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        堆場揚塵計算和防風(fēng)效率的幾個問題

        2014-10-22 07:48:10易海濤
        環(huán)境影響評價 2014年3期
        關(guān)鍵詞:塵量揚塵堆料

        易海濤

        堆場揚塵源強與風(fēng)速分布有關(guān),也與堆場防塵措施有關(guān),在JTS105-1-2011《港口建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范》中(以下簡稱《規(guī)范》)有具體規(guī)定。但這個規(guī)范還不夠細致全面,環(huán)評人員對規(guī)范的理解也不盡相同,導(dǎo)致在實際工作中對揚塵總量的確定偏差較大、在模式預(yù)測和衛(wèi)生防護距離計算中對源強值的確定不甚合理、對不同防風(fēng)抑塵措施的抑塵效率也取值不準(zhǔn)。本文結(jié)合風(fēng)速分布的統(tǒng)計規(guī)律和一些環(huán)評實例,對不同防風(fēng)措施的抑塵效率進行了比較分析,嘗試性地提出了堆場揚塵總量的計算方法,還有待進一步驗證。

        1 《規(guī)范》中源強公式的問題

        JTS105-1-2011《港口建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范》中,對堆場靜態(tài)和作業(yè)揚塵采用下面的公式計算[1]:

        式中,Q1:堆場靜態(tài)起塵量(kg) ;

        α: 貨物類型起塵調(diào)節(jié)系數(shù),取值0.6~1.6, 見《規(guī)范》中表4.3.3;

        U:風(fēng)速(m/s) ,多堆堆場表面風(fēng)速取單堆的89 % ;

        U0:混合粒徑顆粒的揚塵起動風(fēng)速(m/s);

        S:堆表面積(m2);

        U2:作業(yè)起塵量(kg);

        H : 作業(yè)落差(m) ;

        上述公式在應(yīng)用中存在如下問題:

        (1) Q1的量綱

        Q1∝α(U-U0)3,來源于國內(nèi)外大量的風(fēng)洞試驗結(jié)果[2],公式中U和U0分別反映了風(fēng)力特性和物料特性對揚塵的影響,參數(shù)α是一個包含多種因素影響的模糊系數(shù),包括堆型、物料特性、量綱平衡等,由風(fēng)洞試驗來確定, Q1的量綱應(yīng)該是“質(zhì)量/時間”,假設(shè)S=1 m2,(U-U0)3=1,α=1,那么Q1=0.5 kg/s·m2, 或者0.5 kg/s·m2,與實際情況相較,數(shù)值過大。在實際工作中,有人視 Q1原式的單位為(mg/s),然后將計算結(jié)果×10-6,相差了10-6倍;也有人取為 (kg/h),再除以8 760。公式量綱有誤會導(dǎo)致使用者有不同的理解和修正,使得計算的源強沒有可比性,這需要發(fā)布單位有一個糾錯說明。本文在計算中取式(1.1)的量綱為(g/h)。

        (2)參數(shù)V2的取值

        《規(guī)范》中V2為作業(yè)起塵量達到最大起塵量50 % 時的風(fēng)速(m/s)。按式(1.3),當(dāng) 時,起塵量最大,當(dāng)(V2-U)=0時,起塵量為最大起塵量的50 %, 故V2有無窮解,即可以隨意取值,直接影響Q2的計算結(jié)果。本文取V2=16。

        (3)風(fēng)速U的取值

        由式 (1.2)可知,堆料最小起塵風(fēng)速U0為3.2 m/s。對一些粒徑非常細小、比重很輕的物料,需要通過風(fēng)洞試驗來確定U0值。因為揚塵是啟動于風(fēng)的陣性,陣性一般維持約2 min,所以這里使用2 min平均風(fēng)速更好,約等于實際風(fēng)蝕潛勢時間的半衰期。

        另外,公式中的S雖為堆料表面積,但實際工作中,都只考慮堆的頂面面積,故此,實際計算時,風(fēng)速也就應(yīng)該取堆頂面高處的風(fēng)速,和U0的高度是一致的。因此當(dāng)堆料高度過低(低于5 m)或者過高(15 m)時, 就應(yīng)該考慮風(fēng)速隨高度的變化了。在近地層,這個變化服從對數(shù)率:

