采用高斯模型的垃圾焚燒污染物環(huán)境監(jiān)測(cè)及布點(diǎn)

劉鶴欣,羅銳,冉小鵬,王宇瑩,李換琴,李繼成

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.西安交通大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,710049,西安)

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采用高斯模型的垃圾焚燒污染物環(huán)境監(jiān)測(cè)及布點(diǎn)

劉鶴欣1,羅銳1,冉小鵬1,王宇瑩2,李換琴2,李繼成2

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.西安交通大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,710049,西安)

針對(duì)垃圾焚燒廠之類(lèi)的污染源所排放污染物對(duì)周邊不同區(qū)域影響的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)問(wèn)題,將基于高斯模型的模擬測(cè)算布點(diǎn)法與功能區(qū)布點(diǎn)法相結(jié)合,建立了監(jiān)測(cè)布點(diǎn)模型。首先綜合考慮監(jiān)測(cè)區(qū)域周邊氣象條件、地形特征以及新定義的功能區(qū)分布,依據(jù)不同物理化學(xué)性質(zhì)將污染物分為常規(guī)污染物和特殊污染物,從而引入簡(jiǎn)單地形和復(fù)雜地形下分別適用于兩類(lèi)污染物的微風(fēng)擴(kuò)散模式和煙塵擴(kuò)散模式的高斯模型;然后采用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)這些因素進(jìn)行處理,確定了模型中相應(yīng)的參數(shù),計(jì)算分析得出污染物濃度分布;最后與功能區(qū)布點(diǎn)法相結(jié)合,得到最終的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方案。以深圳市寶安區(qū)擬建的垃圾焚燒廠為例,詳細(xì)闡釋了整個(gè)研究方法和步驟,并給出該垃圾焚燒廠周?chē)h(huán)境設(shè)立9個(gè)分區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的方案。文中的研究角度、方法和步驟為解決垃圾焚燒廠等污染源的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置問(wèn)題提供了新思路。

垃圾焚燒廠;污染物;動(dòng)態(tài)監(jiān)控點(diǎn);高斯模型;模擬測(cè)算布點(diǎn)法

近年來(lái),隨著“垃圾圍城”問(wèn)題的日益嚴(yán)重,針對(duì)垃圾處理的焚燒發(fā)電法在全國(guó)各地逐步興起。如何更好地規(guī)范垃圾焚燒廠排污運(yùn)營(yíng)行為,增強(qiáng)居民對(duì)生活環(huán)境安全的信心,是國(guó)家亟待解決的重要問(wèn)題。顯然,在焚燒廠內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法已不能適應(yīng)相應(yīng)需求。該方法所搜集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能全面客觀地反映焚燒污染物對(duì)周邊環(huán)境的影響,這樣的數(shù)據(jù)作為監(jiān)管部門(mén)評(píng)價(jià)焚燒廠運(yùn)營(yíng)行為的依據(jù)不夠充分合理。合理設(shè)置動(dòng)態(tài)監(jiān)控點(diǎn)不僅能為監(jiān)管部門(mén)提供更為全面客觀的數(shù)據(jù)依據(jù),而且這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能更及時(shí)地傳遞給居民,強(qiáng)化居民對(duì)其生活環(huán)境安全的信心,并且也可作為政府對(duì)居民進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)。

