現均勻和無偏差的空間采樣。然而,使用有限精度和準確性的ppm級別靈敏度的傳感器測量甲烷,對準確的源識別和流通量量化產生了巨大的限制。
ABB最新款式基于激光的離軸集成腔體輸出光譜(OA-ICOS)微量氣體分析儀解決了這一限制,非常適用于快速和精確的無人機采樣。它們很輕,能夠以ppb級的靈敏度進行原位CH4 測量。
所附文章《利用無人機采樣測試近場高斯煙羽反演通量量化技術“Testing the near-field Gaussian plume inversion flux quantification technique using unmanned aerial vehicle sampling”》
文章鏈接:https://doi.org/10.5194/amt-13-1467-2020
文章中的工作由曼徹斯特大學的一群科學家協調完成,他們通過在釋放物的下風處飛行兩架大疆Spreading Wings S1000+八旋翼無人機,對近場高斯煙羽反演(NGI)方法的應用進行了無偏差的無人機采樣控制CH4 排放源。
第一架無人機(UAV1)使用150米的PFA管連接到地面上的LGR-ICOS MGGA(GLA131-GPC微型甲烷排放分析儀的舊款型號)。使用一個微型泵通過管路由MGGA進行采樣。進入無人機進氣口的空氣和進入MGGA腔體的空氣之間的采樣滯后時間為25秒。MGGA和泵都是由一個12V的鉛酸電池供電。
在第二架無人機(UAV2)上安裝了一個碳纖維外殼的新型緊湊型(3公斤)LGR-ICOS GLA133-GGA無人機溫室氣體分析儀(文章中稱為 "pMGGA")原型。進入外部進氣口的空氣和進入pMGGA腔體的空氣之間的采樣滯后時間為2秒。
▲左圖 :GLA131-GPC微型便攜式甲烷排放分析儀;▲右圖:GLA133-GGA 基于無人機的溫室氣體分析儀安裝在大疆S1000+八旋翼無人機上
使用LGR-ICOS儀器進行源識別和通量量化的無人機采樣方法在Lancashire的一個天然氣開采設施附近的兩個田地進行了測試,在鉆探或水力壓裂之前,進行了五天的采樣。甲烷從作業現場內以兩種受控通量率之一從地面以上0.25米處釋放,兩個無人機在釋放點的下風處飛行,共進行了22次飛行調查,每次8-9分鐘(UAV1飛行7次,UAV2飛行15次)。在通量分析過程中,通量率和時間不變的羽流的確切位置是不公開的,從而可以進行真實無偏盲測。
▲圖:UAV1(與地面上的MGGA連接)和UAV2(與安裝在框架上的pMGGA連接)的照片,展示進氣口相對于UAV底座的位置。(Shah et al.)
每天根據公共風向預報和現場風向測量決定無人機與受控釋放物的位置及其采樣路徑,以使每個無人機的飛行軌道在受控釋放物的下風向上處于水平中心。UAV1使用預先編程的航點進行操作,并斜向上升。每個UAV1的飛行調查由兩部分組成:一次是在源頭的右邊飛行(投射到采樣平面上,垂直于平均風向),一次是在左邊飛行。同時,每個無人機2號飛行調查由一次單獨飛行組成,進行水平橫斷面的調查,每個橫斷面的高度基本固定,距離起飛位置橫向約100米。
▲圖:用于無人機采樣的場地,受控釋放點為X標記(Shah等人)
兩臺LGR-ICOS儀器都使用世界氣象組織認證的標準進行了特征分析和校準。評估了電池壓力和電池溫度的影響,并為每臺儀器專門計算了水蒸氣校正系數。利用NGI最小二乘法通量量化技術,計算出每次飛行調查測得的CH4 通量密度,該技術利用高斯統計學考慮了湍流風的變化,從而得出排放通量。
實驗證明通量量化方法是成功的,作者觀察到大多數NGI通量與已知的控制排放通量有很好的一致性。他們觀察到,22個通量中有19個被充分地概括于無人機衍生的通量不確定性中,驗證了這種旨在測量設施規模點源煙羽排放通量的創新方法,該方法在無人機采樣期間排放源相對不變。
雖然作者承認使用其他方法(如示蹤劑擴散方法)可以獲得更精確的通量估計,但他們強調,該方法已被調整為快速通量分析,而不是用于清單的精確通量測量。該方法的一個關鍵優勢是它能夠在污染源的下風向取樣,以獲得場外CH4 通量測量。這種取樣允許對CH4排放進行獨立和便攜的研究,而不需要重型基礎設施、特殊許可、場所準入或事先通知。該方法非常適用于監管泄漏檢測和源頭隔離,還能衡量通量泄漏的嚴重程度,以便隨后使用其他方法進行調查。
綜上所述,該研究表明,無人機采樣與LGR-ICOS緊湊型痕量氣體分析儀相結合,可以用NGI方法實際得出無偏差的快照排放源和通量,精度達到ppb級別,通過在垂直于風向的平面上采樣,距離源至少約50米。展望未來,作者預計將無人機采樣與示蹤劑釋放相結合,利用無人機的垂直采樣優勢,在下風向同時測量目標氣體和替代性示蹤劑,作為未來一個強大的工具,用于大型設施的CH4 排放源的精確通量量化分析,如很難進入的石油和天然氣開采基礎設施、畜牧業和垃圾填埋場等。
該無人機方案,可同步測量CO2、CH4、H2O。
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