寧夏中衛市垃圾焚燒發電廠周邊污染物濃度擴散及監測問題研究

張 琳

（寧夏環境科學研究院（有限責任公司），寧夏銀川 750011）

伴隨著寧夏城市化進程的不斷加快，人民生活水平的逐步提高，中衛市生活垃圾產生量呈逐年快速上升趨勢，以消耗土地資源為代價的填埋方式已無法滿足不斷增長的城市生活垃圾處理需求。為了使有限的土地資源能夠最大程度地發揮作用，解決城市發展所帶來的日益突出的城市生活垃圾污染問題，進一步改善生態環境，促進中衛市經濟、社會、環境的可持續發展，中衛市在宣和鎮工業園區建設城市生活垃圾焚燒發電項目，并于2021年11月24日成功并網助力民生用電。

本文建立污染物濃度擴散模型，利用MATLAB軟件將多重積分轉化為累次積分，模擬中衛市垃圾焚燒發電廠周邊污染物濃度擴散情況，據此給出發電廠周圍監測點的選取方法和動態監測方案。

1 污染物濃度擴散模型

1.1 條件假設與符號約定

（1）任取大氣中一閉曲面S所圍成空間為Ω，C(x,y,z,t)表示t時刻(x,y,z)位置點污染物濃度[1-2]。

（2）污染物因空氣流動和自由運動而擴散，Dx,Dy,Dz,分別表示x,y,z方向的擴散系數。

（3）大氣有一定的自我凈化能力，假設自我降解系數為K（K＞0）。

（4）θ(x,y,z,t)是(x,y,z)位置t時刻單位體積單位時間污染物的排放量。

（5）x,y,z三個方向的風速ux,uy,uz在一定時間范圍內恒定。

1.2 模型建立

由多重積分意義可知，通過閉曲面S，從時刻t至時刻t+Δt流入Ω的污染物質量，通過高斯定理、質量守恒定理等推得污染物濃度擴散模型為：

1.3 模型求解

對污染物濃度擴散模型進行適當簡化并分解成3種情況討論。

1.3.1 瞬時染污點源擴散模型

假設在原點（0，0，0）瞬時投入一個質量為M的污染源，在x,y,z三個方向進行擴散，不考慮大氣自我降解能力，則該數學模型的解析解是：

1.3.2 連續污染點源擴散模型

如果污染物釋放是以連續污染點源的方式進行，則形成的濃度相當于單位時間內連續釋放的瞬時點源的積分，實際上相當于對公式（2）進行積分：

1.3.3 連續污染點源擴散穩態模型

當連續穩定的污染點源釋放污染物的時間足夠長，污染物濃度可以看成不再隨時間的變化而變化，而只會隨三維空間位置的不同而發生改變，其三維穩態模型的解析式為：

1.4 模型修正

1.4.1 混合層影響

污染氣象學把湍流特征不連續界面以下的大氣俗稱為混合層，其抑制下層的大氣將污染物向上層輸送，使空氣中的污染物不能及時擴散開去，加重大氣污染。在沒有實測數據下，混合層高度可根據下式計算：

其中，h為混合層厚度；U10為10m高度處的平均風速，大于6m/s時取為6m/s；as為混合層系數；f為地轉參數，ω為地轉角速度；φ為地理緯度。

混合層對污染物擴散的影響與地面類似，設其離地面的高度為h，則此處的邊界條件為：

其中，n為地面指向外側的法向量；H為排煙口的高度。

1.4.2 降水影響

大氣中的雨、雪等降水對污染物的清除作用稱為降水清除或濕沉積。降水清除與某地區降水的頻率、雨量和持續時間等均有關。考慮一個降水過程，設降水量恒定，污染物的特性不隨時間變化，則清除作用使污染物濃度的變化與濃度成正比，即

其中，λ為比例系數，稱為清除系數。

1.4.3 顆粒物擴散及累積效應

煙塵在大氣風場中的擴散情形與氣體大不相同，其擴散參數難以確定，無法直接運用擴散模型進行模擬。研究表明，顆粒物直徑大于10μm時，其由于重力產生的沉降作用就不能被忽視，將重力沉降的位移疊加到煙流軸線上，這時，軸線與水平夾角A滿足：

