采用高斯模型的垃圾焚燒污染物環境監測及布點

劉鶴欣,羅銳,冉小鵬,王宇瑩,李換琴,李繼成

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.西安交通大學數學與統計學院,710049,西安)

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采用高斯模型的垃圾焚燒污染物環境監測及布點

劉鶴欣1,羅銳1,冉小鵬1,王宇瑩2,李換琴2,李繼成2

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.西安交通大學數學與統計學院,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域影響的動態監測問題,將基于高斯模型的模擬測算布點法與功能區布點法相結合,建立了監測布點模型。首先綜合考慮監測區域周邊氣象條件、地形特征以及新定義的功能區分布,依據不同物理化學性質將污染物分為常規污染物和特殊污染物,從而引入簡單地形和復雜地形下分別適用于兩類污染物的微風擴散模式和煙塵擴散模式的高斯模型;然后采用統計的方法對這些因素進行處理,確定了模型中相應的參數,計算分析得出污染物濃度分布;最后與功能區布點法相結合,得到最終的動態監測布點方案。以深圳市寶安區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境設立9個分區監測點的方案。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測點設置問題提供了新思路。

垃圾焚燒廠;污染物;動態監控點;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電法在全國各地逐步興起。如何更好地規范垃圾焚燒廠排污運營行為,增強居民對生活環境安全的信心,是國家亟待解決的重要問題。顯然,在焚燒廠內設置監測點的傳統監測方法已不能適應相應需求。該方法所搜集的監測數據不能全面客觀地反映焚燒污染物對周邊環境的影響,這樣的數據作為監管部門評價焚燒廠運營行為的依據不夠充分合理。合理設置動態監控點不僅能為監管部門提供更為全面客觀的數據依據,而且這些監測數據能更及時地傳遞給居民,強化居民對其生活環境安全的信心,并且也可作為政府對居民進行環境風險經濟補償的依據。

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準》[1],新標準對煙氣中污染物濃度限值有了更嚴格的規定,但污染物的監測仍采取傳統的檢測煙氣成分方式。我國環境保護部出臺的《環境影響評價技術導則——大氣環境》[2]指出監測點設置數目及位置所應考慮的基本因素,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監測點布置法基礎上運用物元分析等方法對監測點位優化[3];余紅提出運用綜合分析法優化大氣環境監測布點[4];Enrique等研究了單個監測點的優化設置[5]。以上文獻側重討論大氣環境監測點的優化設置方法及理論研究。Graziapittau等以意大利威尼斯為例研究針對SOx及NOx的監測點優化設置[6];李軍針對四川省某氣田區破碎地形的監測點設置進行了研究[7]。羅華君等應用空氣質量預測模型對昆明空港經濟區多污染源監測點設置進行了研究[8]。以上文獻往往是根據已有監測點的監測數據,進一步優化監測點的設置來監測空氣質量狀況,而對于垃圾焚燒廠之類的已知其排放污染物數據的污染源,如何監測這些污染物對周邊不同區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上,提出了如何從周邊環境出發,建立測算布點模型,從而解決垃圾焚燒廠污染物環境影響監測問題的一般方法和步驟,并且以深圳市寶安區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、功能區分布等環境因素,求解基于高斯模型的模擬測算布點模型,再結合功能區布點法,從而得出了該焚燒廠附近監測點設置方案。

1 監測區域環境數據預處理

監測區域環境數據預處理是建立測算布點模型進行監測點設置所必須的準備工作。監測區域的環境狀況主要包括氣象條件、地形特征、功能區分布3個方面。預處理的過程是采用統計學方法定量描述監測區域環境狀況。

1.1 氣象條件

常見的氣象條件包括了風、溫度、降水、大氣穩定度、湍流等,在氣象條件分析時應依據監測區域常年統計數據進行分析判斷,從而建立準確合適的模擬測算模型。以深圳市寶安區擬建的垃圾焚燒廠(谷歌地圖坐標22.686 033, 114.097 586)為例對其氣象條件進行如下分析。

1.1.1 風向與風速 風向和風速是影響污染源排放污染物擴散和稀釋的最主要因素。風向決定著污染物的主要擴散方向。風速決定著污染物稀釋的速度,風速越大,污染物在單位時間內就可以進入較大的空氣體積里,因而污染濃度就小,風速較小時,污染物的擴散稀釋受阻,將會導致污染物富集而產生嚴重危害。

本文依據該焚燒廠2011年4月13日～2012年3月31日數據[9],按季節計算平均風速并統計靜風頻率,結果如表1、圖1所示。

表1 焚燒廠選址處風速統計

表1中季節的劃分為: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]。靜風是指風速平均值≤0.5 m/s。在靜風條件下,風向紊亂,當靜風條件持續一段時間后,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,焚燒廠選址處靜風頻率較低,因此污染物擴散受到風向的影響較為明顯。