2014年7月1日起,我國(guó)開(kāi)始實(shí)施新的《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》[1],新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)煙氣中污染物濃度限值有了更嚴(yán)格的規(guī)定,但污染物的監(jiān)測(cè)仍采取傳統(tǒng)的檢測(cè)煙氣成分方式。我國(guó)環(huán)境保護(hù)部出臺(tái)的《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則——大氣環(huán)境》[2]指出監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置數(shù)目及位置所應(yīng)考慮的基本因素,同時(shí)也針對(duì)各級(jí)評(píng)價(jià)項(xiàng)目提出了布點(diǎn)基本原則。賴(lài)劍文提出如何在四種常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置法基礎(chǔ)上運(yùn)用物元分析等方法對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位優(yōu)化[3];余紅提出運(yùn)用綜合分析法優(yōu)化大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)布點(diǎn)[4];Enrique等研究了單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)置[5]。以上文獻(xiàn)側(cè)重討論大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)置方法及理論研究。Graziapittau等以意大利威尼斯為例研究針對(duì)SOx及NOx的監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)置[6];李軍針對(duì)四川省某氣田區(qū)破碎地形的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行了研究[7]。羅華君等應(yīng)用空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)模型對(duì)昆明空港經(jīng)濟(jì)區(qū)多污染源監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行了研究[8]。以上文獻(xiàn)往往是根據(jù)已有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置來(lái)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量狀況,而對(duì)于垃圾焚燒廠之類(lèi)的已知其排放污染物數(shù)據(jù)的污染源,如何監(jiān)測(cè)這些污染物對(duì)周邊不同區(qū)域的影響強(qiáng)弱這一問(wèn)題研究較少。

本文在已有文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上,提出了如何從周邊環(huán)境出發(fā),建立測(cè)算布點(diǎn)模型,從而解決垃圾焚燒廠污染物環(huán)境影響監(jiān)測(cè)問(wèn)題的一般方法和步驟,并且以深圳市寶安區(qū)擬建垃圾焚燒廠為研究對(duì)象,綜合考慮該焚燒廠周邊氣象、地形、功能區(qū)分布等環(huán)境因素,求解基于高斯模型的模擬測(cè)算布點(diǎn)模型,再結(jié)合功能區(qū)布點(diǎn)法,從而得出了該焚燒廠附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置方案。

1 監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)處理

監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)處理是建立測(cè)算布點(diǎn)模型進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置所必須的準(zhǔn)備工作。監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境狀況主要包括氣象條件、地形特征、功能區(qū)分布3個(gè)方面。預(yù)處理的過(guò)程是采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法定量描述監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境狀況。

1.1 氣象條件

常見(jiàn)的氣象條件包括了風(fēng)、溫度、降水、大氣穩(wěn)定度、湍流等,在氣象條件分析時(shí)應(yīng)依據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域常年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷,從而建立準(zhǔn)確合適的模擬測(cè)算模型。以深圳市寶安區(qū)擬建的垃圾焚燒廠(谷歌地圖坐標(biāo)22.686 033, 114.097 586)為例對(duì)其氣象條件進(jìn)行如下分析。

1.1.1 風(fēng)向與風(fēng)速 風(fēng)向和風(fēng)速是影響污染源排放污染物擴(kuò)散和稀釋的最主要因素。風(fēng)向決定著污染物的主要擴(kuò)散方向。風(fēng)速?zèng)Q定著污染物稀釋的速度,風(fēng)速越大,污染物在單位時(shí)間內(nèi)就可以進(jìn)入較大的空氣體積里,因而污染濃度就小,風(fēng)速較小時(shí),污染物的擴(kuò)散稀釋受阻,將會(huì)導(dǎo)致污染物富集而產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

本文依據(jù)該焚燒廠2011年4月13日～2012年3月31日數(shù)據(jù)[9],按季節(jié)計(jì)算平均風(fēng)速并統(tǒng)計(jì)靜風(fēng)頻率,結(jié)果如表1、圖1所示。

表1 焚燒廠選址處風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

表1中季節(jié)的劃分為:春季(2月6日～4月20日),夏季(4月21日～11月2日),秋季(11月3日～1月12日),冬季(1月13日～2月5日)[10]。靜風(fēng)是指風(fēng)速平均值≤0.5 m/s。在靜風(fēng)條件下,風(fēng)向紊亂,當(dāng)靜風(fēng)條件持續(xù)一段時(shí)間后,從污染源排放出的污染物是向上和向四周緩緩擴(kuò)散的,污染物在水平面上的擴(kuò)散已無(wú)明顯的方向性。從表1中可知,焚燒廠選址處?kù)o風(fēng)頻率較低,因此污染物擴(kuò)散受到風(fēng)向的影響較為明顯。

