曹文潔

(水利部新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院環(huán)境影響評(píng)價(jià)所，新疆烏魯木齊 830000)

1 引言

露天煤礦粉塵量估算難點(diǎn)在于源強(qiáng)種類多，面積大，分布廣，且為無(wú)組織排放，源強(qiáng)位置及排放量均不好控制和預(yù)測(cè)［1］。本文煤礦由A、B、C、D、E 五個(gè)煤礦組成，地處荒漠區(qū)，常年干旱少雨，自然條件惡劣，且礦區(qū)為露天開(kāi)采，揚(yáng)塵情況較嚴(yán)重。

2 源強(qiáng)估算

本次模擬污染源的原始數(shù)據(jù)由企業(yè)調(diào)查提供，如“環(huán)境監(jiān)測(cè)站的檢驗(yàn)報(bào)告”、“企業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)治理工作報(bào)告”以及礦區(qū)規(guī)劃、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等。以這些為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究相關(guān)文獻(xiàn)，選擇合適的方法推算礦區(qū)各個(gè)流程的粉塵源強(qiáng)，為下一步的濃度模擬提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

露天煤礦粉塵污染源主要來(lái)自:礦坑采煤產(chǎn)塵、礦坑爆破產(chǎn)塵、煤炭運(yùn)輸?shù)缆樊a(chǎn)塵、排土場(chǎng)堆煤場(chǎng)產(chǎn)產(chǎn)塵。

2.1 礦坑采煤產(chǎn)塵源強(qiáng)估算

在模擬無(wú)組織的污染源排放量時(shí)，目前，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者均利用高斯反推模型。

(1)箱模型原理:箱模型是以質(zhì)量輸入/輸出這樣的模式上建立起來(lái)的，它主要受到了動(dòng)力和熱力因子的影響，時(shí)常被用于閉合的地形條件下和預(yù)測(cè)城市下墊面大氣污染物的濃度變化情況［2］。箱模型還充分得想到了干沉積、濕沉積、還有化學(xué)轉(zhuǎn)化等作用對(duì)污染物的濃度所產(chǎn)生的影響［3］。這類計(jì)算對(duì)無(wú)組織污染面源中的長(zhǎng)期污染物，對(duì)大氣中濃度值的貢獻(xiàn)率，具有一定的好處。其機(jī)理如下:

式中字母意義是，Q去除為子箱體中因?yàn)榛瘜W(xué)或物理作用，去除的污染物總質(zhì)量。Q出為流出子箱體的污染物總質(zhì)量，Q進(jìn)為流入子箱體內(nèi)的污染物總質(zhì)量［3］。

(2)本應(yīng)用中箱模型實(shí)現(xiàn)的形式:利用箱模型模擬露天煤礦礦坑的無(wú)組織大氣污染源。本次模擬一共建立了兩個(gè)子箱體，箱體1 號(hào)應(yīng)包含煤礦礦坑本身，即無(wú)組織污染源，2 號(hào)箱體位于1 號(hào)箱體的下風(fēng)向處，其作用是承接1 號(hào)箱體隨風(fēng)傳遞的污染物。

平衡方程，如式(2)和(3)。

箱體1 號(hào):

式中字母意義:C1為為箱體1 號(hào)中的粉塵含量平均濃度(mg/m3)，用監(jiān)測(cè)濃度值表示;C2為箱體2 號(hào)中的粉塵含量平均濃度(mg/m3)，用監(jiān)測(cè)濃度值表示;Ei—為箱體i 號(hào)豎直方向的擴(kuò)撒參數(shù)(m2/s)，σZ豎直擴(kuò)散參數(shù)，計(jì)算方法依照《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》(HJ/T2.2－93)附錄B;為箱體i 號(hào)橫風(fēng)方向的擴(kuò)撒參數(shù)(m2/s)橫向擴(kuò)散參數(shù)計(jì)算方法依照《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》(HJ/T2.2－93)附錄B;h 為箱體的高度(m);W 為為箱體的寬度(m)，應(yīng)該包括礦坑的無(wú)組織排放源，由于無(wú)組織排放源的寬度不等同于礦坑的寬度，所以可用其初始化橫向擴(kuò)撒參數(shù)，是W=σ0=LY/4，Ly為無(wú)組織源在Y 方向的長(zhǎng)度;Vg為干沉積速度(m/s)，用Stocks 沉降公式進(jìn)行計(jì)算，即其中:g 取9.81m/s2;μ 是空氣的黏度(取0.18228 ×10－5Pa* s)，ρ 是空氣的密度(取1.206kg/m3)，dp是含重金屬顆粒的平均粒徑(m)，ρp是顆粒物的真密度(kg/m3)。U 為平均風(fēng)速(m/s);Li為i 號(hào)箱體的長(zhǎng)度(m);Q 為箱體1號(hào)中粉塵的排放源強(qiáng)(mg/s):

