堆場(chǎng)揚(yáng)塵計(jì)算和防風(fēng)效率的幾個(gè)問題

易海濤

堆場(chǎng)揚(yáng)塵源強(qiáng)與風(fēng)速分布有關(guān)，也與堆場(chǎng)防塵措施有關(guān)，在JTS105-1-2011《港口建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》中（以下簡稱《規(guī)范》）有具體規(guī)定。但這個(gè)規(guī)范還不夠細(xì)致全面，環(huán)評(píng)人員對(duì)規(guī)范的理解也不盡相同，導(dǎo)致在實(shí)際工作中對(duì)揚(yáng)塵總量的確定偏差較大、在模式預(yù)測(cè)和衛(wèi)生防護(hù)距離計(jì)算中對(duì)源強(qiáng)值的確定不甚合理、對(duì)不同防風(fēng)抑塵措施的抑塵效率也取值不準(zhǔn)。本文結(jié)合風(fēng)速分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和一些環(huán)評(píng)實(shí)例，對(duì)不同防風(fēng)措施的抑塵效率進(jìn)行了比較分析，嘗試性地提出了堆場(chǎng)揚(yáng)塵總量的計(jì)算方法，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

1 《規(guī)范》中源強(qiáng)公式的問題

JTS105-1-2011《港口建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》中,對(duì)堆場(chǎng)靜態(tài)和作業(yè)揚(yáng)塵采用下面的公式計(jì)算[1]：

式中，Q1：堆場(chǎng)靜態(tài)起塵量（kg） ；

α： 貨物類型起塵調(diào)節(jié)系數(shù)，取值0.6～1.6， 見《規(guī)范》中表4.3.3；

U：風(fēng)速（m/s） ，多堆堆場(chǎng)表面風(fēng)速取單堆的89 % ；

U0：混合粒徑顆粒的揚(yáng)塵起動(dòng)風(fēng)速（m/s）；

S：堆表面積（m2）；

U2：作業(yè)起塵量（kg）；

H ： 作業(yè)落差（m） ；

上述公式在應(yīng)用中存在如下問題：

（1） Q1的量綱

Q1∝α(U-U0)3，來源于國內(nèi)外大量的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果[2]，公式中U和U0分別反映了風(fēng)力特性和物料特性對(duì)揚(yáng)塵的影響，參數(shù)α是一個(gè)包含多種因素影響的模糊系數(shù)，包括堆型、物料特性、量綱平衡等，由風(fēng)洞試驗(yàn)來確定， Q1的量綱應(yīng)該是“質(zhì)量/時(shí)間”，假設(shè)S=1 m2，(U-U0)3=1，α=1，那么Q1=0.5 kg/s·m2， 或者0.5 kg/s·m2，與實(shí)際情況相較，數(shù)值過大。在實(shí)際工作中，有人視 Q1原式的單位為（mg/s），然后將計(jì)算結(jié)果×10-6，相差了10-6倍；也有人取為 （kg/h），再除以8 760。公式量綱有誤會(huì)導(dǎo)致使用者有不同的理解和修正，使得計(jì)算的源強(qiáng)沒有可比性，這需要發(fā)布單位有一個(gè)糾錯(cuò)說明。本文在計(jì)算中取式（1.1）的量綱為（g/h）。

（2）參數(shù)V2的取值

《規(guī)范》中V2為作業(yè)起塵量達(dá)到最大起塵量50 % 時(shí)的風(fēng)速（m/s）。按式（1.3），當(dāng) 時(shí)，起塵量最大，當(dāng)(V2-U)=0時(shí)，起塵量為最大起塵量的50 %， 故V2有無窮解，即可以隨意取值，直接影響Q2的計(jì)算結(jié)果。本文取V2=16。

（3）風(fēng)速U的取值

由式 （1.2）可知，堆料最小起塵風(fēng)速U0為3.2 m/s。對(duì)一些粒徑非常細(xì)小、比重很輕的物料，需要通過風(fēng)洞試驗(yàn)來確定U0值。因?yàn)閾P(yáng)塵是啟動(dòng)于風(fēng)的陣性，陣性一般維持約2 min，所以這里使用2 min平均風(fēng)速更好，約等于實(shí)際風(fēng)蝕潛勢(shì)時(shí)間的半衰期。

另外，公式中的S雖為堆料表面積，但實(shí)際工作中，都只考慮堆的頂面面積，故此，實(shí)際計(jì)算時(shí)，風(fēng)速也就應(yīng)該取堆頂面高處的風(fēng)速，和U0的高度是一致的。因此當(dāng)堆料高度過低（低于5 m）或者過高（15 m）時(shí)， 就應(yīng)該考慮風(fēng)速隨高度的變化了。在近地層，這個(gè)變化服從對(duì)數(shù)率：