圖1中每一個(gè)方位(如西南)后面括號(hào)中的數(shù)字表示平均風(fēng)速。

(a)春

(b)夏

(c)秋

(d)冬圖1 焚燒廠選址處四季風(fēng)向、風(fēng)速玫瑰圖

根據(jù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)導(dǎo)則,主導(dǎo)風(fēng)向是指風(fēng)向頻率最大的風(fēng)向角的范圍;某地區(qū)滿(mǎn)足主導(dǎo)風(fēng)向角風(fēng)向頻率之和≥30%時(shí),可認(rèn)為其主導(dǎo)風(fēng)向具有明顯優(yōu)勢(shì);在沒(méi)有主導(dǎo)風(fēng)向的地區(qū),應(yīng)考慮污染源對(duì)全方位的環(huán)境空氣敏感區(qū)的影響[2]。由圖1可知,在焚燒廠選址處全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng)、西南風(fēng),因此可以初步判斷,位于垃圾焚燒廠偏東北方向的污染物濃度較大。

1.1.2 大氣穩(wěn)定度 大氣穩(wěn)定度是指大氣中某一高度上的一團(tuán)空氣在垂直方向上的相對(duì)穩(wěn)定程度,即受擾動(dòng)后的某一氣塊返回或遠(yuǎn)離其原來(lái)平衡位置趨勢(shì)和程度的度量,也是影響大氣湍流、煙塵在大氣中擴(kuò)散能力的重要因素。大氣穩(wěn)定度越低越有利于污染物的稀釋擴(kuò)散,大氣穩(wěn)定度越高則污染物越容易積累在污染源附近。

根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中所采用的大氣穩(wěn)定度帕斯奎爾分類(lèi)方法[11],可將大氣穩(wěn)定度分為A、B、C、D、E、F 6類(lèi),分別表示強(qiáng)不穩(wěn)定,不穩(wěn)定,弱不穩(wěn)定,中性,較穩(wěn)定和穩(wěn)定。以深圳市垃圾焚燒廠為例,確定各季節(jié)大氣穩(wěn)定度步驟為:首先由焚燒廠經(jīng)緯度、風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)的觀測(cè)時(shí)間及日期,根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的公式計(jì)算單日太陽(yáng)高度角,統(tǒng)計(jì)平均得到各個(gè)季節(jié)太陽(yáng)高度角;然后參考文獻(xiàn)[12],確定深圳市的總云量約為7.26;最后根據(jù)文獻(xiàn)[11],由云量與太陽(yáng)高度角查出太陽(yáng)輻射等級(jí)數(shù),進(jìn)一步由太陽(yáng)輻射等級(jí)數(shù)與地面風(fēng)速查出大氣穩(wěn)定度。以上各步驟結(jié)果表示在表2中。

表2 大氣擴(kuò)散參數(shù)影響因素

1.1.3 其他氣象條件 除了上文所討論的風(fēng)向風(fēng)速及大氣穩(wěn)定度,某些情況下污染源所處區(qū)域還可能存在特殊的氣象條件,如靜風(fēng)和逆溫。靜風(fēng)是指風(fēng)速平均值≤0.5 m/s,逆溫是指大氣內(nèi)某些層次出現(xiàn)氣溫不隨高度變化或氣溫隨高度的升高反而增高的現(xiàn)象。靜風(fēng)條件限制了污染物在水平方向的擴(kuò)散稀釋,逆溫現(xiàn)象則限制了污染物在垂直方向的擴(kuò)散稀釋。當(dāng)靜風(fēng)或逆溫狀況明顯時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。以深圳市寶安區(qū)為例,依據(jù)常年氣象統(tǒng)計(jì)資料得到該區(qū)域靜風(fēng)頻率偏低(見(jiàn)表1),且無(wú)逆溫現(xiàn)象出現(xiàn),因此不需要定量分析這兩種氣象條件。

