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)測及布點

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)計學(xué)院,710049,西安)

針對垃圾焚燒廠之類的污染源所排放污染物對周邊不同區(qū)域影響的動態(tài)監(jiān)測問題,將基于高斯模型的模擬測算布點法與功能區(qū)布點法相結(jié)合,建立了監(jiān)測布點模型。首先綜合考慮監(jiān)測區(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,從而引入簡單地形和復(fù)雜地形下分別適用于兩類污染物的微風(fēng)擴散模式和煙塵擴散模式的高斯模型;然后采用統(tǒng)計的方法對這些因素進行處理,確定了模型中相應(yīng)的參數(shù),計算分析得出污染物濃度分布;最后與功能區(qū)布點法相結(jié)合,得到最終的動態(tài)監(jiān)測布點方案。以深圳市寶安區(qū)擬建的垃圾焚燒廠為例,詳細闡釋了整個研究方法和步驟,并給出該垃圾焚燒廠周圍環(huán)境設(shè)立9個分區(qū)監(jiān)測點的方案。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)測點設(shè)置問題提供了新思路。

垃圾焚燒廠;污染物;動態(tài)監(jiān)控點;高斯模型;模擬測算布點法

近年來,隨著“垃圾圍城”問題的日益嚴重,針對垃圾處理的焚燒發(fā)電法在全國各地逐步興起。如何更好地規(guī)范垃圾焚燒廠排污運營行為,增強居民對生活環(huán)境安全的信心,是國家亟待解決的重要問題。顯然,在焚燒廠內(nèi)設(shè)置監(jiān)測點的傳統(tǒng)監(jiān)測方法已不能適應(yīng)相應(yīng)需求。該方法所搜集的監(jiān)測數(shù)據(jù)不能全面客觀地反映焚燒污染物對周邊環(huán)境的影響,這樣的數(shù)據(jù)作為監(jiān)管部門評價焚燒廠運營行為的依據(jù)不夠充分合理。合理設(shè)置動態(tài)監(jiān)控點不僅能為監(jiān)管部門提供更為全面客觀的數(shù)據(jù)依據(jù),而且這些監(jiān)測數(shù)據(jù)能更及時地傳遞給居民,強化居民對其生活環(huán)境安全的信心,并且也可作為政府對居民進行環(huán)境風(fēng)險經(jīng)濟補償?shù)囊罁?jù)。

2014年7月1日起,我國開始實施新的《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》[1],新標(biāo)準(zhǔn)對煙氣中污染物濃度限值有了更嚴格的規(guī)定,但污染物的監(jiān)測仍采取傳統(tǒng)的檢測煙氣成分方式。我國環(huán)境保護部出臺的《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則——大氣環(huán)境》[2]指出監(jiān)測點設(shè)置數(shù)目及位置所應(yīng)考慮的基本因素,同時也針對各級評價項目提出了布點基本原則。賴劍文提出如何在四種常規(guī)監(jiān)測點布置法基礎(chǔ)上運用物元分析等方法對監(jiān)測點位優(yōu)化[3];余紅提出運用綜合分析法優(yōu)化大氣環(huán)境監(jiān)測布點[4];Enrique等研究了單個監(jiān)測點的優(yōu)化設(shè)置[5]。以上文獻側(cè)重討論大氣環(huán)境監(jiān)測點的優(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SOx及NOx的監(jiān)測點優(yōu)化設(shè)置[6];李軍針對四川省某氣田區(qū)破碎地形的監(jiān)測點設(shè)置進行了研究[7]。羅華君等應(yīng)用空氣質(zhì)量預(yù)測模型對昆明空港經(jīng)濟區(qū)多污染源監(jiān)測點設(shè)置進行了研究[8]。以上文獻往往是根據(jù)已有監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù),進一步優(yōu)化監(jiān)測點的設(shè)置來監(jiān)測空氣質(zhì)量狀況,而對于垃圾焚燒廠之類的已知其排放污染物數(shù)據(jù)的污染源,如何監(jiān)測這些污染物對周邊不同區(qū)域的影響強弱這一問題研究較少。

本文在已有文獻研究的基礎(chǔ)上,提出了如何從周邊環(huán)境出發(fā),建立測算布點模型,從而解決垃圾焚燒廠污染物環(huán)境影響監(jiān)測問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算布點模型,再結(jié)合功能區(qū)布點法,從而得出了該焚燒廠附近監(jiān)測點設(shè)置方案。

1 監(jiān)測區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)處理

監(jiān)測區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)處理是建立測算布點模型進行監(jiān)測點設(shè)置所必須的準(zhǔn)備工作。監(jiān)測區(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個方面。預(yù)處理的過程是采用統(tǒng)計學(xué)方法定量描述監(jiān)測區(qū)域環(huán)境狀況。

