煤堆場靜態(tài)揚塵規(guī)范計算公式誤差分析與修正

楊濤，劉良志，朱平

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

煤堆場靜態(tài)揚塵規(guī)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(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.天津北洋水運水利勘察設(shè)計研究院，天津 300450）

文中對JTS 105-1—2011《港口建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范》中的煤堆場起塵量計算公式進(jìn)行了分析，針對使用中存在的一些問題提出改進(jìn)意見，特別是結(jié)合AR模型（Auto-Regressive）采用MATLAB定量分析了風(fēng)速脈動對起塵量的影響。結(jié)合天津港煤堆場計算實例，給出了天津港地區(qū)的風(fēng)速脈動修正系數(shù)。計算表明考慮風(fēng)速脈動修正系數(shù)的計算結(jié)果比原計算結(jié)果高出8%。風(fēng)速脈動修正系數(shù)的引入對于更加準(zhǔn)確的預(yù)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(fēng)速修正系數(shù)；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(xiàn)代化綜合交通網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點和對外貿(mào)易的主要口岸，承擔(dān)了大量煤炭礦石的運輸、中轉(zhuǎn)和存貯任務(wù)，每年因揚塵造成的物料損失和環(huán)境污染十分嚴(yán)重。因此研究堆場起塵規(guī)律，采取有效措施，對于減少物料損失，降低環(huán)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(nèi)容包括靜態(tài)起塵和動態(tài)起塵兩方面。靜態(tài)起塵是指靜置狀態(tài)的堆料在風(fēng)力作用下的起塵，動態(tài)起塵是指堆取料過程中產(chǎn)生的揚塵。本文主要討論靜態(tài)起塵的計算方法，以下不做特殊說明的起塵量均指靜態(tài)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(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究成果后，交通運輸部發(fā)布了修訂的JTS 105-1—2011《港口建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范》[1]（以下簡稱《規(guī)范》），替代了原97版《規(guī)范》。新《規(guī)范》重新修訂了煤堆場靜態(tài)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(diào)節(jié)系數(shù)，新版《規(guī)范》給出了6種不同貨物類型的取值，依據(jù)不同情形選取不同參數(shù)。

1.3 新版《規(guī)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(fā)現(xiàn)新的《規(guī)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(jù)公式的組合項推斷，其量綱應(yīng)為“質(zhì)量/（時間·面積）”，公式中對時間沒有明確的規(guī)定，在實際應(yīng)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(tǒng)一使用的單位為g/（h·m2）。

2）含水率w。之前的大量研究總結(jié)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(yīng)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(xiàn)[2]的結(jié)論，即煤堆表層的含水率應(yīng)取自煤堆表面至其以下1 cm部分的含水率[2]。

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

首先是風(fēng)速的位置不明確，即取哪一個位置的風(fēng)速進(jìn)行計算。按照《規(guī)范》的定義，風(fēng)速應(yīng)取整個煤堆高度范圍內(nèi)的掠過煤堆表面的風(fēng)速，但是在復(fù)雜的堆場作業(yè)環(huán)境下，實時監(jiān)測煤堆表面各個高度處的風(fēng)速顯然不現(xiàn)實，因此在實際工作中一般只考慮煤堆頂面的風(fēng)速[3]。

風(fēng)速數(shù)據(jù)一般采用附近氣象站或者當(dāng)?shù)睾Ｊ虏块T提供的數(shù)據(jù)。氣象站提供的風(fēng)速風(fēng)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(yīng)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，可以采用風(fēng)速的垂直風(fēng)梯度的分布規(guī)律對風(fēng)速進(jìn)行折算。

常用的垂直風(fēng)速分布規(guī)律有兩種：對數(shù)率和指數(shù)率。觀測研究表明[4]：指數(shù)率誤差小于對數(shù)率，且指數(shù)率形式簡單，因此在研究煤堆起塵問題中，一些學(xué)者建議參照我國GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]中規(guī)定的指數(shù)率進(jìn)行有關(guān)的計算。表達(dá)式如下：

其次，采用平均風(fēng)速定義的堆場風(fēng)速U，在計算中會造成誤差。《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)速計算污染源強”，天津港地區(qū)近30 a的10 m高平均風(fēng)速為3.8 m/s，但是一般煤炭和礦粉堆場的起塵風(fēng)速都在4.3~4.7 m/s之間[2]，若按《規(guī)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(fēng)速計算起塵量的方法忽略了風(fēng)的脈動特征，實際風(fēng)速并不是一個常量，而是圍繞某個數(shù)值上下波動，可以看成平均風(fēng)速和脈動風(fēng)速的疊加，兩部分相加之和若大于起動風(fēng)速，則引起煤塵排放，否則不引起排放。

研究認(rèn)為，自然風(fēng)速的脈動服從高斯分布[6]，假設(shè)存在一段平穩(wěn)隨機風(fēng)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(nèi)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(fēng)速服從高斯分布，因此在以U為均值的脈動風(fēng)速序列中風(fēng)速U+δ與U-δ這兩個值是等可能出現(xiàn)的。對比圖1的y=（U-U0）3的圖像可以發(fā)現(xiàn)，由于圖像在第一象限為凹函數(shù)，因此必有y（U+δ）+y（U-δ）>2y（U）。亦即在相同時間內(nèi)，按照平均風(fēng)速計算的起塵量一定低于按照脈動風(fēng)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(guī)范》公式采用平均風(fēng)速的計算方法存在系統(tǒng)性誤差。