1.2 地形特征

地形會(huì)顯著影響空氣污染物的擴(kuò)散過(guò)程。由環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則,距污染源中心點(diǎn)5 km內(nèi)的地形高度(不含建筑物)低于煙囪高度時(shí),定義為簡(jiǎn)單地形,在此范圍內(nèi)地形高度不超過(guò)排氣筒基底高度時(shí),可認(rèn)為地形高度為0;距污染源中心點(diǎn)5 km內(nèi)的地形高度(不含建筑物)等于或超過(guò)煙囪高度時(shí),定義為復(fù)雜地形。我國(guó)地勢(shì)西高東低,呈階梯狀下降,山地、丘陵和高原約占總國(guó)土面積的2/3,因此在分析我國(guó)垃圾焚燒廠污染物環(huán)境影響時(shí),往往需要考慮周邊地形特征。

利用Google地圖軟件,可以快速獲得垃圾焚燒廠周邊地形圖像。對(duì)于深圳寶安區(qū)垃圾焚燒廠,在焚燒廠西南方向上是高度大于100 m的山區(qū),東南方向是平湖生態(tài)園,東北及西北方向是居民區(qū)。西南方向的山區(qū)高度大于煙囪高度,屬于復(fù)雜地形區(qū)域,而東南、東北、西北方的生態(tài)園、居民區(qū)比較開(kāi)闊,屬于簡(jiǎn)單地形區(qū)域。

1.3 功能區(qū)分布

功能區(qū)本義為城市內(nèi)部各功能活動(dòng)的分布空間及其相應(yīng)產(chǎn)生的小區(qū),如中心商業(yè)區(qū)、行政區(qū)、工業(yè)區(qū)、居住區(qū)和郊區(qū)等。本文所定義的功能區(qū)是指受到污染物影響具有不同特點(diǎn)的區(qū)域,包括山區(qū)、居民區(qū)和生態(tài)區(qū)3類(lèi)。山區(qū)是指前文所定義的具有復(fù)雜地形的區(qū)域,該區(qū)域起伏地形對(duì)污染物擴(kuò)散有顯著影響;居民區(qū)是居民生活工作的區(qū)域,人口密度大,污染物造成重大危害可能性大;生態(tài)區(qū)通常為自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等,在特定時(shí)間人口密度大,空氣質(zhì)量要求高。

由以上定義,深圳寶安區(qū)焚燒廠附近區(qū)域可劃分為山區(qū)、居民區(qū)、生態(tài)區(qū)3個(gè)區(qū)域。環(huán)觀南路、樟坑徑村及焚燒廠所圍區(qū)域?yàn)樯絽^(qū);平湖生態(tài)園為生態(tài)區(qū);環(huán)觀南路、平龍路、平新路及焚燒廠所圍區(qū)域?yàn)榫用駞^(qū)。在居民區(qū)內(nèi)有輔城坳小學(xué)、平南學(xué)校、龍湖學(xué)校、啟英學(xué)校4所學(xué)校為環(huán)境敏感點(diǎn),其空氣狀況應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

在對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后開(kāi)始進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置。常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置方法有功能區(qū)布點(diǎn)法、網(wǎng)格布點(diǎn)法、同心圓布點(diǎn)法、扇形布點(diǎn)法、模擬測(cè)算布點(diǎn)法等。這些布點(diǎn)方法具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[8],如表3所示。

表3 常見(jiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置方法比較

對(duì)于本文研究的問(wèn)題,在垃圾焚燒廠周?chē)O(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的目的是從周邊環(huán)境出發(fā),監(jiān)控焚燒廠污染物在周邊區(qū)域的分布及對(duì)不同區(qū)域的影響程度。為了減少監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)工作量,保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)具有一定的區(qū)域代表性,并考慮到監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要監(jiān)測(cè)污染物對(duì)居民環(huán)境的影響,針對(duì)垃圾焚燒廠監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置,本文主要采用模擬測(cè)算布點(diǎn)法,并結(jié)合功能區(qū)布點(diǎn)法進(jìn)行修正。

2.1 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)模型的建立

模擬測(cè)算布點(diǎn)法是依據(jù)測(cè)算區(qū)域的地形地貌以及氣象條件,選擇適合的測(cè)算模型對(duì)污染物的擴(kuò)散進(jìn)行模擬,根據(jù)污染物擴(kuò)散模擬值的空間分布規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。

