煤堆場靜態揚塵規范計算公式誤差分析與修正

楊濤，劉良志，朱平

（1.天津大學建筑工程學院，天津 300072；2.天津北洋水運水利勘察設計研究院，天津 300450）

煤堆場靜態揚塵規范計算公式誤差分析與修正

楊濤1，劉良志2，朱平2

（1.天津大學建筑工程學院，天津 300072；2.天津北洋水運水利勘察設計研究院，天津 300450）

文中對JTS 105-1—2011《港口建設項目環境影響評價規范》中的煤堆場起塵量計算公式進行了分析，針對使用中存在的一些問題提出改進意見，特別是結合AR模型（Auto-Regressive）采用MATLAB定量分析了風速脈動對起塵量的影響。結合天津港煤堆場計算實例，給出了天津港地區的風速脈動修正系數。計算表明考慮風速脈動修正系數的計算結果比原計算結果高出8%。風速脈動修正系數的引入對于更加準確的預測與評估由煤堆場揚塵引起的空氣污染有重要意義。

AR模型；脈動風速修正系數；天津港

0 引言

天津港是我國沿海主樞紐港和綜合運輸體系的重要樞紐，是京津冀現代化綜合交通網絡的重要節點和對外貿易的主要口岸，承擔了大量煤炭礦石的運輸、中轉和存貯任務，每年因揚塵造成的物料損失和環境污染十分嚴重。因此研究堆場起塵規律，采取有效措施，對于減少物料損失，降低環境污染具有重要意義。

1 起塵量計算公式

1.1 起塵量定義

起塵量計算內容包括靜態起塵和動態起塵兩方面。靜態起塵是指靜置狀態的堆料在風力作用下的起塵，動態起塵是指堆取料過程中產生的揚塵。本文主要討論靜態起塵的計算方法，以下不做特殊說明的起塵量均指靜態起塵量。

1.2 公式的提出及其局限性

2011年，在借鑒了近年來國內外相關領域的研究成果后，交通運輸部發布了修訂的JTS 105-1—2011《港口建設項目環境影響評價規范》[1]（以下簡稱《規范》），替代了原97版《規范》。新《規范》重新修訂了煤堆場靜態起塵量計算公式：

Q1=0.5α（U-U0）3S （1）

U0=0.03e0.5w+3.2 （2）

其中α為貨物類型起塵調節系數，新版《規范》給出了6種不同貨物類型的取值，依據不同情形選取不同參數。

1.3 新版《規范》公式使用中的一些問題

新的源強計算公式考慮了不同煤種以及煤堆表面積對起塵量的影響，起塵因素考慮的更為全面。

但通過分析發現新的《規范》源強公式在使用中仍然存在以下一些問題：

1）Q1的量綱。根據公式的組合項推斷，其量綱應為“質量/（時間·面積）”，公式中對時間沒有明確的規定，在實際應用中有取mg/（s·m2），kg/a，也有取kg/（h·m2）。公式單位不明確會對使用者造成困擾，本文的討論中統一使用的單位為g/（h·m2）。

2）含水率w。之前的大量研究總結的起塵量計算公式中的含水率一般指煤堆的表層含水率，但表層含水率究竟應該取多大深度處的煤塵，每個研究不盡相同，本文傾向于文獻[2]的結論，即煤堆表層的含水率應取自煤堆表面至其以下1 cm部分的含水率[2]。

3）堆場風速U。堆場風速是指風掠過煤堆表面的水平速度，是一段時間內的平均值。堆場風速在使用中存在兩個問題。

首先是風速的位置不明確，即取哪一個位置的風速進行計算。按照《規范》的定義，風速應取整個煤堆高度范圍內的掠過煤堆表面的風速，但是在復雜的堆場作業環境下，實時監測煤堆表面各個高度處的風速顯然不現實，因此在實際工作中一般只考慮煤堆頂面的風速[3]。

風速數據一般采用附近氣象站或者當地海事部門提供的數據。氣象站提供的風速風向一般是離地面10~12 m的高度測量得到的，而港口露天煤堆場的堆存高度一般為6~8 m，一些煤堆也會堆到10 m以上，為了得到與煤堆高度相對應的風速數據，可以采用風速的垂直風梯度的分布規律對風速進行折算。

常用的垂直風速分布規律有兩種：對數率和指數率。觀測研究表明[4]：指數率誤差小于對數率，且指數率形式簡單，因此在研究煤堆起塵問題中，一些學者建議參照我國GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[5]中規定的指數率進行有關的計算。表達式如下：

