山地風(fēng)象對(duì)礦山總圖布置的影響研究

蘇高飛

（中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司）

礦山生產(chǎn)中存在的廢水、廢氣、廢渣等污染源，會(huì)對(duì)其他車間、生活區(qū)造成環(huán)境影響。通?？倛D布置采用“污染源布置在人員密集、環(huán)境要求潔凈的生產(chǎn)區(qū)或輔助生產(chǎn)區(qū)最小風(fēng)頻的上風(fēng)向”。但是，這種普適性的規(guī)范要求相對(duì)于地形復(fù)雜的山區(qū)總圖布置顯然不準(zhǔn)確。部分礦山企業(yè)由于不合理的總圖布置，已經(jīng)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境造成較大影響，而且這種影響一般是不可逆的。

但隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，節(jié)能環(huán)保的意識(shí)也越來(lái)越強(qiáng)，從綠色環(huán)保的角度考慮礦山總圖布置，符合當(dāng)下對(duì)于工業(yè)企業(yè)綠色發(fā)展的要求。本研究擬從總圖專業(yè)的角度，研究礦山企業(yè)環(huán)境問(wèn)題，分析影響污染的風(fēng)象、地理因素，掌握污染物擴(kuò)散的一般規(guī)律，特別是由于地形或地面狀況復(fù)雜而形成的局地風(fēng)，在廠址選擇和總平面圖布置中，充分利用有利條件，克服其不利因素，進(jìn)行合理的功能分區(qū)，以緩解企業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾［1-5］。

1 山地局部地方風(fēng)及特征分析

山地大氣近地面層的風(fēng)場(chǎng)主要是地形風(fēng)，在地形風(fēng)上面是梯度風(fēng)。梯度風(fēng)是距地面100～1 500 m高度的風(fēng)，不受地面摩擦作用的影響，它是與大范圍的天氣系統(tǒng)相伴的風(fēng)場(chǎng)，其風(fēng)向在幾十公里至幾百公里范圍內(nèi)基本相同。而由地形或地面狀況比較復(fù)雜所形成的局地風(fēng)卻不然，局地風(fēng)本身有其獨(dú)特的特征。現(xiàn)將山地局地風(fēng)的特征介紹如下。

（1）山谷風(fēng)、上下坡風(fēng)。這是山區(qū)與平原交界處的一種地方性風(fēng)。夜間，山坡放熱較山谷快，谷地輻射冷卻較遲，致使山上氣壓較谷底高，使得冷而重的山坡空氣沿山坡向谷底流動(dòng)，結(jié)果在山谷匯成一股由山谷流入平原的氣流，形成“山風(fēng)”、“出山風(fēng)”和“下坡風(fēng)”；白天，情況正相反，形成“谷風(fēng)”、“進(jìn)山風(fēng)”和“上坡風(fēng)”。

（2）過(guò)山氣流。由于地形阻礙作用，使氣流場(chǎng)發(fā)生局地變化而產(chǎn)生過(guò)山氣流。氣流受山峰阻擋，在山的迎風(fēng)面流線密集，過(guò)山后流線稀疏，產(chǎn)生流線下滑作用，在背風(fēng)坡產(chǎn)生氣流下瀉和尾流混合。

2 風(fēng)象對(duì)山區(qū)礦山總圖布置的影響

有色金屬礦山企業(yè)大多位于地形復(fù)雜的山地地區(qū)，企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中污染源較多，一般包含露天采場(chǎng)、排土場(chǎng)、尾礦庫(kù)以及原礦堆場(chǎng)等。根據(jù)山區(qū)特有風(fēng)象進(jìn)行合理的總圖布置，在改善環(huán)境與節(jié)約能耗2個(gè)方面的作用尤為重要。

2.1 風(fēng)象對(duì)廠址地區(qū)環(huán)境的影響分析

在谷深溝大的山區(qū)建廠時(shí)應(yīng)綜合考慮風(fēng)象、地形、污染源三者之間的關(guān)系，總圖布置中，利用協(xié)調(diào)好相互之間的關(guān)系，是創(chuàng)建廠址良好環(huán)境的基礎(chǔ)條件。

2.1.1 山谷風(fēng)

山谷風(fēng)對(duì)污染物的傳送有明顯的影響，若在山溝中建立污染源排放點(diǎn)，晚上山風(fēng)會(huì)使污染物匯集在山腳附近，并隨著山風(fēng)向山谷外擴(kuò)散，因此在山風(fēng)下游方向地區(qū)受到的污染機(jī)會(huì)較大。故應(yīng)盡量避免將生活區(qū)以及辦公區(qū)布置在山谷外部較低處或窩風(fēng)地帶。