針對(duì)測(cè)算模型的選擇,考慮到高斯模型在保守估算大氣污染物濃度分布方面具有廣泛應(yīng)用,同時(shí)考慮到高斯模型在復(fù)雜地形條件下應(yīng)用的相關(guān)研究[13],因此采用高斯模型預(yù)測(cè)污染物濃度分布。

城市生活垃圾焚燒產(chǎn)生的污染物按狀態(tài)可分為固體、液態(tài)、氣體污染物3類(lèi)。固體污染物主要包括爐渣、飛灰,液態(tài)污染物主要包括垃圾滲濾液等污水,氣體污染物主要包括HCL、COx、SOx、NOx等常規(guī)污染物和揮發(fā)性有機(jī)物、二噁英等特殊污染物[14]。

根據(jù)新的《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》,以深圳垃圾焚燒廠為例,主要考慮的排放污染物為顆粒物、HCL、SO2、NOx、汞、鉛、二噁英7種污染物。根據(jù)其物理化學(xué)性質(zhì),可以對(duì)7種污染物進(jìn)行分類(lèi),如表4所示。

本文將粒徑大于10 μm的顆粒污染物及依附于顆粒擴(kuò)散的污染物定義為特殊污染物,需考慮重力沉降作用[15]。兩類(lèi)污染物因?yàn)榱匠叽绾臀锢砘瘜W(xué)特性不同,排放后在空氣中的擴(kuò)散過(guò)程存在差異,所以對(duì)周邊環(huán)境的污染范圍及影響程度存在差異。因此,針對(duì)不同類(lèi)別的污染物,應(yīng)采用不同的高斯模型對(duì)濃度分布進(jìn)行描述。

表4 監(jiān)控因子的分類(lèi)

2.1.1 簡(jiǎn)單地形的高斯模型 由表4可知,HCL、SO2、NOx為常規(guī)污染物,密度大于空氣小于固體顆粒物,沉降不明顯;顆粒物、汞、鉛、二噁英為特殊污染物,擴(kuò)散時(shí)富集于煙塵中,密度較大,難溶于水,沉降較明顯。同時(shí)由風(fēng)速分析結(jié)果,垃圾焚燒廠附近區(qū)域主要處于微風(fēng)(風(fēng)速≥0.5 m/s)條件。由以上分析,對(duì)常規(guī)污染物的擴(kuò)散引入微風(fēng)擴(kuò)散模型[15],對(duì)于需要考慮重力沉降作用的特殊污染物擴(kuò)散引入煙塵擴(kuò)散模式[16],即

(1)

(2)

(3)

式中:ρ1(x,y,z)、ρ2(x,y,z)分別表示(x,y,z)處常規(guī)污染物和特殊污染物的質(zhì)量濃度;Q表示污染源源強(qiáng);σy、σz表示污染物y、z方向的大氣擴(kuò)散參數(shù);H代表污染源的有效高度;u表示平均風(fēng)速;vt表示固體污染物的重力沉降速度;α是反射系數(shù);dp表示固體污染物顆粒直徑;ρp表示固體污染物顆粒密度;μ表示空氣黏度;g表示重力加速度。

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2 模型的求解

高斯模型的求解關(guān)鍵在于根據(jù)模型所應(yīng)用區(qū)域的環(huán)境條件,對(duì)模型中參數(shù)作出恰當(dāng)選擇,這樣模型求解結(jié)果才能更精確地模擬污染物實(shí)際擴(kuò)散情況。下面說(shuō)明模型中的參數(shù)選取。