其次，采用平均風速定義的堆場風速U，在計算中會造成誤差?！兑幏丁芬幎ā芭欧帕亢惋L速相關的污染物宜按多年平均風速計算污染源強”，天津港地區近30 a的10 m高平均風速為3.8 m/s，但是一般煤炭和礦粉堆場的起塵風速都在4.3~4.7 m/s之間[2]，若按《規范》公式計算起塵量為0，顯然與實際不符。原因在于這種按照平均風速計算起塵量的方法忽略了風的脈動特征，實際風速并不是一個常量，而是圍繞某個數值上下波動，可以看成平均風速和脈動風速的疊加，兩部分相加之和若大于起動風速，則引起煤塵排放，否則不引起排放。

研究認為，自然風速的脈動服從高斯分布[6]，假設存在一段平穩隨機風速序列，均值為U，上下波動幅度為δ，時間長度為t，將時間N等分，其中N充分大，每份時長Δt。由于N充分大，因此在Δt時間內的起塵量可近似按下式計算：

ΔQ=0.5αS[U（t）-U0]3Δt （4）

由于自然脈動風速服從高斯分布，因此在以U為均值的脈動風速序列中風速U+δ與U-δ這兩個值是等可能出現的。對比圖1的y=（U-U0）3的圖像可以發現，由于圖像在第一象限為凹函數，因此必有y（U+δ）+y（U-δ）>2y（U）。亦即在相同時間內，按照平均風速計算的起塵量一定低于按照脈動風速計算的起塵量，即：

ΔQ（U+δ）+ΔQ（U-δ）>2ΔQ（U） （5）

圖1 y=（U-U0）3圖像Fig.1 Graph of the function y=（U-U0）3

因此，《規范》公式采用平均風速的計算方法存在系統性誤差。

為了盡量消除這個誤差，下面采用模擬風速時程和對比計算的方法引入風速脈動修正系數對規范公式的計算結果進行修正。

2 模擬脈動風速時程

2.1 脈動風速時程的模擬方法

由陣風功率譜模擬脈動風速時程是確定陣風對起塵量影響系數的關鍵，目前模擬脈動風速時程的方法主要有4種[7-8]：線性濾波法，諧波疊加法，逆Fourier變化法，小波分析法。本文采用線性濾波法中的自回歸模型（Auto-Regressive，AR）。AR模型因其計算量小、速度快，易于編程的特點，被廣泛用于分析隨機振動和時間序列，該模型描述M個空間相關點脈動風速時程的表達式如下：

式中：V（x，y，z，t）、V（x，y，z，t-kΔt）為脈動風速向量；ψk為自回歸系數矩陣；N（t）為均值為0的平穩隨機過程。下面就AR方法使用過程中的幾個關鍵點展開論述。

2.2 功率譜的選擇

首先確定脈動風自功率譜。我國規范采用的是Davenport譜[5]，表達式如下：

式中：k為地面粗糙度系數，依據地面類型查表取值。我國《建筑結構荷載規范》雖然將地形劃分為四類，但并未明確給出Davenport風譜中系數k對應每種地形的取值，參考文獻[9]的研究，對應于A類地形，即近海海岸地區，本文取為0.001 29。

2.3 確定空間相關函數

我國《建筑結構荷載規范》采用的是Shiotani提出的與頻率無關的三維空間相干函數，但相關研究表明其與實際情況差別較大[10]，因此本文采用考慮了頻率與風速因素的Davenport相關函數，表達式如下：

3 求解風速脈動修正系數

下面以天津港某臨近海邊的堆場為例，結合具體算例給出風速脈動修正系數。

3.1 求解全年風速分布概率

本文采用韋伯分布函數，其計算結果的相關系數通常在0.95以上，能較好地模擬實際風速分布。主要計算參數如下：

堆場內煤堆的平均堆高為10 m，形狀為圓錐堆，堆場面積26萬m2，堆存能力176萬t，年通過設計能力4 300萬t。取得當地近30 a的氣象統計資料，全年平均風速3.8 m/s，極大風速36.7 m/s。

韋伯分布的概率密度函數如下：

概率分布函數為：

各風速段概率為：

各風速段的平均風速為：

采用韋伯分布函數計算公式（9）~（12）計算得到當地的風速概率分布表如表1所示，其中98%的風速小于13.45 m/s。

表1 風速概率分布表Table 1 Probability distribution of wind speed

3.2 求解脈動風速時程

AR模型的主要計算參數設置見表2。

表2 AR模型的計算參數Table 2 Calculation parameters of AR model

將表2參數寫入MATLAB計算程序中，調用Figure命令畫出風速時程圖和功率譜圖。這樣就得到了各點在所有風速段下的風速時程圖，限于篇幅，本文只截取了第1點在v=12.45 m/s時以及第3點在v=20.4 m/s時的風速時程圖和功率譜圖，見圖2、圖3所示。