1.1 氣象條件

常見的氣象條件包括了風(fēng)、溫度、降水、大氣穩(wěn)定度、湍流等,在氣象條件分析時應(yīng)依據(jù)監(jiān)測區(qū)域常年統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析判斷,從而建立準(zhǔn)確合適的模擬測算模型。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)為例對其氣象條件進行如下分析。

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散和稀釋的最主要因素。風(fēng)向決定著污染物的主要擴散方向。風(fēng)速決定著污染物稀釋的速度,風(fēng)速越大,污染物在單位時間內(nèi)就可以進入較大的空氣體積里,因而污染濃度就小,風(fēng)速較小時,污染物的擴散稀釋受阻,將會導(dǎo)致污染物富集而產(chǎn)生嚴重危害。

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)計算平均風(fēng)速并統(tǒng)計靜風(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

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)一段時間后,從污染源排放出的污染物是向上和向四周緩緩擴散的,污染物在水平面上的擴散已無明顯的方向性。從表1中可知,焚燒廠選址處靜風(fēng)頻率較低,因此污染物擴散受到風(fēng)向的影響較為明顯。

圖1中每一個方位(如西南)后面括號中的數(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)境影響評價導(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)滿足主導(dǎo)風(fēng)向角風(fēng)向頻率之和≥30%時,可認為其主導(dǎo)風(fēng)向具有明顯優(yōu)勢;在沒有主導(dǎo)風(fēng)向的地區(qū),應(yīng)考慮污染源對全方位的環(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)向為偏西風(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空氣在垂直方向上的相對穩(wěn)定程度,即受擾動后的某一氣塊返回或遠離其原來平衡位置趨勢和程度的度量,也是影響大氣湍流、煙塵在大氣中擴散能力的重要因素。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)我國國家標(biāo)準(zhǔn)中所采用的大氣穩(wěn)定度帕斯奎爾分類方法[11],可將大氣穩(wěn)定度分為A、B、C、D、E、F 6類,分別表示強不穩(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)的觀測時間及日期,根據(jù)文獻[11]中的公式計算單日太陽高度角,統(tǒng)計平均得到各個季節(jié)太陽高度角;然后參考文獻[12],確定深圳市的總云量約為7.26;最后根據(jù)文獻[11],由云量與太陽高度角查出太陽輻射等級數(shù),進一步由太陽輻射等級數(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散稀釋,逆溫現(xiàn)象則限制了污染物在垂直方向的擴散稀釋。當(dāng)靜風(fēng)或逆溫狀況明顯時需要對其進行詳細分析。以深圳市寶安區(qū)為例,依據(jù)常年氣象統(tǒng)計資料得到該區(qū)域靜風(fēng)頻率偏低(見表1),且無逆溫現(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

地形會顯著影響空氣污染物的擴散過程。由環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則,距污染源中心點5 km內(nèi)的地形高度(不含建筑物)低于煙囪高度時,定義為簡單地形,在此范圍內(nèi)地形高度不超過排氣筒基底高度時,可認為地形高度為0;距污染源中心點5 km內(nèi)的地形高度(不含建筑物)等于或超過煙囪高度時,定義為復(fù)雜地形。我國地勢西高東低,呈階梯狀下降,山地、丘陵和高原約占總國土面積的2/3,因此在分析我國垃圾焚燒廠污染物環(huán)境影響時,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)比較開闊,屬于簡單地形區(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的區(qū)域,包括山區(qū)、居民區(qū)和生態(tài)區(qū)3類。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)域起伏地形對污染物擴散有顯著影響;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)通常為自然保護區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等,在特定時間人口密度大,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個區(qū)域。環(huán)觀南路、樟坑徑村及焚燒廠所圍區(qū)域為山區(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)域為居民區(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,其空氣狀況應(yīng)重點監(jiān)測。

2 監(jiān)測點的設(shè)置

在對監(jiān)測區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后開始進行監(jiān)測點的設(shè)置。常見的監(jiān)測點設(shè)置方法有功能區(qū)布點法、網(wǎng)格布點法、同心圓布點法、扇形布點法、模擬測算布點法等。這些布點方法具有各自的優(yōu)缺點[8],如表3所示。

表3 常見監(jiān)測點設(shè)置方法比較

對于本文研究的問題,在垃圾焚燒廠周圍設(shè)置監(jiān)測點的目的是從周邊環(huán)境出發(fā),監(jiān)控焚燒廠污染物在周邊區(qū)域的分布及對不同區(qū)域的影響程度。為了減少監(jiān)測點設(shè)置時的現(xiàn)場工作量,保證監(jiān)測點數(shù)據(jù)具有一定的區(qū)域代表性,并考慮到監(jiān)測點主要監(jiān)測污染物對居民環(huán)境的影響,針對垃圾焚燒廠監(jiān)測點的設(shè)置,本文主要采用模擬測算布點法,并結(jié)合功能區(qū)布點法進行修正。