例如云南某礦山企業(yè)，在項(xiàng)目施工期間，將施工隊(duì)的臨時(shí)住宿場(chǎng)地布置在山谷外部一處開(kāi)闊地帶，此處用地范圍、地形坡度以及廠區(qū)內(nèi)外部交通聯(lián)系等都具備很大的優(yōu)勢(shì)，符合一般地區(qū)廠址選址的基本原則。但是本項(xiàng)目位于山谷地帶，此處山谷風(fēng)對(duì)氣流影響比較明顯，晚上山溝內(nèi)采礦工業(yè)場(chǎng)地產(chǎn)生的污染物在山風(fēng)的作用下匯集于施工隊(duì)臨時(shí)住宿場(chǎng)地，此時(shí)正值工人休息時(shí)段，人員密集，對(duì)施工人員住宿環(huán)境及身體健康造成消極的影響。白天施工時(shí)段，山溝氣流又轉(zhuǎn)變?yōu)楣蕊L(fēng)，新鮮干凈的空氣由溝外吹向溝內(nèi)。實(shí)踐證明，處于山區(qū)地形復(fù)雜的礦山項(xiàng)目，要想有針對(duì)性地解決礦山生產(chǎn)與環(huán)境之間的關(guān)系，必須在總圖布置時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向玫瑰圖并結(jié)合礦區(qū)所在位置的地形地勢(shì)產(chǎn)生的局地環(huán)流因素，分時(shí)段確定風(fēng)向類型及布置模式，認(rèn)真分析污染源與山谷風(fēng)白天、晚上不同風(fēng)向的關(guān)系，這樣才能更好地服務(wù)于礦山企業(yè)的生產(chǎn)。

2.1.2 過(guò)山氣流

過(guò)山氣流的流線形式如圖1所示，受過(guò)山氣流在背風(fēng)坡下沉的影響，在北側(cè)靠山區(qū)域形成渦流。例如甘肅某金礦，排土場(chǎng)與選廠分布在高大山梁兩側(cè)的溝谷內(nèi)，由于該地區(qū)植被覆蓋率較差，特別是秋冬季節(jié)，大風(fēng)襲擾排土場(chǎng)，使得粉塵迎風(fēng)擴(kuò)散，而選廠（方案一）基本位于山梁另一側(cè)的窩風(fēng)地段，因此，每遇刮風(fēng)時(shí)廠區(qū)經(jīng)常被沙塵籠罩，環(huán)境受到極大影響。這種由于未準(zhǔn)確分析周邊氣流運(yùn)動(dòng)方向所造成的廠區(qū)環(huán)境污染一般屬于不可逆的，該礦山企業(yè)嘗試排土場(chǎng)散水，運(yùn)輸?shù)缆吩黾訃娏艿仍O(shè)施來(lái)減少排土場(chǎng)對(duì)廠區(qū)的影響，但是結(jié)果都不理想。

分析證明，若選廠（方案一）能向北偏移一定距離（方案二），可有效解決廠區(qū)環(huán)境污染問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)踏勘時(shí)也發(fā)現(xiàn)方案二地表植被塵土堆積明顯少于方案一。在總圖設(shè)計(jì)中，若山溝建設(shè)產(chǎn)生大量污染物的建（構(gòu)）筑物時(shí)，應(yīng)避免靠近山腳，選址應(yīng)適當(dāng)遠(yuǎn)離窩風(fēng)地帶，將污染物順風(fēng)擴(kuò)散到廠址以外。

2.1.3 谷風(fēng)下沉

在一些通風(fēng)不良地區(qū)，不宜作為排放污染物的廠址。如高度大于400 m的山谷和全年靜風(fēng)頻率超過(guò)40%的地區(qū)，污染物不易排出，在不斷積累下，必將超過(guò)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，甚至發(fā)生煙霧事件，危及在廠職工生命安全。

從嚴(yán)格意義上說(shuō)，存在靜止風(fēng)型特點(diǎn)的地區(qū)不宜安排危險(xiǎn)大、污染重的工業(yè)企業(yè)。若因?yàn)楣に嚿a(chǎn)或用地等情況的限制，總圖布置時(shí)應(yīng)該使生活區(qū)處在安全邊界之外。一般建議是生活區(qū)應(yīng)在污染源有效高度10～20倍遠(yuǎn)以外。