因此，揚(yáng)塵高度Z處的風(fēng)速與10 m高處的風(fēng)速關(guān)系為：

式中：Z0為地面粗糙度（m），Z0越小，風(fēng)速隨高度增加越慢。

如要考慮側(cè)面揚(yáng)塵，就必須將堆面分區(qū)，這會(huì)使得源強(qiáng)計(jì)算變得非常復(fù)雜[3,4]。

（4）大氣評(píng)價(jià)等級(jí)的確定

確定大氣評(píng)價(jià)等級(jí)時(shí)，《規(guī)范》規(guī)定 “排放量和風(fēng)速相關(guān)的污染物宜按多年平均風(fēng)速計(jì)算污染源強(qiáng)”，這個(gè)規(guī)定大有問題，因?yàn)橐话忝禾亢偷V粉堆場(chǎng)的揚(yáng)塵啟動(dòng)風(fēng)速都在4 m/s以上，在絕大多數(shù)地區(qū)的平均風(fēng)速情況下，這時(shí)是計(jì)算不出來揚(yáng)塵的。

2 小時(shí)源強(qiáng)確定和總排放量問題

（1） 堆場(chǎng)靜態(tài)揚(yáng)塵的源強(qiáng)

本文設(shè)定Q1的單位為（g/h），于是模式計(jì)算中小時(shí)揚(yáng)塵量應(yīng)為：

全年揚(yáng)塵總量可表示為：

式中，N為風(fēng)速分組數(shù)；

（2） 堆場(chǎng)裝卸揚(yáng)塵的源強(qiáng)

式（1.3）中潛在假定作業(yè)的最大揚(yáng)塵量是作業(yè)量的1/1 000，然后對(duì)其進(jìn)行落差H、物料含水率w0和風(fēng)速U影響的修正，這也是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，量綱應(yīng)由參數(shù)α、β來修正，于是小時(shí)揚(yáng)塵總量為：

全年揚(yáng)塵總量為：

假定作業(yè)時(shí)間的風(fēng)速樣本分布與全年風(fēng)速樣本分布相似， 那么可以有：

式中，y為小時(shí)平均作業(yè)量（t）；

T為全年作業(yè)時(shí)數(shù)， Y=y×T。源強(qiáng)與風(fēng)速有關(guān)，但并不是每個(gè)小時(shí)都作業(yè)且時(shí)間點(diǎn)是可變的，故預(yù)測(cè)模式中不能每個(gè)小時(shí)都有源強(qiáng)，這樣會(huì)高估日均和年均濃度。建議模式計(jì)算中小時(shí)源強(qiáng)按下式確定：

亦即先計(jì)算每一個(gè)小時(shí)的源強(qiáng)，然后隨機(jī)保留T小時(shí)，其余小時(shí)不論風(fēng)速大小源強(qiáng)直接為零。

（3） 確定評(píng)價(jià)等級(jí)

評(píng)價(jià)等級(jí)計(jì)算中的源強(qiáng)是指小時(shí)源強(qiáng)，定時(shí)排放時(shí)，它可以來源于年總排放量的小時(shí)均值，由于堆場(chǎng)揚(yáng)塵與風(fēng)速有關(guān)，所以小時(shí)源強(qiáng)是變化的，這時(shí)候采用98 %保證率下風(fēng)速（表1示例）的源強(qiáng)來確定評(píng)價(jià)等級(jí)是比較合理的，這相當(dāng)于每年有175 h、每月有0.6 d是處在大風(fēng)之下的。由于碼頭堆場(chǎng)面積都很大，用估算模式計(jì)算時(shí)，通常Pmax＞80 %，D10＜5 km，所以一般都會(huì)落在二級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)之內(nèi)。

（4） 計(jì)算衛(wèi)生防護(hù)距離

同樣，衛(wèi)生防護(hù)距離的計(jì)算中，源強(qiáng)取值也應(yīng)當(dāng)為98 %保證率下風(fēng)速的源強(qiáng)， 然后依據(jù)《制定地方大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》（GB/T 3840-91）來計(jì)算。

3 堆場(chǎng)防塵措施的效率問題

（1） 風(fēng)速分布的數(shù)學(xué)描述

風(fēng)速概率分布可以依據(jù)大量原始風(fēng)速觀測(cè)的統(tǒng)計(jì)得出，研究表明，其分布概率可以用數(shù)學(xué)函數(shù)韋伯分布來很好地描述[5]，相關(guān)系數(shù)在0.95以上。