2.2.1 有效源高 煙氣從煙囪排放后,由于自身動(dòng)力與熱力作用,將繼續(xù)保持上浮趨勢(shì),因此煙氣流將存在抬升高度ΔH,ΔH與煙囪幾何高度He之和為有效源高H。煙流抬升高度受到煙氣的熱力性質(zhì)、動(dòng)力性質(zhì)、氣象條件、下墊面狀況等因素影響。煙氣抬升初期主要受初始動(dòng)量和浮力的影響,而后期主要受大氣流場(chǎng)的控制。常見(jiàn)的煙氣抬升高度計(jì)算公式有霍蘭德(Holland)公式、國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)建議公式以及HJ 2.2—1993標(biāo)準(zhǔn)推薦抬升公式[11]。確定煙流抬升高度時(shí)需要先獲取煙囪直徑、煙氣熱釋放率、煙氣出口溫度、環(huán)境溫度等參數(shù)。如果因缺少某些參數(shù)而無(wú)法使用上述公式估算,可以參考文獻(xiàn)[18],根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取煙流抬升高度ΔH。

由于缺乏深圳寶安區(qū)垃圾焚燒廠煙囪相關(guān)參數(shù),考慮到其幾何高度He=80 m,可令煙流抬升高度ΔH=15 m,如表5所示。

表5 煙流抬升高度經(jīng)驗(yàn)選取方法

2.2.2 源強(qiáng) 源強(qiáng)是指污染物的排放速率。深圳寶安區(qū)焚燒廠的污染物排放濃度符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。為了確定源強(qiáng),依據(jù)焚燒爐煙氣監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)[8],可處理垃圾350 t/d的焚燒爐煙氣流量平均值為346 687.5 m3/h,假設(shè)煙氣流量與垃圾處理量成正比關(guān)系,可求出650 t/d焚燒爐的煙氣流量為643 848.2 m3/h,則該垃圾焚燒廠3臺(tái)650 t/d焚燒爐煙氣流量總量為1 931 544.6 m3/h。各污染物源強(qiáng)如表6所示。

表6 各污染物源強(qiáng)

2.2.3 風(fēng)向及風(fēng)速 風(fēng)向與風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)根據(jù)上文環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟可以獲得。為了高斯模型的求導(dǎo)方便,選擇主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)閤軸建立坐標(biāo)系。

深圳寶安區(qū)垃圾焚燒廠選址處全年多刮偏西和偏西南風(fēng),春、夏、冬3季主要風(fēng)向?yàn)槠?、偏西?秋季主要風(fēng)向?yàn)槠髂稀８咚鼓Ｐ椭衳軸方向?yàn)橹鲗?dǎo)風(fēng)方向,因此春、夏、冬3個(gè)季節(jié)以焚燒廠處西偏南30°為x軸建立坐標(biāo)系,秋季以西南方向?yàn)閤軸建立坐標(biāo)系。

2.2.4 大氣擴(kuò)散參數(shù) 大氣擴(kuò)散參數(shù)σy、σz反映了污染物在y、z方向的擴(kuò)散規(guī)律,是高斯擴(kuò)散模型最重要的參數(shù)。大氣擴(kuò)散參數(shù)的確定方法可分為實(shí)驗(yàn)法和經(jīng)驗(yàn)法。實(shí)驗(yàn)法與當(dāng)?shù)貙?shí)際氣象條件緊密結(jié)合,獲得結(jié)果較為可靠、精度較高,但耗費(fèi)較多人力、財(cái)力。擴(kuò)散參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)估算方法有帕斯奎爾(P-G)曲線法、布魯克海文擴(kuò)散參數(shù)法、國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)推薦公式、布里格斯(Briggs)公式以及HJ/T 2.2—1993標(biāo)準(zhǔn)推薦的擴(kuò)散冪函數(shù)[11]。

考慮估算方法的簡(jiǎn)便性,本文采用布里格斯公式估算大氣擴(kuò)散參數(shù)。考慮到垃圾焚燒廠通常位于城市郊區(qū)地帶,利用插值方法并結(jié)合上文得到的大氣穩(wěn)定度結(jié)果,依據(jù)布里格斯公式[11]可以確定大氣擴(kuò)散參數(shù)σy、σz的計(jì)算公式。對(duì)于寶安區(qū)垃圾焚燒廠,根據(jù)大氣穩(wěn)定度結(jié)果得到春、夏季節(jié)大氣擴(kuò)散參數(shù)的計(jì)算公式為