圖2 第1點處脈動風速時程曲線及功率譜比較（=12.45 m/s）Fig.2 Comparisonoftimehistorycurvesandpowerspectra of fluctuating wind speed at Point 1（=12.45 m/s）

圖3 第3點處脈動風速時程曲線及功率譜比較（=20.4 m/s）Fig.3 Comparisonoftimehistorycurvesandpowerspectra of fluctuating wind speed at Point 3（=20.4 m/s）

3.3 計算風速脈動修正系數

對比圖中目標譜和模擬譜曲線可以看出二者的擬合程度較好。圖2與圖3中的風速時程為300 s，研究發現自然風速的脈動周期約為3~6 min[11]，因此本文的采樣時間長度設為5 min，符合自然風速脈動的實際情況。

得到各平均風速下的脈動風速時程之后，將平均風速和脈動風速的和帶入公式（5）可以得到300 s內由脈動風速引起的起塵量，進而線性外推至1 h的情況，可得各平均風速下的時均起塵量，再結合風速概率分布表計算出煤堆場的年排放總量，將結果乘以PM10的粒徑百分數4%得到PM10年風蝕排放量[12]。5個不同位置計算的PM10年排放總量見表3。

表3 PM10年風蝕排放量Table 3 Average annual discharge of PM10

不考慮風速脈動，采用平均風速計算得出的PM10年排放總量為284 t/a?？梢钥闯?，考慮風速脈動的情況比后者平均多出了8%，顯然風速脈動對煤堆場起塵量的計算有較大影響。

4 結語

1）脈動風速時程的合理模擬是得到準確煤塵排放強度的關鍵，準確模擬脈動風速時程基于可靠的氣象數據，包括逐時氣象預報資料等等。本文基于AR模型模擬脈動風速時程，較之于其他方法如諧波疊加法，小波分析法等，原理更為簡單，易于編程，且計算速度快。

2）從實際模擬結果來看，在考慮了風速脈動之后，原本在起動風速4.19 m/s以下的風速段對起塵量依舊沒有貢獻。這和此前的預期有所不同，原因在于低風速段首先風速基數小，其次風速波動也不大。

3）脈動風速對起塵量的貢獻主要集中在5.47 m/s到16.43 m/s之間，這一風速區間的風速基數與風速波動都比較大?？紤]風速脈動的計算結果比按照平均風速計算的結果高8%，而5.47 m/s到16.43 m/s這一風速段產生的起塵量占到了增量的82%。

在更高的風速段，由于風速概率很小，且風速波動也較小，所以與按照平均風速計算的起塵量相差不大。

4）本文通過實測氣象資料和MATLAB數值模擬得出風速脈動對煤碼頭起塵量的貢獻，得出天津港地區煤碼頭起塵量計算的風速脈動修正系數為1.08。

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Error analysis and improvement of standard formula of dust calculation in coal storage yard

YANG Tao1,LIU Liang-zhi2,ZHU Ping2
（1.Construction Engineering College,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Tianjin Beiyang Water Transport&Hydraulic Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300450,China）

We analyzed the standard formula for dust calculation in the coal yard based on Specifications for environmental impact assessment of port engineering,and offered some advices with regard to some problems in using these methods. Especially in combination with the AR numerical model(Auto-Regressive),the impact of wind speed fluctuation on the amount of dust was quantitatively analyzed by MATLAB.It gives the correction factor of the wind speed fluctuation by interpreting a case of a coal yard in Tianjin port.It indicates that the outcomes which takes account of the correction factor of the wind speed fluctuation is 8%higher than that which doesn't with the standard formula.So it has a profound meaning of the introduction of the correction factor of the wind speed fluctuation in predicting and evaluating the air pollution caused by the dust emission of the coal yard.

AR numerical model;correction factor of the wind speed fluctuation;Tianjin Port

U656.133；X513

A

2095-7874（2016）12-0014-05

10.7640/zggwjs201612003

2016-09-09

2016-10-21

楊濤（1991— ），男，天津市人，碩士研究生，水利工程專業，研究方向為巖土工程。E-mail：ytyyghh@163.com