風(fēng)速的概率密度函數(shù)可以用下式描述：

那么累積概率密度函數(shù)為：

各風(fēng)速段概率為：

基于以上分析，受到影響的箱源規(guī)?？赡苓_(dá)到300萬TEU，初步判斷，占2017年我國沿海港口美國航線吞吐量比重約13%，占國際航線吞吐總量的3%。但考慮到中方的反制手段，以及貿(mào)易沖突加劇的可能性，影響還有可能繼續(xù)擴(kuò)大。從具體港口情況看，美國航線主要集中在深圳、上海、寧波舟山、青島、廈門等五港。結(jié)合各港目前航線結(jié)構(gòu)，初步評(píng)估各港可能的受沖擊程度。

注意如果對(duì)式（3.4）采用數(shù)值求和代替積分，須Δu≤0.01，才能確保在高風(fēng)速段得到合理的結(jié)果。

式中c為尺度參數(shù)， 以速度為量綱，k 為形狀參數(shù)，無因次量。用統(tǒng)計(jì)回歸可以求得參數(shù)c，k 。近似地[6]，有：

這里 為觀測(cè)期Tm時(shí)間長度（總小時(shí)數(shù)）內(nèi)的平均風(fēng)速，Vmax為T時(shí)期內(nèi)的最大風(fēng)速。

根據(jù)上面的公式，表1給出四地風(fēng)速分布情況。

（2） 灑水和防風(fēng)措施的抑塵效率分析

堆場(chǎng)采取的最常見最有效的防塵措施是灑水,而圍護(hù)方式則有防風(fēng)網(wǎng)、封閉條倉/半封閉條倉和筒倉等。各種抑塵措施的效率只能通過實(shí)測(cè)或風(fēng)洞試驗(yàn)的測(cè)試來綜合判定，實(shí)測(cè)表明[7]，一般取防風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)速減低效果為1/3強(qiáng)，封閉和半封閉（頂部開條形口）條倉內(nèi)風(fēng)速平均降低約50 %[8]，然后再取堆間風(fēng)速影響系數(shù)0.89，這樣累計(jì)下來，平均抑塵效率是多少呢？

a.堆場(chǎng)靜態(tài)揚(yáng)塵、含水率從3.2 %增加到7 %的抑塵效率應(yīng)該是：

b.堆場(chǎng)靜態(tài)揚(yáng)塵、含水率從3.2 %增加到7 %且風(fēng)速減低的抑塵效率是：

c.對(duì)于裝卸揚(yáng)塵、當(dāng)含水率從3.2 %增加到7 %時(shí)，其抑塵效率是：

d.對(duì)于裝卸揚(yáng)塵、當(dāng)含水率從3.2 %增加到7 %時(shí)且風(fēng)速減低的抑塵效率是：

式（3.7）和式（3.9）中，對(duì)于多堆堆場(chǎng)，η=0.89；對(duì)于多堆且采用防風(fēng)抑塵網(wǎng)的堆場(chǎng)η=0.89×2/3；對(duì)于多堆且采用半封閉料倉的堆場(chǎng)η=0.89×0.5。

（3） 各項(xiàng)抑塵措施的效率比較

依據(jù)上述式（3.1）到式（3.9），計(jì)算了沿海六個(gè)地點(diǎn)堆場(chǎng)灑水、防風(fēng)措施的效率，見表2。

從表2 中不難看出：

a.由于堆場(chǎng)灑水和多堆堆間風(fēng)速的降低，靜態(tài)揚(yáng)塵抑塵效率平均達(dá)到了60 %以上,裝卸揚(yáng)塵的抑塵效率平均達(dá)到了80 %以上。而灑水是很有保證的措施。

表1 用韋伯分布計(jì)算的風(fēng)速概率分布

b.國內(nèi)碼頭環(huán)評(píng)時(shí)多取防風(fēng)網(wǎng)使下風(fēng)向風(fēng)速降低1/3[9]，這時(shí)候防風(fēng)網(wǎng)聯(lián)同灑水一起的抑塵效率，對(duì)于靜態(tài)揚(yáng)塵來說達(dá)到了95 %以上，對(duì)于裝卸揚(yáng)塵來說，達(dá)到了85 %以上。

c.進(jìn)一步，改防風(fēng)網(wǎng)為半封閉/封閉料倉（通風(fēng)、消防問題由設(shè)計(jì)解決，這里不討論），倉內(nèi)風(fēng)速降低到環(huán)境風(fēng)速的50 %，這時(shí)候同灑水一起的抑塵效率，對(duì)于靜態(tài)揚(yáng)塵來說達(dá)到了99 %以上，對(duì)于裝卸揚(yáng)塵來說，達(dá)到了90 %以上。相比防風(fēng)網(wǎng)，抑塵效率分別提高了5 %左右。

d.通過前面對(duì)源強(qiáng)計(jì)算公式和各種抑塵措施效率的分析， 已經(jīng)可以對(duì)堆場(chǎng)靜態(tài)和裝卸揚(yáng)塵的年排放量進(jìn)行粗略估計(jì)了，見表3。

