宁夏中卫市垃圾焚烧发电厂周边污染物浓度扩散及监测问题研究

张 琳

（宁夏环境科学研究院（有限责任公司），宁夏银川 750011）

伴随着宁夏城市化进程的不断加快，人民生活水平的逐步提高，中卫市生活垃圾产生量呈逐年快速上升趋势，以消耗土地资源为代价的填埋方式已无法满足不断增长的城市生活垃圾处理需求。为了使有限的土地资源能够最大程度地发挥作用，解决城市发展所带来的日益突出的城市生活垃圾污染问题，进一步改善生态环境，促进中卫市经济、社会、环境的可持续发展，中卫市在宣和镇工业园区建设城市生活垃圾焚烧发电项目，并于2021年11月24日成功并网助力民生用电。

本文建立污染物浓度扩散模型，利用MATLAB软件将多重积分转化为累次积分，模拟中卫市垃圾焚烧发电厂周边污染物浓度扩散情况，据此给出发电厂周围监测点的选取方法和动态监测方案。

1 污染物浓度扩散模型

1.1 条件假设与符号约定

（1）任取大气中一闭曲面S所围成空间为Ω，C(x,y,z,t)表示t时刻(x,y,z)位置点污染物浓度[1-2]。

（2）污染物因空气流动和自由运动而扩散，Dx,Dy,Dz,分别表示x,y,z方向的扩散系数。

（3）大气有一定的自我净化能力，假设自我降解系数为K（K＞0）。

（4）θ(x,y,z,t)是(x,y,z)位置t时刻单位体积单位时间污染物的排放量。

（5）x,y,z三个方向的风速ux,uy,uz在一定时间范围内恒定。

1.2 模型建立

由多重积分意义可知，通过闭曲面S，从时刻t至时刻t+Δt流入Ω的污染物质量，通过高斯定理、质量守恒定理等推得污染物浓度扩散模型为：

1.3 模型求解

对污染物浓度扩散模型进行适当简化并分解成3种情况讨论。

1.3.1 瞬时染污点源扩散模型

假设在原点（0，0，0）瞬时投入一个质量为M的污染源，在x,y,z三个方向进行扩散，不考虑大气自我降解能力，则该数学模型的解析解是：

1.3.2 连续污染点源扩散模型

如果污染物释放是以连续污染点源的方式进行，则形成的浓度相当于单位时间内连续释放的瞬时点源的积分，实际上相当于对公式（2）进行积分：

1.3.3 连续污染点源扩散稳态模型

当连续稳定的污染点源释放污染物的时间足够长，污染物浓度可以看成不再随时间的变化而变化，而只会随三维空间位置的不同而发生改变，其三维稳态模型的解析式为：

1.4 模型修正

1.4.1 混合层影响

污染气象学把湍流特征不连续界面以下的大气俗称为混合层，其抑制下层的大气将污染物向上层输送，使空气中的污染物不能及时扩散开去，加重大气污染。在没有实测数据下，混合层高度可根据下式计算：

其中，h为混合层厚度；U10为10m高度处的平均风速，大于6m/s时取为6m/s；as为混合层系数；f为地转参数，ω为地转角速度；φ为地理纬度。

混合层对污染物扩散的影响与地面类似，设其离地面的高度为h，则此处的边界条件为：

其中，n为地面指向外侧的法向量；H为排烟口的高度。

1.4.2 降水影响

大气中的雨、雪等降水对污染物的清除作用称为降水清除或湿沉积。降水清除与某地区降水的频率、雨量和持续时间等均有关。考虑一个降水过程，设降水量恒定，污染物的特性不随时间变化，则清除作用使污染物浓度的变化与浓度成正比，即

其中，λ为比例系数，称为清除系数。

1.4.3 颗粒物扩散及累积效应

烟尘在大气风场中的扩散情形与气体大不相同，其扩散参数难以确定，无法直接运用扩散模型进行模拟。研究表明，颗粒物直径大于10μm时，其由于重力产生的沉降作用就不能被忽视，将重力沉降的位移叠加到烟流轴线上，这时，轴线与水平夹角A满足：