2.1 監(jiān)測布點模型的建立

模擬測算布點法是依據(jù)測算區(qū)域的地形地貌以及氣象條件,選擇適合的測算模型對污染物的擴散進行模擬,根據(jù)污染物擴散模擬值的空間分布規(guī)律進行監(jiān)測點布置。

針對測算模型的選擇,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。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7種污染物進行分類,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]。兩類污染物因為粒徑尺寸和物理化學(xué)特性不同,排放后在空氣中的擴散過程存在差異,所以對周邊環(huán)境的污染范圍及影響程度存在差異。因此,針對不同類別的污染物,應(yīng)采用不同的高斯模型對濃度分布進行描述。

表4 監(jiān)控因子的分類

2.1.1 簡單地形的高斯模型 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,擴散時富集于煙塵中,密度較大,難溶于水,沉降較明顯。同時由風(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,對常規(guī)污染物的擴散引入微風(fēng)擴散模型[15],對于需要考慮重力沉降作用的特殊污染物擴散引入煙塵擴散模式[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;σy、σz表示污染物y、z方向的大氣擴散參數(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際擴散情況。下面說明模型中的參數(shù)選取。

2.2.1 有效源高 煙氣從煙囪排放后,由于自身動力與熱力作用,將繼續(xù)保持上浮趨勢,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量和浮力的影響,而后期主要受大氣流場的控制。常見的煙氣抬升高度計算公式有霍蘭德(Holland)公式、國際原子能機構(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)而無法使用上述公式估算,可以參考文獻[18],根據(jù)經(jīng)驗選取煙流抬升高度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)驗選取方法

2.2.2 源強 源強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家排放標(biāo)準(zhǔn)。為了確定源強,依據(jù)焚燒爐煙氣監(jiān)控數(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。各污染物源強如表6所示。

表6 各污染物源強

2.2.3 風(fēng)向及風(fēng)速 風(fēng)向與風(fēng)速的統(tǒng)計數(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)向為x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)向為偏西、偏西南,秋季主要風(fēng)向為偏西南。高斯模型中x軸方向為主導(dǎo)風(fēng)方向,因此春、夏、冬3個季節(jié)以焚燒廠處西偏南30°為x軸建立坐標(biāo)系,秋季以西南方向為x軸建立坐標(biāo)系。

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

考慮估算方法的簡便性,本文采用布里格斯公式估算大氣擴散參數(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]可以確定大氣擴散參數(shù)σy、σz的計算公式。對于寶安區(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)大氣擴散參數(shù)的計算公式為

(8)

(9)

秋、冬季節(jié)大氣擴散參數(shù)的計算公式為

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) 對于沉降速度的計算公式,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。

對于寶安區(qū)垃圾焚燒廠,根據(jù)文獻[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[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,Tt=0,當(dāng)H>hT時,Tt=1-hT/H;若煙流處于上述兩種情況之間,則當(dāng)H≤hT時,Tt=k,當(dāng)H>hT時,Tt=1-hT/H+khT/H。其中:hT為計算點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)定時取2/3,中性時取1/2,穩(wěn)定時取1/3。

對于寶安區(qū)垃圾焚燒廠污染物在空間的擴散,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,取hT=100 m,則H=95 m

根據(jù)式(1)、(2)、(5)、(6)4個高斯模型中的參數(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散方向起主要作用,地形會對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,擴散后的影響區(qū)域以及濃度最大點位置也有一定差異。

(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)測點設(shè)置方案

在引入高斯模型時,本文在比較5種布點方法的基礎(chǔ)上選擇模擬測算布點法,同時結(jié)合功能區(qū)布點法進行修正。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)測點的監(jiān)測結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地反映垃圾焚燒廠排放物對周邊區(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附近處設(shè)置監(jiān)測點。

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

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

表7 污染物監(jiān)測點位置

針對垃圾焚燒廠大氣污染物環(huán)境影響監(jiān)測點的設(shè)置,本文提出運用測算布點模型處理該類問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態(tài)監(jiān)測點設(shè)置流程

3 結(jié) 論

本文將高斯模型應(yīng)用于大氣污染物擴散研究,模型求解簡便,同時模型中采用的地形修正項也保證了模型在應(yīng)用于復(fù)雜地形時的精度要求。在高斯模型求解結(jié)果上運用的測算布點法能避免采用常規(guī)布點法時的主觀因素,使監(jiān)測點監(jiān)測結(jié)果更準(zhǔn)確,并在一定程度上減少了監(jiān)測所需的人力、物力。

本文所采用的基于高斯模型的測算布點法適用于穩(wěn)定排放多類大氣污染物的單一污染源附近區(qū)域大氣監(jiān)測點的設(shè)置。高斯模型中的地形修正項可在進行山區(qū)等復(fù)雜地形大氣污染物預(yù)測時借鑒。

2014年7月1日起,我國開始實施新的生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn),由此可見國家對于垃圾焚燒污染問題的重視。

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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。

國家自然科學(xué)基金資助項目(11171270)。

時間: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