2.2 風(fēng)象對(duì)廠房節(jié)能的影響分析

有色金屬礦山廠房存在塵、熱、煙三大特點(diǎn)，其自然通風(fēng)條件對(duì)改善廠房?jī)?nèi)外環(huán)境非常重要，同時(shí)廠房的方位與風(fēng)象的關(guān)系也將對(duì)除煙塵、散熱等設(shè)施能耗有一定影響。

總圖布置時(shí)應(yīng)特別注意原料堆場(chǎng)、破碎車間、篩分車間等這些煙塵較大的廠房與生活區(qū)及變電站潔凈度要求高的建筑方位關(guān)系。應(yīng)將有污染源車間布置在潔凈生產(chǎn)區(qū)的最小風(fēng)頻上風(fēng)側(cè)，以減少生產(chǎn)對(duì)廠區(qū)環(huán)境影響。布置U形廠房應(yīng)與盛行風(fēng)向呈0°～45°夾角，并且開(kāi)口應(yīng)朝向盛行風(fēng)向，以穿堂風(fēng)為主的熱車間長(zhǎng)軸宜與夏天白天盛行風(fēng)垂直，在地形復(fù)雜的山區(qū)宜與谷風(fēng)垂直布置，有利于廠房的通風(fēng)散熱。

2.2.1 生產(chǎn)設(shè)備對(duì)廠區(qū)環(huán)境的要求

礦山項(xiàng)目中，一部分工藝車間設(shè)備產(chǎn)生高溫，總圖布置時(shí)應(yīng)選擇通風(fēng)效果較好且應(yīng)避免陽(yáng)光的直射，這樣有利于散熱和設(shè)備的維護(hù)，延長(zhǎng)設(shè)備使用周期。根據(jù)一般熱車間布置原則要求廠房的通風(fēng)應(yīng)滿足以下2點(diǎn)，一是空氣的對(duì)流，二是氣流入射角角度，即廠房長(zhǎng)軸方向與當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向的夾角應(yīng)盡量接近90°為宜。但是礦山企業(yè)基本位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，區(qū)域內(nèi)氣流方向與風(fēng)玫瑰所反映的方向有所不同，有時(shí)甚至相反。

例如江西某礦山企業(yè)，采礦工業(yè)場(chǎng)地附近布置空壓機(jī)房，設(shè)計(jì)之初為避免太陽(yáng)的西曬，選址于山坡北側(cè)，但是從風(fēng)玫瑰圖顯示廠房與盛行風(fēng)向夾角小于25°，業(yè)主擔(dān)心不能達(dá)到通風(fēng)散熱的效果。現(xiàn)場(chǎng)踏勘時(shí)發(fā)現(xiàn)，8月當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)相對(duì)濕熱，由于空壓機(jī)房位于山區(qū)溝谷內(nèi)，白天谷風(fēng)盛行，且與空壓機(jī)房基本垂直，有較好的通風(fēng)效果，遂消除了業(yè)主顧慮，依舊采用靠近北側(cè)山坡方案。

實(shí)踐證明，在礦山總圖布置時(shí)，是否能夠較好地運(yùn)用節(jié)能的觀念布置廠房，其中山谷風(fēng)與熱車間的夾角是設(shè)計(jì)人員必須考慮的一個(gè)重要因素，而熱車間與谷風(fēng)垂直是一種比較節(jié)能的布置方式。

2.2.2 空氣流動(dòng)對(duì)廠房的影響

當(dāng)熱車間及“煙塵”車間迎風(fēng)面有遮擋物時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大之間的距離，避免影響通風(fēng)散熱效果，減少耗能。此外，在受局部地形地貌影響而會(huì)產(chǎn)生窩風(fēng)的地塊，也不宜布置這類“煙塵”車間。

北方寒冷地方冬季大風(fēng)會(huì)對(duì)建筑的保暖造成不利影響。首先，總圖布置中應(yīng)避免將廠區(qū)布置在風(fēng)口，減少寒風(fēng)襲擊。其次，廠房布置與盛行風(fēng)向角度0°～45°為宜，這樣可以減少冬季廠房在采暖保溫方面的能耗。

例如甘肅某露天礦山企業(yè)，設(shè)計(jì)初步方案將工業(yè)場(chǎng)地布置于采礦總墊溝口附近，與內(nèi)外部交通聯(lián)系便利，也符合礦山一般布置原則?，F(xiàn)場(chǎng)踏勘時(shí)發(fā)現(xiàn)，該礦山地形為喇叭口狀，外部為大范圍平原地貌，向溝谷內(nèi)逐步收縮，當(dāng)朝向喇叭口的氣流進(jìn)入山谷之后，因地形收縮，使氣流輻合加強(qiáng)。工業(yè)場(chǎng)地附近風(fēng)速明顯高于其他地帶，人的正常活動(dòng)受到較大影響。設(shè)計(jì)后期及時(shí)調(diào)整方案，重新選址于避風(fēng)處，對(duì)企業(yè)廠房冬季保暖所需能耗也有大幅降低。

