荒漠区典型露天煤矿粉尘扩散模拟研究

摘要

煤炭作为当今世界经济中与石油、天然气并存的三大支柱能源之一，在未来相当长的时期内，以煤炭为主的能源供应格局难以改变，煤炭资源开发面临的环境保护形势也更加严峻，特别是在荒漠区，露天煤矿的开发对自身及周边大气环境等造成一定影响。露天煤矿开采过程中的粉尘随风飘扬，若缺少相应的保护和净化设施，释放的粉尘除导致大气质量下降。新疆维吾尔自治区准东煤田五彩湾矿区，已探明可采储量约为117亿吨。该矿区煤质优良，是我国重要的动力煤和化工用煤基地之一。随着该煤矿的大量开采，矿区及其周边的空气污染问题应该引起我们的关注。
　　本文采用中尺度气象模型(MM5)和空气质量预测模型(CALPUFF)来模拟五彩湾矿区中空气中粉尘浓度，同时分析了影响环境空气粉尘浓度的主要因素。空气质量模型CALPUFF对输入源强有规定，需要对排放源强进行分类和整理:将煤矿的打眼爆破设置为瞬时面源;将露天煤矿本身，这种面积大但排放高度较低、量较小的排放源设为面源（煤炭装卸源强为方便计算也归于此）;将煤的道路运输起尘根据相关的规范设为线源。然后根据各类源强估算方法，进行源强大小估算;耦合气象诊断模型(CALMET)和中尺度气象预测模型(MM5)模拟研究区域内的气象场，同时分析矿区的气象特征。以1、4、7、10为代表月代表四季，使用CALPUFF模拟随时间的分布，矿区的粉尘浓度变化情况，同时分析粉尘的浓度特征以与气象的关系。
　　风场模拟的矿区四季平均风速中，冬季＞春季＞夏季＞秋季;矿区各季节西风和东风的概率最高，次主导风向为西北风;夏季在0点至4点有逆温的存在，但只有几十米的厚度;由于冬季空气的竖向混合能力不强，且逆温层厚度很大、同时维持时间较长，所以冬季较夏季相比会不利于污染物的竖向扩散;在不同季节时，变化较大的是最大混合层高度，夏季时混合层最高为2500m以上，冬季时只有200m左右，对于日变化特征基本一致;矿区四季温差较大，夏季和冬季最高温和最低温最大相差37°℃，并且昼夜温差在10℃以上。
　　在典型小时2012年7月11日21时，主要是风速较大且持续扬起，并且气温较高，使洒水降尘等一些抑尘措施达不到应有的效果，加上混合层高度较低，极不利于粉尘的向外扩散，故使得这一时刻粉尘浓度达到了较高值。典型日是10月31日，造成当天粉尘浓度在某些区域偏高的主要原因是，持续的低风速，和混合层高度全天高度基本都小于秋季平均值，不利于污染物在水平方向的扩散。对于四季的平均浓度，呈现出矿区粉尘浓度从大到小依次为秋季＞夏季＞春季＞冬季，这主要和气象条件及开采能力有关。对于粉尘浓度的日均值，经过模拟，发现有些点位达标，但有些点位超标，这主要和模拟点的位置及粉尘扩散能力有关。
　　为了减少矿区粉尘污染对自身和周边环境尤其是保护区的影响，应该采取一些有效的抑尘措施，在现有的洒水抑尘和挡风抑尘墙（网）之外，还可以采取化学抑尘法、泡沫除尘等方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究的目的及意义

1．2．1 研究的目的

1．2．2 研究的意义

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 建设项目所在区域环境概况

1．4．1 地理位置

1．4．2 自然环境概况地形地貌

1．4．3 区域水文及水文地质概况

1．4．4 气象

1．4．5 社会经济概况

1．4．6 矿区周围的自然保护区概况

1．5 国内外研究现状

1．5．1 国外研究现状

1．5．2 国内的研究现状

第2章 模型简介

2．1 空气质量耦合模拟研究

2．1．1 中尺度气象数值模型

2．1．2 空气质量模型

2．2 MM5模型系统介绍

2．2．1 MM5模型耦合模拟过程简介

2．2．2 MM5模式基本方程

2．3 CALPUFF模拟系统的组成

2．3．1 CALMET模块

2．3．2 CALPUFF系统模块

2．4 本章小结

第3章 污染排放来源分析

3．1 排放源的研究现状

3．1．1 矿坑采煤产尘源强估算

3．1．2 矿坑爆破产尘源强估算

3．1．3 煤炭运输道路产尘

3．1．4 煤堆、排土场产尘

3．1．5 物料装车时机械落差产尘

3．1．6 自卸汽车卸料起尘

3．2 排放源空间分析

3．3 排放源输入简表

3．4 本章小结

第4章 气象条件模拟及成果分析

4．1 气象条件模拟方案

4．1．1 中尺度气象背景场

4．1．2 CALMET诊断气象场

4．2 矿区气象要素分析成果

4．2．1 风

4．2．2 温度层结分析

4．2．3 混合层高度分析

4．2．4 气温

4．3 本章小结

第5章 矿区PM10浓度模拟和分析

5．1 模拟方案

5．1．1 模拟范围

5．1．2 模拟方案的时间参数

5．1．3 模拟方案排放源的参数设置

5．2 模拟的结果校核验证

5．3 模拟结果分析

5．3．1 典型小时浓度与气象条件关系分析

5．3．2 典型日浓度与气象条件关系分析

5．3．3 四季粉尘浓度平均值比较

5．3．4 四季日平均浓度值

5．4 本章小结

第6章 矿区粉尘污染防治措施

6．1 矿区现有抑尘措施

6．1．1 洒水抑尘

6．1．2 挡风抑尘强(网)

6．2 可采取的抑尘技术措施

6．2．1 化学抑尘技术

6．2．2 泡沫除尘

6．2．3 其它抑尘技术措施

6．2．4 本章小结

第7章 结论

7．1 结论

7．2 研究成果意义

7．3 展望

附图

参考文献

致谢

作者简历