其中，V為顆粒物沉降速度，可以由斯托克斯公式給出：

其中，r為顆粒的半徑；ρ為顆粒的密度；ρ0為空氣密度；g為重力加速度；μ為空氣黏滯系數。

2 數值模擬

假設某垃圾焚燒發電廠所在地區大氣污染物降解速率常數K=4.2d-1，平均風速為2m/s，橫向擴散系數Dx=50m2/s，縱向擴散系數Dy=5m2/s，豎直方向的擴散系數Dz=2m2/s，排煙口高度為200m，排煙口的排氣量q=800m3/s，污染物的排放濃度Cq=20μg/m3。以600s為時間間隔，計算地面上沿著風速方向距離排煙口投影點x處的6個點的模擬濃度數值[3]

以10min為時間間隔，設風向為x軸正向，風速2m/s，則污染物地表濃度變化情況如圖1～圖2所示。

圖1 污染物的地表濃度變化平面圖

圖2 污染物的地表濃度變化三維圖

3 監測點選取方案設計

垃圾焚燒發電廠周圍環境需要布置監測點進行監測。本文設計一種基于污染物周邊污染模擬數據的統籌布點方法，對監測站點進行布局。

3.1 劃分區域

以寧夏中衛垃圾焚燒發電廠為坐標原點O建立直角坐標系，正東方向為x軸正向，正北方向為y軸正向，以實際長度2km為1個單位長度將坐標系網格化，監測站將布置在每個單位網的中心。中衛垃圾焚燒發電廠周邊有城鎮、農田、草地、戈壁和湖泊等不同功能的土地，考慮到同一區域內的高度變化盡可能少而平滑等因素，將垃圾焚燒發電廠劃分為A、B、C、D 4個區域，如圖3所示。

圖3 垃圾焚燒發電廠周邊區域劃分示意圖

3.2 數值模擬計算

根據觀測數據，計算中衛市垃圾焚燒發電廠各區域中心污染物月濃度值。以D區為例展示模擬計算結果，如表1所示。在表1中，第1列編號1～14代表D區14個網格中心，編號規則如圖2所示。

表1 D區不同監測點各月污染物濃度表 μg/m3

3.3 監測站點聚類

在D區域中，可以選擇給定某月網格中心濃度的最大值，作為該區域該月最大值（以灰底標注）；選取模擬值中與平均值距離最小的濃度值，作為該區域該月平均值（以邊框線標注），每個月份都有反映平均值和最大值的區域中心。考慮到建設監測站成本，需要將這些區域中心合并以減少監測站數量。由于監測站地理分布具有相關性，在相同氣候特征下一些監測站具有一致表現，使用SPSS19.0軟件進行聚類，選擇最近鄰元素法作為衡量兩組距離的方法。

3.4 確定監測方案

將每一類數據合并，選取該類平均值出現次數最多的點作為代表元。分析可知，第1類中，一年中4號點出現了1次平均值，其余點沒有，選取4號點作為代表元。第2類中，3號點出現了4次平均值，選取3號點作為代表元。第3類中，7號點出現了3次平均值，選取7號作為代表元。選取的代表元可以監測該類中所有出現平均值的月份。如果一個監測點既可以監測平均值，又可以監測最大值，這樣就會節約成本。4號點在監測平均值的同時，可以監測1、2、9、11、12月的最大值，由于1、2、4號點一類，可以監測5、7、8月最大值，而3號點可以監測3、10月最大值，7號點可以監測4、6月。這樣監測點就可以確定了。監測方案如表2所示。

表2 監測點的設置和動態監測方案表

需要指出的是，表2給出了12個監測點的方案，同一時間段有閑置監測點，這樣設計是必要的，可以在緊急情況下對污染物濃度進行有效估計。

4 結束語

通過對寧夏中衛垃圾焚燒發電廠周圍區域的環境空氣質量監測點建立模型，可選取最優的監測點位，既可以監測該區域平均的環境質量狀況，又可兼顧區域不同監測點位的最大檢測值。該模型可為重點監控污染源周圍環境空氣質量的監控點布設提供依據。