        因此,揚塵高度Z處的風(fēng)速與10 m高處的風(fēng)速關(guān)系為:

        式中:Z0為地面粗糙度(m),Z0越小,風(fēng)速隨高度增加越慢。

        如要考慮側(cè)面揚塵,就必須將堆面分區(qū),這會使得源強計算變得非常復(fù)雜[3,4]。

        (4)大氣評價等級的確定

        確定大氣評價等級時,《規(guī)范》規(guī)定 “排放量和風(fēng)速相關(guān)的污染物宜按多年平均風(fēng)速計算污染源強”,這個規(guī)定大有問題,因為一般煤炭和礦粉堆場的揚塵啟動風(fēng)速都在4 m/s以上,在絕大多數(shù)地區(qū)的平均風(fēng)速情況下,這時是計算不出來揚塵的。

        2 小時源強確定和總排放量問題

        (1) 堆場靜態(tài)揚塵的源強

        本文設(shè)定Q1的單位為(g/h),于是模式計算中小時揚塵量應(yīng)為:

        全年揚塵總量可表示為:

        式中,N為風(fēng)速分組數(shù);

        (2) 堆場裝卸揚塵的源強

        式(1.3)中潛在假定作業(yè)的最大揚塵量是作業(yè)量的1/1 000,然后對其進行落差H、物料含水率w0和風(fēng)速U影響的修正,這也是一個經(jīng)驗公式,量綱應(yīng)由參數(shù)α、β來修正,于是小時揚塵總量為:

        全年揚塵總量為:

        假定作業(yè)時間的風(fēng)速樣本分布與全年風(fēng)速樣本分布相似, 那么可以有:

        式中,y為小時平均作業(yè)量(t);

        T為全年作業(yè)時數(shù), Y=y×T。源強與風(fēng)速有關(guān),但并不是每個小時都作業(yè)且時間點是可變的,故預(yù)測模式中不能每個小時都有源強,這樣會高估日均和年均濃度。建議模式計算中小時源強按下式確定:

        亦即先計算每一個小時的源強,然后隨機保留T小時,其余小時不論風(fēng)速大小源強直接為零。

        (3) 確定評價等級

        評價等級計算中的源強是指小時源強,定時排放時,它可以來源于年總排放量的小時均值,由于堆場揚塵與風(fēng)速有關(guān),所以小時源強是變化的,這時候采用98 %保證率下風(fēng)速(表1示例)的源強來確定評價等級是比較合理的,這相當(dāng)于每年有175 h、每月有0.6 d是處在大風(fēng)之下的。由于碼頭堆場面積都很大,用估算模式計算時,通常Pmax>80 %,D10<5 km,所以一般都會落在二級評價等級之內(nèi)。

        (4) 計算衛(wèi)生防護距離

        同樣,衛(wèi)生防護距離的計算中,源強取值也應(yīng)當(dāng)為98 %保證率下風(fēng)速的源強, 然后依據(jù)《制定地方大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》(GB/T 3840-91)來計算。

        3 堆場防塵措施的效率問題

        (1) 風(fēng)速分布的數(shù)學(xué)描述

        風(fēng)速概率分布可以依據(jù)大量原始風(fēng)速觀測的統(tǒng)計得出,研究表明,其分布概率可以用數(shù)學(xué)函數(shù)韋伯分布來很好地描述[5],相關(guān)系數(shù)在0.95以上。

        風(fēng)速的概率密度函數(shù)可以用下式描述:

        那么累積概率密度函數(shù)為:

        各風(fēng)速段概率為:

        基于以上分析,受到影響的箱源規(guī)??赡苓_到300萬TEU,初步判斷,占2017年我國沿海港口美國航線吞吐量比重約13%,占國際航線吞吐總量的3%。但考慮到中方的反制手段,以及貿(mào)易沖突加劇的可能性,影響還有可能繼續(xù)擴大。從具體港口情況看,美國航線主要集中在深圳、上海、寧波舟山、青島、廈門等五港。結(jié)合各港目前航線結(jié)構(gòu),初步評估各港可能的受沖擊程度。