表2 堆場(chǎng)灑水、防風(fēng)措施的抑塵效率比較

表3 堆場(chǎng)揚(yáng)塵量的簡單估算例子

4 采用防風(fēng)抑塵網(wǎng)還是封閉料倉問題

從表2 的比較來看，堆場(chǎng)抑塵措施由防風(fēng)網(wǎng)改為封閉料倉，抑塵效率可提高5 %左右，將靜態(tài)揚(yáng)塵量減少約4/5，將裝卸揚(yáng)塵量減少約1/3。由于各地風(fēng)速特性不一，上述揚(yáng)塵減少的絕對(duì)量可以相差很大，對(duì)于低風(fēng)速地區(qū)，可能不足10 t/a。而對(duì)于一個(gè)吞吐量20 M t/a以上的堆場(chǎng)來說，由防風(fēng)網(wǎng)改為封閉料倉的投資需增加2億～3億元，于是自然會(huì)問，有必要嗎？這個(gè)問題很難肯定地回答。

（1） 堆場(chǎng)靜態(tài)揚(yáng)塵量與 成正比，若計(jì)算的多年平均揚(yáng)塵量減少不足10 t/a，則可以考慮不設(shè)置封閉料倉而僅設(shè)置防風(fēng)抑塵網(wǎng),所在地高風(fēng)速的比例越大，堆場(chǎng)由防風(fēng)網(wǎng)改為封閉料倉的意義就越大，這需要對(duì)k的值有比較準(zhǔn)確的估計(jì)，建議至少應(yīng)取30年統(tǒng)計(jì)的平均風(fēng)速和最大風(fēng)速采用式（3.6）、式（3.4）和式（3.5）去估算。

不同地域風(fēng)速資料的k1值可以在0.5～100之間，相差達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)，大部分地區(qū)在20～40之間，取 k1≈30；而k2的值在不同地域的變化要小得多，在0.03～0.08之間，取k2≈0.05；取堆料中的TSP含量為P，灑水防風(fēng)措施的抑塵總效率為F，那么，對(duì)于一個(gè)面積為S、年裝卸量為Y萬噸的堆場(chǎng)，其靜態(tài)起塵量可以粗略估計(jì)為：

裝卸作業(yè)起塵總量可以粗略估計(jì)為：

簡單估算的例子見表3。

（2）堆場(chǎng)的前述各項(xiàng)防塵措施只有在理想的情況下才能達(dá)到應(yīng)有的抑塵效率。實(shí)際工作中未必能夠完全做到。如：

a.始終保持規(guī)定的含水率；

b.網(wǎng)高1.5倍時(shí)對(duì)下風(fēng)向15倍距離內(nèi)的堆場(chǎng)抑塵效率達(dá)到70 %也有疑問；

c.《規(guī)范》中對(duì)于多堆堆場(chǎng)，風(fēng)速取原值的89 %，這是一個(gè)很大的削減，可使計(jì)算的揚(yáng)塵量減少30 %以上。實(shí)際上因?yàn)橛?jì)算揚(yáng)塵時(shí)只考慮了堆頂面的揚(yáng)塵，而沒有考慮側(cè)面的揚(yáng)塵，如果各堆高度一樣，這種風(fēng)速削減的估計(jì)可能偏大了；

d.始終保持裝卸的落差在1 m以內(nèi);

e.揚(yáng)塵計(jì)算公式難以考慮堆料側(cè)面的揚(yáng)塵，也沒有考慮堆料擾動(dòng)頻率對(duì)揚(yáng)塵的影響。堆面越新，越易產(chǎn)生揚(yáng)塵；

f.揚(yáng)塵計(jì)算公式也難以考慮持續(xù)揚(yáng)塵需要的風(fēng)速大小。揚(yáng)塵啟動(dòng)風(fēng)速是堆料從靜止到揚(yáng)起的推動(dòng)風(fēng)速，它需要克服堆料顆粒之間的靜摩擦力，一旦堆料開始揚(yáng)塵，能夠繼續(xù)揚(yáng)塵的風(fēng)速會(huì)比啟動(dòng)風(fēng)速低得多。目前還沒有什么公式能描述這一變化過程，也沒有多少風(fēng)洞試驗(yàn)去模擬。

g.其他環(huán)境管理上的問題。

綜合上述考慮，當(dāng)采用封閉堆場(chǎng)（或者半封閉，頂部開條形窄口）時(shí)，上述因素對(duì)揚(yáng)塵的影響就很小了，它可以保證在任何情況下，堆場(chǎng)倉內(nèi)揚(yáng)塵都能得到有效控制，從這個(gè)意義上講，大多數(shù)地區(qū)都應(yīng)該采用封閉堆場(chǎng)。

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