實(shí)踐證明，高寒地區(qū)廠房的保暖在冬季是影響企業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重要因素，選址時(shí)應(yīng)注意喇叭口這類地形地貌有助于加強(qiáng)溝谷內(nèi)部風(fēng)速的特性，分析冬季盛行風(fēng)與朝喇叭口地形方位關(guān)系，爭(zhēng)取選址于避風(fēng)處，從而消除因氣流加強(qiáng)對(duì)場(chǎng)地各個(gè)車間采暖效果的影響，實(shí)現(xiàn)總圖布置階段節(jié)能減排。

3 風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬在礦山總圖布置的應(yīng)用

隨著三維技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)性能的提高，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）在建筑風(fēng)環(huán)境中已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用，采用CFD方法計(jì)算風(fēng)場(chǎng)相關(guān)的物理量已經(jīng)完全可能［6］。CFD技術(shù)可以按照實(shí)際尺度的模型計(jì)算，避免了以前風(fēng)洞試驗(yàn)只能進(jìn)行縮尺試驗(yàn)的不足，具有模擬真實(shí)和理想條件的能力。以CFD技術(shù)為代表的流體力學(xué)技術(shù)為風(fēng)環(huán)境的研究形成了理論基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展逐漸成熟，現(xiàn)已較多地應(yīng)用于民用綠色建筑設(shè)計(jì)方面。目前國(guó)內(nèi)礦山項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中進(jìn)行風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬分析的幾乎沒(méi)有。

對(duì)甘肅某尾礦庫(kù)脫水車間場(chǎng)地進(jìn)行風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬分析，場(chǎng)地主要由綜合樓、脫水車間、濃密機(jī)3個(gè)建筑組成，風(fēng)流場(chǎng)和速度模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。

通過(guò)建模后分析結(jié)果顯示，脫水車間與濃密機(jī)通道之間風(fēng)速較快，濃密機(jī)南側(cè)容易形成“渦流”，這為后期場(chǎng)地取暖設(shè)備及變電所的總圖布置提供了參考。通過(guò)多方面風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)分析并且結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最終將取暖設(shè)備等附屬設(shè)施布置在脫水車間北側(cè)風(fēng)速較小區(qū)域。實(shí)踐證明，利用風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬分析技術(shù)可以預(yù)測(cè)場(chǎng)地布置方案各個(gè)區(qū)域風(fēng)速的大小以及“渦流”發(fā)生的具體位置，為礦山總圖布置的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為總圖室外風(fēng)環(huán)境由傳統(tǒng)的定性分析向定量分析轉(zhuǎn)變積累一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）若在山溝內(nèi)部設(shè)置有污染源排放點(diǎn)，應(yīng)避免生活區(qū)及辦公區(qū)布置在山谷外部較低處。在產(chǎn)生過(guò)山氣流地形條件下，應(yīng)適當(dāng)加大污染源與廠址的距離，減少由于背風(fēng)渦流對(duì)廠區(qū)環(huán)境的影響。對(duì)于產(chǎn)生高溫的熱車間，若車間長(zhǎng)軸與谷風(fēng)垂直布置，在通風(fēng)散熱方面會(huì)有比較積極的影響。

（2）高寒地區(qū)，喇叭口地形使溝內(nèi)氣流輻合加強(qiáng)，應(yīng)盡量避免將工業(yè)場(chǎng)地布置于此，可減少?gòu)S房保暖所需能耗，降低對(duì)生產(chǎn)生活其他方面影響。

（3）礦山總圖布置中不能僅以風(fēng)玫瑰圖為準(zhǔn)則，復(fù)雜山區(qū)風(fēng)象變化較大，在定性分析的基礎(chǔ)上可結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)定量分析礦山廠房室外風(fēng)環(huán)境，能以較短的周期和較高的精度為礦山的總圖布置優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

（4）礦山開(kāi)采加工給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成一定的影響，在當(dāng)下新的發(fā)展形勢(shì)下，總圖布置應(yīng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件、地形特征進(jìn)行場(chǎng)地布置，徹底貫徹節(jié)能環(huán)保的理念，真正達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的，減少企業(yè)生產(chǎn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，從而實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展與環(huán)境保護(hù)相適。