(8)

(9)

秋、冬季節(jié)大氣擴(kuò)散參數(shù)的計(jì)算公式為

0.16x(1+0.000 4x)-0.5]

(10)

0.14x(1+0.000 3x)-0.5]

(11)

2.2.5 沉降速度及反射系數(shù) 對(duì)于沉降速度的計(jì)算公式,首先需要確定固體污染物顆粒直徑dp,固體污染物顆粒密度ρp和空氣黏度μ。

對(duì)于寶安區(qū)垃圾焚燒廠,根據(jù)文獻(xiàn)[19]確定華南地區(qū)垃圾焚燒的飛灰粒徑分布在38.5～75 μm范圍內(nèi),本文假設(shè)焚燒爐產(chǎn)生飛灰的平均粒徑為60 μm,根據(jù)文獻(xiàn)[19]確定沉降速度為0.227 6 m/s,反射系數(shù)α為0.3。

2.2.6 地形隨動(dòng)坐標(biāo)及地形修正因素 由式(4)知,參數(shù)的確定需依據(jù)前文對(duì)焚燒廠周邊地形的定量分析結(jié)果。根據(jù)寶安區(qū)垃圾焚燒廠周邊地形的分析結(jié)果,假設(shè)焚燒廠西側(cè)丘陵相對(duì)高度zg=100 m,煙囪幾何高度He為80 m。

地形修正系數(shù)Tt的選擇方法為:若煙流與起伏地面平行,Tt=1;若煙流保持固定海拔高度,則當(dāng)H≤hT時(shí),Tt=0,當(dāng)H>hT時(shí),Tt=1-hT/H;若煙流處于上述兩種情況之間,則當(dāng)H≤hT時(shí),Tt=k,當(dāng)H>hT時(shí),Tt=1-hT/H+khT/H。其中:hT為計(jì)算點(diǎn)地面高于煙囪底的高度;k為大氣穩(wěn)定度和地形特征決定的煙流路徑系數(shù),在不穩(wěn)定時(shí)取2/3,中性時(shí)取1/2,穩(wěn)定時(shí)取1/3。

對(duì)于寶安區(qū)垃圾焚燒廠污染物在空間的擴(kuò)散,煙流處于與起伏地面平行和保持固定海拔高度之間,在求解山區(qū)表面污染物濃度分布時(shí),取hT=100 m,則H=95 m

根據(jù)式(1)、(2)、(5)、(6)4個(gè)高斯模型中的參數(shù),以SO2為常規(guī)污染物代表和二噁英為特殊污染物代表,運(yùn)用Matlab編程求解,結(jié)果如圖2所示。

圖2a、圖2b中x軸正方向表示垃圾焚燒廠選址處的東北方向,圖2c、圖2d中x軸正方向表示垃圾焚燒廠選址處的西南方向。從圖2可以知道,風(fēng)向?qū)τ谖廴疚锏臄U(kuò)散方向起主要作用,地形會(huì)對(duì)污染物濃度最大處與焚燒廠間的距離造成影響,常規(guī)污染物(如SO2)與特殊污染物(如二噁英)由于物理化學(xué)性質(zhì)不同,擴(kuò)散后的影響區(qū)域以及濃度最大點(diǎn)位置也有一定差異。

(a)式(1)模型

(b)式(2)模型

(d)式(6)模型圖2 高斯模型求解結(jié)果

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置方案

在引入高斯模型時(shí),本文在比較5種布點(diǎn)方法的基礎(chǔ)上選擇模擬測(cè)算布點(diǎn)法,同時(shí)結(jié)合功能區(qū)布點(diǎn)法進(jìn)行修正。在求解高斯模型獲得各污染物濃度最大值位置后,為了使所設(shè)立的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地反映垃圾焚燒廠排放物對(duì)周邊區(qū)域可能造成的最大影響,優(yōu)先選擇在各種污染物濃度最大地點(diǎn)附近處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