反推(2)、(3)式得出如下公式:

利用上述兩式將其代入實(shí)際監(jiān)測(cè)值C2以及計(jì)算、測(cè)量出的數(shù)據(jù)中后，即可推算出無(wú)組織粉塵源的排放源強(qiáng)Q。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到如表1 的源強(qiáng)位置及排放量。

表1 面源輸入文件的相關(guān)參數(shù)

2.2 礦坑爆破產(chǎn)塵源強(qiáng)估算

在露天礦采煤時(shí)，利用爆破使煤層松動(dòng)出露，回使地表土層釋放出大量的煤炭粉塵和灰塵。爆破粉塵的污染源可歸為空間源，這是由于在沖擊運(yùn)動(dòng)下，粉塵在爆破的一瞬間會(huì)被拋向到大氣環(huán)境中。在露天采場(chǎng)中，煤炭爆堆面積不過(guò)幾百平方米，然而采場(chǎng)真正的范圍為幾平方公里到幾十平方公里，所以，這類爆破粉塵的污染源可作為瞬間點(diǎn)源。在煤礦安全指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)中，監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一就是爆破粉塵的排放強(qiáng)度，如果爆破產(chǎn)生的粉塵量越大則對(duì)周邊環(huán)境的危害性越大。

消耗單位重量的炸藥排放強(qiáng)度放量如下［4］:

通過(guò)以上分析可以看出，應(yīng)變法實(shí)測(cè)是等效于加載點(diǎn)的載荷，包括實(shí)際飛行中作用于起落架上的外載荷和起落架系統(tǒng)本身的慣性載荷，即作用于起落架加載點(diǎn)的結(jié)構(gòu)載荷。

式中:A—一次爆破炸藥用量，t;

B—爆破粉塵排放強(qiáng)度，kg/t。

在露天礦內(nèi)，一次爆破用炸藥量一般都是幾噸到幾十噸，這樣反推排放強(qiáng)度是B=54.2kg/t，如炸藥量是10t 的時(shí)候，粉塵的排放量是542kg，當(dāng)炸藥量是50t時(shí)，粉塵的排放量是2710kg，由此可以看出，爆破粉塵可導(dǎo)致露天煤礦采場(chǎng)自身及周邊的空氣含塵量嚴(yán)重超標(biāo)，造成采場(chǎng)周邊的大氣質(zhì)量下降。

通過(guò)對(duì)各煤礦炸藥使用情況的調(diào)查及公式計(jì)算，得到爆破時(shí)瞬時(shí)面源的源強(qiáng)情況如下表2，其中因?yàn)槎久旱V不進(jìn)行爆破作業(yè)，所以1月各煤礦的瞬時(shí)源強(qiáng)不計(jì)。

表2 瞬時(shí)面源輸入文件的相關(guān)參數(shù)

2.3 煤炭運(yùn)輸?shù)缆樊a(chǎn)塵

煤炭在運(yùn)輸過(guò)程中，道路上往往積有較厚的粉塵，運(yùn)輸汽車往往重達(dá)40～50t 甚至更多，在運(yùn)輸汽車行駛的過(guò)程中會(huì)帶起大量揚(yáng)塵，所以道路運(yùn)輸產(chǎn)塵也是露天煤礦塵源的一個(gè)重要方面。

汽車在有散狀物料的道路上行駛，揚(yáng)塵量估算采用上海港環(huán)境保護(hù)中心和武漢水運(yùn)工程學(xué)院提出的經(jīng)驗(yàn)公式［5］:

式中:Q 為汽車行駛的起塵量(kg/輛);V 為汽車行駛速度(km/h);M 為汽車載重量(t);P 為道路表面物料量(kg/m2);L 為道路長(zhǎng)度(km)。

通過(guò)對(duì)各煤礦及其之間的道路位置、長(zhǎng)度、寬度及道路表面物料量的調(diào)查和分析得下表3，由此得到汽車行駛過(guò)程中線面源的源強(qiáng)情況。

2.4 煤堆、排土場(chǎng)產(chǎn)塵

式中:P 為煤場(chǎng)年累計(jì)堆煤量，t/a;W 為粉塵表面含水率，%;U0為粉塵的啟動(dòng)風(fēng)速，m/s，取3.0m/s;U 為煤場(chǎng)平均風(fēng)速，m/s;K 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，是煤含水量的函數(shù)，取K=0.96;Qp為煤堆起塵量，kg/a。