        注意如果對式(3.4)采用數(shù)值求和代替積分,須Δu≤0.01,才能確保在高風(fēng)速段得到合理的結(jié)果。

        式中c為尺度參數(shù), 以速度為量綱,k 為形狀參數(shù),無因次量。用統(tǒng)計回歸可以求得參數(shù)c,k 。近似地[6],有:

        這里 為觀測期Tm時間長度(總小時數(shù))內(nèi)的平均風(fēng)速,Vmax為T時期內(nèi)的最大風(fēng)速。

        根據(jù)上面的公式,表1給出四地風(fēng)速分布情況。

        (2) 灑水和防風(fēng)措施的抑塵效率分析

        堆場采取的最常見最有效的防塵措施是灑水,而圍護方式則有防風(fēng)網(wǎng)、封閉條倉/半封閉條倉和筒倉等。各種抑塵措施的效率只能通過實測或風(fēng)洞試驗的測試來綜合判定,實測表明[7],一般取防風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)速減低效果為1/3強,封閉和半封閉(頂部開條形口)條倉內(nèi)風(fēng)速平均降低約50 %[8],然后再取堆間風(fēng)速影響系數(shù)0.89,這樣累計下來,平均抑塵效率是多少呢?

        a.堆場靜態(tài)揚塵、含水率從3.2 %增加到7 %的抑塵效率應(yīng)該是:

        b.堆場靜態(tài)揚塵、含水率從3.2 %增加到7 %且風(fēng)速減低的抑塵效率是:

        c.對于裝卸揚塵、當(dāng)含水率從3.2 %增加到7 %時,其抑塵效率是:

        d.對于裝卸揚塵、當(dāng)含水率從3.2 %增加到7 %時且風(fēng)速減低的抑塵效率是:

        式(3.7)和式(3.9)中,對于多堆堆場,η=0.89;對于多堆且采用防風(fēng)抑塵網(wǎng)的堆場η=0.89×2/3;對于多堆且采用半封閉料倉的堆場η=0.89×0.5。

        (3) 各項抑塵措施的效率比較

        依據(jù)上述式(3.1)到式(3.9),計算了沿海六個地點堆場灑水、防風(fēng)措施的效率,見表2。

        從表2 中不難看出:

        a.由于堆場灑水和多堆堆間風(fēng)速的降低,靜態(tài)揚塵抑塵效率平均達到了60 %以上,裝卸揚塵的抑塵效率平均達到了80 %以上。而灑水是很有保證的措施。

        表1 用韋伯分布計算的風(fēng)速概率分布

        b.國內(nèi)碼頭環(huán)評時多取防風(fēng)網(wǎng)使下風(fēng)向風(fēng)速降低1/3[9],這時候防風(fēng)網(wǎng)聯(lián)同灑水一起的抑塵效率,對于靜態(tài)揚塵來說達到了95 %以上,對于裝卸揚塵來說,達到了85 %以上。

        c.進一步,改防風(fēng)網(wǎng)為半封閉/封閉料倉(通風(fēng)、消防問題由設(shè)計解決,這里不討論),倉內(nèi)風(fēng)速降低到環(huán)境風(fēng)速的50 %,這時候同灑水一起的抑塵效率,對于靜態(tài)揚塵來說達到了99 %以上,對于裝卸揚塵來說,達到了90 %以上。相比防風(fēng)網(wǎng),抑塵效率分別提高了5 %左右。

        d.通過前面對源強計算公式和各種抑塵措施效率的分析, 已經(jīng)可以對堆場靜態(tài)和裝卸揚塵的年排放量進行粗略估計了,見表3。

        表2 堆場灑水、防風(fēng)措施的抑塵效率比較

        表3 堆場揚塵量的簡單估算例子

        4 采用防風(fēng)抑塵網(wǎng)還是封閉料倉問題

        從表2 的比較來看,堆場抑塵措施由防風(fēng)網(wǎng)改為封閉料倉,抑塵效率可提高5 %左右,將靜態(tài)揚塵量減少約4/5,將裝卸揚塵量減少約1/3。由于各地風(fēng)速特性不一,上述揚塵減少的絕對量可以相差很大,對于低風(fēng)速地區(qū),可能不足10 t/a。而對于一個吞吐量20 M t/a以上的堆場來說,由防風(fēng)網(wǎng)改為封閉料倉的投資需增加2億~3億元,于是自然會問,有必要嗎?這個問題很難肯定地回答。