圖1中每一個方位(如西南)后面括號中的數字表示平均風速。

(a)春

(b)夏

(c)秋

(d)冬圖1 焚燒廠選址處四季風向、風速玫瑰圖

根據環境影響評價導則,主導風向是指風向頻率最大的風向角的范圍;某地區滿足主導風向角風向頻率之和≥30%時,可認為其主導風向具有明顯優勢;在沒有主導風向的地區,應考慮污染源對全方位的環境空氣敏感區的影響[2]。由圖1可知,在焚燒廠選址處全年主導風向為偏西風、西南風,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 大氣穩定度 大氣穩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。大氣穩定度越低越有利于污染物的稀釋擴散,大氣穩定度越高則污染物越容易積累在污染源附近。

根據我國國家標準中所采用的大氣穩定度帕斯奎爾分類方法[11],可將大氣穩定度分為A、B、C、D、E、F 6類,分別表示強不穩定,不穩定,弱不穩定,中性,較穩定和穩定。以深圳市垃圾焚燒廠為例,確定各季節大氣穩定度步驟為:首先由焚燒廠經緯度、風向風速數據的觀測時間及日期,根據文獻[11]中的公式計算單日太陽高度角,統計平均得到各個季節太陽高度角;然后參考文獻[12],確定深圳市的總云量約為7.26;最后根據文獻[11],由云量與太陽高度角查出太陽輻射等級數,進一步由太陽輻射等級數與地面風速查出大氣穩定度。以上各步驟結果表示在表2中。

表2 大氣擴散參數影響因素

1.1.3 其他氣象條件 除了上文所討論的風向風速及大氣穩定度,某些情況下污染源所處區域還可能存在特殊的氣象條件,如靜風和逆溫。靜風是指風速平均值≤0.5 m/s,逆溫是指大氣內某些層次出現氣溫不隨高度變化或氣溫隨高度的升高反而增高的現象。靜風條件限制了污染物在水平方向的擴散稀釋,逆溫現象則限制了污染物在垂直方向的擴散稀釋。當靜風或逆溫狀況明顯時需要對其進行詳細分析。以深圳市寶安區為例,依據常年氣象統計資料得到該區域靜風頻率偏低(見表1),且無逆溫現象出現,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。由環境影響評價技術導則,距污染源中心點5 km內的地形高度(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內的地形高度(不含建筑物)等于或超過煙囪高度時,定義為復雜地形。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。對于深圳寶安區垃圾焚燒廠,在焚燒廠西南方向上是高度大于100 m的山區,東南方向是平湖生態園,東北及西北方向是居民區。西南方向的山區高度大于煙囪高度,屬于復雜地形區域,而東南、東北、西北方的生態園、居民區比較開闊,屬于簡單地形區域。

1.3 功能區分布

功能區本義為城市內部各功能活動的分布空間及其相應產生的小區,如中心商業區、行政區、工業區、居住區和郊區等。本文所定義的功能區是指受到污染物影響具有不同特點的區域,包括山區、居民區和生態區3類。山區是指前文所定義的具有復雜地形的區域,該區域起伏地形對污染物擴散有顯著影響;居民區是居民生活工作的區域,人口密度大,污染物造成重大危害可能性大;生態區通常為自然保護區、風景名勝區等,在特定時間人口密度大,空氣質量要求高。

由以上定義,深圳寶安區焚燒廠附近區域可劃分為山區、居民區、生態區3個區域。環觀南路、樟坑徑村及焚燒廠所圍區域為山區;平湖生態園為生態區;環觀南路、平龍路、平新路及焚燒廠所圍區域為居民區。在居民區內有輔城坳小學、平南學校、龍湖學校、啟英學校4所學校為環境敏感點,其空氣狀況應重點監測。

2 監測點的設置

在對監測區域環境數據進行預處理后開始進行監測點的設置。常見的監測點設置方法有功能區布點法、網格布點法、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缺點[8],如表3所示。

表3 常見監測點設置方法比較

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

2.1 監測布點模型的建立

模擬測算布點法是依據測算區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,根據污染物擴散模擬值的空間分布規律進行監測點布置。

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用,同時考慮到高斯模型在復雜地形條件下應用的相關研究[13],因此采用高斯模型預測污染物濃度分布。

城市生活垃圾焚燒產生的污染物按狀態可分為固體、液態、氣體污染物3類。固體污染物主要包括爐渣、飛灰,液態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等常規污染物和揮發性有機物、二噁英等特殊污染物[14]。

根據新的《生活垃圾焚燒污染控制標準》,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。根據其物理化學性質,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,應采用不同的高斯模型對濃度分布進行描述。

表4 監控因子的分類

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。同時由風速分析結果,垃圾焚燒廠附近區域主要處于微風(風速≥0.5 m/s)條件。由以上分析,對常規污染物的擴散引入微風擴散模型[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)處常規污染物和特殊污染物的質量濃度;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;H代表污染源的有效高度;u表示平均風速;vt表示固體污染物的重力沉降速度;α是反射系數;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