其中，V为颗粒物沉降速度，可以由斯托克斯公式给出：

其中，r为颗粒的半径；ρ为颗粒的密度；ρ0为空气密度；g为重力加速度；μ为空气黏滞系数。

2 数值模拟

假设某垃圾焚烧发电厂所在地区大气污染物降解速率常数K=4.2d-1，平均风速为2m/s，横向扩散系数Dx=50m2/s，纵向扩散系数Dy=5m2/s，竖直方向的扩散系数Dz=2m2/s，排烟口高度为200m，排烟口的排气量q=800m3/s，污染物的排放浓度Cq=20μg/m3。以600s为时间间隔，计算地面上沿着风速方向距离排烟口投影点x处的6个点的模拟浓度数值[3]

以10min为时间间隔，设风向为x轴正向，风速2m/s，则污染物地表浓度变化情况如图1～图2所示。

图1 污染物的地表浓度变化平面图

图2 污染物的地表浓度变化三维图

3 监测点选取方案设计

垃圾焚烧发电厂周围环境需要布置监测点进行监测。本文设计一种基于污染物周边污染模拟数据的统筹布点方法，对监测站点进行布局。

3.1 划分区域

以宁夏中卫垃圾焚烧发电厂为坐标原点O建立直角坐标系，正东方向为x轴正向，正北方向为y轴正向，以实际长度2km为1个单位长度将坐标系网格化，监测站将布置在每个单位网的中心。中卫垃圾焚烧发电厂周边有城镇、农田、草地、戈壁和湖泊等不同功能的土地，考虑到同一区域内的高度变化尽可能少而平滑等因素，将垃圾焚烧发电厂划分为A、B、C、D 4个区域，如图3所示。

图3 垃圾焚烧发电厂周边区域划分示意图

3.2 数值模拟计算

根据观测数据，计算中卫市垃圾焚烧发电厂各区域中心污染物月浓度值。以D区为例展示模拟计算结果，如表1所示。在表1中，第1列编号1～14代表D区14个网格中心，编号规则如图2所示。

表1 D区不同监测点各月污染物浓度表 μg/m3

3.3 监测站点聚类

在D区域中，可以选择给定某月网格中心浓度的最大值，作为该区域该月最大值（以灰底标注）；选取模拟值中与平均值距离最小的浓度值，作为该区域该月平均值（以边框线标注），每个月份都有反映平均值和最大值的区域中心。考虑到建设监测站成本，需要将这些区域中心合并以减少监测站数量。由于监测站地理分布具有相关性，在相同气候特征下一些监测站具有一致表现，使用SPSS19.0软件进行聚类，选择最近邻元素法作为衡量两组距离的方法。

3.4 确定监测方案

将每一类数据合并，选取该类平均值出现次数最多的点作为代表元。分析可知，第1类中，一年中4号点出现了1次平均值，其余点没有，选取4号点作为代表元。第2类中，3号点出现了4次平均值，选取3号点作为代表元。第3类中，7号点出现了3次平均值，选取7号作为代表元。选取的代表元可以监测该类中所有出现平均值的月份。如果一个监测点既可以监测平均值，又可以监测最大值，这样就会节约成本。4号点在监测平均值的同时，可以监测1、2、9、11、12月的最大值，由于1、2、4号点一类，可以监测5、7、8月最大值，而3号点可以监测3、10月最大值，7号点可以监测4、6月。这样监测点就可以确定了。监测方案如表2所示。

表2 监测点的设置和动态监测方案表

需要指出的是，表2给出了12个监测点的方案，同一时间段有闲置监测点，这样设计是必要的，可以在紧急情况下对污染物浓度进行有效估计。

4 结束语

通过对宁夏中卫垃圾焚烧发电厂周围区域的环境空气质量监测点建立模型，可选取最优的监测点位，既可以监测该区域平均的环境质量状况，又可兼顾区域不同监测点位的最大检测值。该模型可为重点监控污染源周围环境空气质量的监控点布设提供依据。