為了盡量消除這個誤差，下面采用模擬風(fēng)速時程和對比計算的方法引入風(fēng)速脈動修正系數(shù)對規(guī)范公式的計算結(jié)果進(jìn)行修正。

2 模擬脈動風(fēng)速時程

2.1 脈動風(fēng)速時程的模擬方法

由陣風(fēng)功率譜模擬脈動風(fēng)速時程是確定陣風(fēng)對起塵量影響系數(shù)的關(guān)鍵，目前模擬脈動風(fēng)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(guān)點脈動風(fēng)速時程的表達(dá)式如下：

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

2.2 功率譜的選擇

首先確定脈動風(fēng)自功率譜。我國規(guī)范采用的是Davenport譜[5]，表達(dá)式如下：

式中：k為地面粗糙度系數(shù)，依據(jù)地面類型查表取值。我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》雖然將地形劃分為四類，但并未明確給出Davenport風(fēng)譜中系數(shù)k對應(yīng)每種地形的取值，參考文獻(xiàn)[9]的研究，對應(yīng)于A類地形，即近海海岸地區(qū)，本文取為0.001 29。

2.3 確定空間相關(guān)函數(shù)

我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》采用的是Shiotani提出的與頻率無關(guān)的三維空間相干函數(shù)，但相關(guān)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(fēng)速因素的Davenport相關(guān)函數(shù)，表達(dá)式如下：

3 求解風(fēng)速脈動修正系數(shù)

下面以天津港某臨近海邊的堆場為例，結(jié)合具體算例給出風(fēng)速脈動修正系數(shù)。

3.1 求解全年風(fēng)速分布概率

本文采用韋伯分布函數(shù)，其計算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)通常在0.95以上，能較好地模擬實際風(fēng)速分布。主要計算參數(shù)如下：

堆場內(nèi)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(shè)計能力4 300萬t。取得當(dāng)?shù)亟?0 a的氣象統(tǒng)計資料，全年平均風(fēng)速3.8 m/s，極大風(fēng)速36.7 m/s。

韋伯分布的概率密度函數(shù)如下：

概率分布函數(shù)為：

各風(fēng)速段概率為：

各風(fēng)速段的平均風(fēng)速為：

采用韋伯分布函數(shù)計算公式（9）~（12）計算得到當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速概率分布表如表1所示，其中98%的風(fēng)速小于13.45 m/s。

表1 風(fēng)速概率分布表Table 1 Probability distribution of wind speed

3.2 求解脈動風(fēng)速時程

AR模型的主要計算參數(shù)設(shè)置見表2。

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

將表2參數(shù)寫入MATLAB計算程序中，調(diào)用Figure命令畫出風(fēng)速時程圖和功率譜圖。這樣就得到了各點在所有風(fēng)速段下的風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速脈動修正系數(shù)

對比圖中目標(biāo)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(fēng)速時程為300 s，研究發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)速的脈動周期約為3~6 min[11]，因此本文的采樣時間長度設(shè)為5 min，符合自然風(fēng)速脈動的實際情況。

得到各平均風(fēng)速下的脈動風(fēng)速時程之后，將平均風(fēng)速和脈動風(fēng)速的和帶入公式（5）可以得到300 s內(nèi)由脈動風(fēng)速引起的起塵量，進(jìn)而線性外推至1 h的情況，可得各平均風(fēng)速下的時均起塵量，再結(jié)合風(fēng)速概率分布表計算出煤堆場的年排放總量，將結(jié)果乘以PM10的粒徑百分?jǐn)?shù)4%得到PM10年風(fēng)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(fēng)蝕排放量Table 3 Average annual discharge of PM10

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

4 結(jié)語

1）脈動風(fēng)速時程的合理模擬是得到準(zhǔn)確煤塵排放強度的關(guān)鍵，準(zhǔn)確模擬脈動風(fēng)速時程基于可靠的氣象數(shù)據(jù)，包括逐時氣象預(yù)報資料等等。本文基于AR模型模擬脈動風(fēng)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(jié)果來看，在考慮了風(fēng)速脈動之后，原本在起動風(fēng)速4.19 m/s以下的風(fēng)速段對起塵量依舊沒有貢獻(xiàn)。這和此前的預(yù)期有所不同，原因在于低風(fēng)速段首先風(fēng)速基數(shù)小，其次風(fēng)速波動也不大。

3）脈動風(fēng)速對起塵量的貢獻(xiàn)主要集中在5.47 m/s到16.43 m/s之間，這一風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)速基數(shù)與風(fēng)速波動都比較大。考慮風(fēng)速脈動的計算結(jié)果比按照平均風(fēng)速計算的結(jié)果高8%，而5.47 m/s到16.43 m/s這一風(fēng)速段產(chǎn)生的起塵量占到了增量的82%。

在更高的風(fēng)速段，由于風(fēng)速概率很小，且風(fēng)速波動也較小，所以與按照平均風(fēng)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(shù)值模擬得出風(fēng)速脈動對煤碼頭起塵量的貢獻(xiàn)，得出天津港地區(qū)煤碼頭起塵量計算的風(fēng)速脈動修正系數(shù)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(yè)，研究方向為巖土工程。E-mail：ytyyghh@163.com