高斯模型的求解關鍵在于根據模型所應用區域的環境條件,對模型中參數作出恰當選擇,這樣模型求解結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、動力性質、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(IAEA)建議公式以及HJ 2.2—1993標準推薦抬升公式[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、環境溫度等參數。如果因缺少某些參數而無法使用上述公式估算,可以參考文獻[18],根據經驗選取煙流抬升高度ΔH。

由于缺乏深圳寶安區垃圾焚燒廠煙囪相關參數,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。深圳寶安區焚燒廠的污染物排放濃度符合國家排放標準。為了確定源強,依據焚燒爐煙氣監控數據[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,假設煙氣流量與垃圾處理量成正比關系,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 風向及風速 風向與風速的統計數據根據上文環境數據預處理步驟可以獲得。為了高斯模型的求導方便,選擇主導風向為x軸建立坐標系。

深圳寶安區垃圾焚燒廠選址處全年多刮偏西和偏西南風,春、夏、冬3季主要風向為偏西、偏西南,秋季主要風向為偏西南。高斯模型中x軸方向為主導風方向,因此春、夏、冬3個季節以焚燒廠處西偏南30°為x軸建立坐標系,秋季以西南方向為x軸建立坐標系。

2.2.4 大氣擴散參數 大氣擴散參數σy、σz反映了污染物在y、z方向的擴散規律,是高斯擴散模型最重要的參數。大氣擴散參數的確定方法可分為實驗法和經驗法。實驗法與當地實際氣象條件緊密結合,獲得結果較為可靠、精度較高,但耗費較多人力、財力。擴散參數的經驗估算方法有帕斯奎爾(P-G)曲線法、布魯克海文擴散參數法、國際原子能機構推薦公式、布里格斯(Briggs)公式以及HJ/T 2.2—1993標準推薦的擴散冪函數[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。考慮到垃圾焚燒廠通常位于城市郊區地帶,利用插值方法并結合上文得到的大氣穩定度結果,依據布里格斯公式[11]可以確定大氣擴散參數σy、σz的計算公式。對于寶安區垃圾焚燒廠,根據大氣穩定度結果得到春、夏季節大氣擴散參數的計算公式為

(8)

(9)

秋、冬季節大氣擴散參數的計算公式為

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 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。

對于寶安區垃圾焚燒廠,根據文獻[19]確定華南地區垃圾焚燒的飛灰粒徑分布在38.5～75 μm范圍內,本文假設焚燒爐產生飛灰的平均粒徑為60 μm,根據文獻[19]確定沉降速度為0.227 6 m/s,反射系數α為0.3。

2.2.6 地形隨動坐標及地形修正因素 由式(4)知,參數的確定需依據前文對焚燒廠周邊地形的定量分析結果。根據寶安區垃圾焚燒廠周邊地形的分析結果,假設焚燒廠西側丘陵相對高度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H≤hT時,Tt=0,當H>hT時,Tt=1-hT/H;若煙流處于上述兩種情況之間,則當H≤hT時,Tt=k,當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為大氣穩定度和地形特征決定的煙流路徑系數,在不穩定時取2/3,中性時取1/2,穩定時取1/3。

對于寶安區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,在求解山區表面污染物濃度分布時,取hT=100 m,則H=95 m

根據式(1)、(2)、(5)、(6)4個高斯模型中的參數,以SO2為常規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,風向對于污染物的擴散方向起主要作用,地形會對污染物濃度最大處與焚燒廠間的距離造成影響,常規污染物(如SO2)與特殊污染物(如二噁英)由于物理化學性質不同,擴散后的影響區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 高斯模型求解結果

2.3 監測點設置方案

在引入高斯模型時,本文在比較5種布點方法的基礎上選擇模擬測算布點法,同時結合功能區布點法進行修正。在求解高斯模型獲得各污染物濃度最大值位置后,為了使所設立的監測點的監測結果能夠較為準確地反映垃圾焚燒廠排放物對周邊區域可能造成的最大影響,優先選擇在各種污染物濃度最大地點附近處設置監測點。

根據文獻[20]中的項目等級確定方法,深圳寶安區垃圾焚燒廠為二級項目,設置的監測點數應大于等于6個。依據功能區布點法的原則,為了使檢測結果能提高民眾對焚燒廠環境影響檢測值的可信度,在生活區可適當增加監測點數目。在一些環境敏感區,如學校、醫院、生態保護區可以適當設立監測點,而且焚燒廠上風向處必須設置對照點。

綜上所述,依據高斯模型求解結果并遵照功能區布點法原則,最終得到寶安區垃圾焚燒廠監測點設置方案,如表7所示。

表7 污染物監測點位置

針對垃圾焚燒廠大氣污染物環境影響監測點的設置,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監測點設置流程

3 結 論

本文將高斯模型應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用于復雜地形時的精度要求。在高斯模型求解結果上運用的測算布點法能避免采用常規布點法時的主觀因素,使監測點監測結果更準確,并在一定程度上減少了監測所需的人力、物力。

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

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準,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。

國家自然科學基金資助項目(11171270)。

時間:2015-03-03

10.7652/xjtuxb201505023

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

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