根據(jù)文獻(xiàn)[20]中的項(xiàng)目等級(jí)確定方法,深圳寶安區(qū)垃圾焚燒廠為二級(jí)項(xiàng)目,設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)應(yīng)大于等于6個(gè)。依據(jù)功能區(qū)布點(diǎn)法的原則,為了使檢測(cè)結(jié)果能提高民眾對(duì)焚燒廠環(huán)境影響檢測(cè)值的可信度,在生活區(qū)可適當(dāng)增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目。在一些環(huán)境敏感區(qū),如學(xué)校、醫(yī)院、生態(tài)保護(hù)區(qū)可以適當(dāng)設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn),而且焚燒廠上風(fēng)向處必須設(shè)置對(duì)照點(diǎn)。

綜上所述,依據(jù)高斯模型求解結(jié)果并遵照功能區(qū)布點(diǎn)法原則,最終得到寶安區(qū)垃圾焚燒廠監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置方案,如表7所示。

表7 污染物監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

針對(duì)垃圾焚燒廠大氣污染物環(huán)境影響監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置,本文提出運(yùn)用測(cè)算布點(diǎn)模型處理該類(lèi)問(wèn)題的一般方法和步驟,其流程如圖3所示。

圖3 垃圾焚燒廠等污染源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置流程

3 結(jié) 論

本文將高斯模型應(yīng)用于大氣污染物擴(kuò)散研究,模型求解簡(jiǎn)便,同時(shí)模型中采用的地形修正項(xiàng)也保證了模型在應(yīng)用于復(fù)雜地形時(shí)的精度要求。在高斯模型求解結(jié)果上運(yùn)用的測(cè)算布點(diǎn)法能避免采用常規(guī)布點(diǎn)法時(shí)的主觀因素,使監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確,并在一定程度上減少了監(jiān)測(cè)所需的人力、物力。

本文所采用的基于高斯模型的測(cè)算布點(diǎn)法適用于穩(wěn)定排放多類(lèi)大氣污染物的單一污染源附近區(qū)域大氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置。高斯模型中的地形修正項(xiàng)可在進(jìn)行山區(qū)等復(fù)雜地形大氣污染物預(yù)測(cè)時(shí)借鑒。

2014年7月1日起,我國(guó)開(kāi)始實(shí)施新的生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn),由此可見(jiàn)國(guó)家對(duì)于垃圾焚燒污染問(wèn)題的重視。

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(編輯 趙煒)

Monitoring Spots Setting for the Pollutants Emitted from Incinerators Based on Gaussian Model

LIU Hexin1, LUO Rui1, RAN Xiaopeng1, WANG Yuying2, LI Huanqin2, LI Jicheng2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. School of Mathematics and Statistics, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A monitoring spots-setting model is built to deal with the problem of dynamic monitoring for the influence of pollution on areas around its resources such as incinerators. The model combines the simulation estimation spots-setting method based on Gaussian model and the functional district spots-setting method. The meteorological condition, topographic patterns and the distribution of newly defined functional zones around the monitoring area are considered, and pollutants are classified into conventional pollutants and special pollutants according to their physical and chemical properties. A Gaussian fine breeze dispersion model and a Gaussian smoke diffusion model are introduced and are applicable for both types of pollutants in simple and intricate terrain areas. Then, the parameters in the models are determined by using statistical methods to process related factors and the model is solved to obtain the distribution of pollutants. A final dynamic monitoring spots-setting scheme is obtained by combing the functional district spots-setting method. The incinerator in Bao’an district of Shenzhen, China, is used as an example to give the procedure to use the model for setting nine monitoring spots. The research perspective, methods and procedure proposed in the paper provide a new thinking of how to locate monitoring points of pollutants such as refuse incinerators.

incinerator; pollutants; dynamic monitoring spot; Gaussian model; simulation estimation spots-setting method

2014-10-08。

劉鶴欣(1994—),男,本科生;王宇瑩(通信作者),女,講師。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11171270)。

時(shí)間:2015-03-03

10.7652/xjtuxb201505023

O29;X8

A

0253-987X(2015)05-0147-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150303.1110.003.html