表3 線面源輸入文件的相關(guān)參數(shù)

計(jì)算排土場(chǎng)的起塵量采用日本三菱重工業(yè)公司的長(zhǎng)崎研究所得出的計(jì)算公式［5］:

式中:β 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，8.0 ×10－3;Ap為煤場(chǎng)的面積，m2;U 為煤場(chǎng)平均風(fēng)速，取鶴山市平均風(fēng)速2.1m/s;Qp為起塵量，mg/s;w 為煤的含水率，取6%。

通過(guò)對(duì)各煤礦的排土場(chǎng)、堆煤場(chǎng)的測(cè)量計(jì)算得到粉塵源強(qiáng)體源的大小如下表4。

3 模擬方案

濃度模擬使用大氣模型軟件CALPUFF，以礦區(qū)為中心，模擬范圍40km ×40km，網(wǎng)格格距0.5km，格點(diǎn)數(shù)為80 ×80。

考慮到礦區(qū)一年四季的開(kāi)采強(qiáng)度不同，故在春、夏、秋、冬、四季各選一個(gè)代表月模擬礦區(qū)的粉塵擴(kuò)散情況，并且多取上月一天時(shí)間的計(jì)算結(jié)果作為預(yù)處理場(chǎng)，對(duì)當(dāng)月30 天時(shí)間選取逐日逐時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行粉塵擴(kuò)散的時(shí)間序列分析。濃度模擬時(shí)間選擇如表5。

表4 體源輸入文件相關(guān)參數(shù)

4 成果分析

對(duì)模型模擬的PM10濃度值和監(jiān)測(cè)值的對(duì)比，能更好的證明源強(qiáng)估算方法的準(zhǔn)確性。礦區(qū)中，總共有5 個(gè)環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)中心:①D 辦公樓前(辦公區(qū));②D 電廠(生產(chǎn)區(qū));③C 采坑(生產(chǎn)區(qū));④A 篩分場(chǎng)(生產(chǎn)區(qū));⑤E 礦業(yè)辦公區(qū)(辦公區(qū))。

表5 濃度模擬時(shí)間

表6 模擬與監(jiān)測(cè)相關(guān)統(tǒng)計(jì)變量

通過(guò)觀察圖1 至圖5 及表6 發(fā)現(xiàn):

(1)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)模擬值和監(jiān)測(cè)值對(duì)比，兩者的趨勢(shì)性很好，二者濃度變化大致相同。

(2)在夏天，模擬值超出監(jiān)測(cè)值0.4～1.2 倍;在冬天，監(jiān)測(cè)值大概為模擬值的0.7～1.1 倍。出現(xiàn)這種關(guān)系是因?yàn)?，在本文中，是使用了全年平均法?lái)處理排放源的速率的。

(3)監(jiān)測(cè)和模擬值的相似系數(shù)在0.82 左右，礦區(qū)平均濃度的最高相似性系數(shù)值為0.88。

(4)綜上所述，所選源強(qiáng)計(jì)算公式能較好的模擬礦區(qū)粉塵在氣象及地形條件作用下，在礦區(qū)地面的濃度分布情況。

圖1 D 辦公樓前PM10監(jiān)測(cè)值和模擬值對(duì)比

圖2 D 電廠PM10監(jiān)測(cè)值和模擬值對(duì)比

圖3 A 篩分場(chǎng)PM10監(jiān)測(cè)值和模擬值對(duì)比

圖4 E 礦業(yè)辦公區(qū)PM10監(jiān)測(cè)值和模擬值對(duì)比

圖5 C 采坑PM10監(jiān)測(cè)值和模擬值對(duì)比

［1］高峰．草原區(qū)露天煤礦大氣環(huán)境影響后評(píng)以神華勝利一號(hào)露天礦為例［D］．內(nèi)蒙古大學(xué)，2011:33－52．

［2］吳麗芳．北京市大氣PM10及SO2 環(huán)境容量與達(dá)標(biāo)消減規(guī)劃研究［D］．北京工業(yè)大學(xué)，2006:21－23．

［3］吳轉(zhuǎn)璋．合肥市大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)模式研究［D］．合肥工業(yè)大學(xué)，2007:22－31．

［4］張興凱，李懷宇．露天礦爆破粉塵排放量的計(jì)算分析［J］．金屬礦山，1996(3):20－25．

［5］王棟成，林國(guó)棟，徐宗波．大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)實(shí)用技術(shù)［M］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010(5):24－39．