        (1) 堆場靜態(tài)揚塵量與 成正比,若計算的多年平均揚塵量減少不足10 t/a,則可以考慮不設(shè)置封閉料倉而僅設(shè)置防風(fēng)抑塵網(wǎng),所在地高風(fēng)速的比例越大,堆場由防風(fēng)網(wǎng)改為封閉料倉的意義就越大,這需要對k的值有比較準(zhǔn)確的估計,建議至少應(yīng)取30年統(tǒng)計的平均風(fēng)速和最大風(fēng)速采用式(3.6)、式(3.4)和式(3.5)去估算。

        不同地域風(fēng)速資料的k1值可以在0.5~100之間,相差達2個數(shù)量級,大部分地區(qū)在20~40之間,取 k1≈30;而k2的值在不同地域的變化要小得多,在0.03~0.08之間,取k2≈0.05;取堆料中的TSP含量為P,灑水防風(fēng)措施的抑塵總效率為F,那么,對于一個面積為S、年裝卸量為Y萬噸的堆場,其靜態(tài)起塵量可以粗略估計為:

        裝卸作業(yè)起塵總量可以粗略估計為:

        簡單估算的例子見表3。

        (2)堆場的前述各項防塵措施只有在理想的情況下才能達到應(yīng)有的抑塵效率。實際工作中未必能夠完全做到。如:

        a.始終保持規(guī)定的含水率;

        b.網(wǎng)高1.5倍時對下風(fēng)向15倍距離內(nèi)的堆場抑塵效率達到70 %也有疑問;

        c.《規(guī)范》中對于多堆堆場,風(fēng)速取原值的89 %,這是一個很大的削減,可使計算的揚塵量減少30 %以上。實際上因為計算揚塵時只考慮了堆頂面的揚塵,而沒有考慮側(cè)面的揚塵,如果各堆高度一樣,這種風(fēng)速削減的估計可能偏大了;

        d.始終保持裝卸的落差在1 m以內(nèi);

        e.揚塵計算公式難以考慮堆料側(cè)面的揚塵,也沒有考慮堆料擾動頻率對揚塵的影響。堆面越新,越易產(chǎn)生揚塵;

        f.揚塵計算公式也難以考慮持續(xù)揚塵需要的風(fēng)速大小。揚塵啟動風(fēng)速是堆料從靜止到揚起的推動風(fēng)速,它需要克服堆料顆粒之間的靜摩擦力,一旦堆料開始揚塵,能夠繼續(xù)揚塵的風(fēng)速會比啟動風(fēng)速低得多。目前還沒有什么公式能描述這一變化過程,也沒有多少風(fēng)洞試驗去模擬。

        g.其他環(huán)境管理上的問題。

        綜合上述考慮,當(dāng)采用封閉堆場(或者半封閉,頂部開條形窄口)時,上述因素對揚塵的影響就很小了,它可以保證在任何情況下,堆場倉內(nèi)揚塵都能得到有效控制,從這個意義上講,大多數(shù)地區(qū)都應(yīng)該采用封閉堆場。

        [1]中華人民共和國交通運輸部.JTS105-1-2011 港口建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范[S].人民交通出版社, 2011: 8-9.

        [2]顧兆林.風(fēng)揚粉塵[M].北京:科學(xué)出版社, 2007: 19-69.

        [3]V.S.EPA.Industrial Wind Erosion[K].Compliation of Air Pollution Emission Factors, 2008.

        [4]劉玉峰, 叢曉春, 張旭.露天堆場揚塵量分布的計算[J].環(huán)境污染與防治, 2006, 28(2): 146-148.

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        [6]易海濤.氣象資料在環(huán)境影響評價中的意義和作用[J].環(huán)境工程, 2011,29(6): 115-119.

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        [8]錦州港專業(yè)化煤炭碼頭工程(變更)環(huán)境影響報告書[R].2013.

        [9]鎮(zhèn)江港高資港區(qū)華電句容煤炭儲運碼頭環(huán)境影響報告書[R].2014.

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