垃圾填埋場惡臭污染統(tǒng)計(jì)分析及預(yù)報(bào)方程建立

吳 洋，趙 玥，孫樹鵬，廖云琛

(天津市津南區(qū)氣象局 天津 300350)

0 引 言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市人口不斷增加，生活垃圾產(chǎn)量劇增。與此同時(shí)，我國城市生活垃圾分類處理體系尚未健全，填埋方式粗放，垃圾散發(fā)出的惡臭氣體嚴(yán)重危害周邊居民身心健康，已成為政府和社會公眾高度關(guān)注的問題[1]。國內(nèi)外有大量學(xué)者針對垃圾填埋場惡臭氣體成分等方面開展研究討論，指出硫化氫、氨氣、甲硫醇等是產(chǎn)生惡臭的主要?dú)怏w[2-3]。惡臭污染物主要是由填埋區(qū)的暴露作業(yè)面和填埋堆體產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致垃圾填埋場周邊惡臭污染嚴(yán)重[4]。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)惡臭氣體污染與氣象條件關(guān)系密切，氣象要素不僅影響惡臭污染物的生成，往往也影響著惡臭污染物的稀釋、擴(kuò)散、輸送等過程。紀(jì)華等[5]的研究表明惡臭污染主要惡臭氣體硫化氫濃度具有明顯的季節(jié)變化，在夏季及秋季硫化氫濃度明顯升高，除與垃圾成分有關(guān)外，還與氣溫具有明顯關(guān)系。除氣溫外，在惡臭氣體輸送過程中，區(qū)域風(fēng)場分布狀況也是影響空氣質(zhì)量的重要因素[6]。風(fēng)在邊界層內(nèi)影響污染物的稀釋與擴(kuò)散，風(fēng)速有助于污染物水平輸送和擴(kuò)散[7]，風(fēng)向則決定著大氣污染物濃度的分布[8]。地面風(fēng)場的變化很大程度上取決于大氣環(huán)流形勢的變化，因此，應(yīng)將環(huán)流場分布視為另一個(gè)影響垃圾填埋場周邊惡臭污染的氣象因素。李新令[9]和鄭秀美等[10]認(rèn)為如果某地長期受移動緩慢的高壓控制就會造成該地風(fēng)速小和穩(wěn)定層結(jié)的天氣特點(diǎn)，不利于污染物的稀釋和擴(kuò)散；陳朝暉等[11]對一次重污染過程的大尺度天氣型分析發(fā)現(xiàn)，持續(xù)存在的均壓場是造成重污染濃度累積的主要背景場；鄧芳等[12]研究發(fā)現(xiàn)在實(shí)際的大氣環(huán)境中除了風(fēng)速、風(fēng)向等對惡臭污染起重要作用外，空氣濕度也影響污染物在大氣中的擴(kuò)散；Guo H等[13]研究發(fā)現(xiàn)大氣穩(wěn)定度對惡臭污染具有影響，惡臭在穩(wěn)定的大氣中及低風(fēng)速條件下能跨越更長更寬的距離。

國內(nèi)外許多學(xué)者針對氣象條件對垃圾填埋場惡臭污染物的影響進(jìn)行了研究，多為各氣象要素對惡臭污染物影響的定性結(jié)論，針對惡臭污染物定量研究較少。本文以天津市津南區(qū)大韓莊垃圾填埋場為例，利用2019年5月14日至8月13日OU值和相應(yīng)時(shí)段的氣象要素地面觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)相關(guān)分析和主成分分析，詳細(xì)闡述臭氣濃度OU值與各氣象要素的關(guān)系，篩選與惡臭污染物積累、擴(kuò)散有關(guān)的氣象因子，建立惡臭污染物統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方程。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文所用數(shù)據(jù)為2020年5月14日至9月9日大韓莊垃圾填埋場OU值；同期津南區(qū)八里臺區(qū)域氣象觀測站觀測的氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫和相對濕度等氣象要素；美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的全球同期02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)和20時(shí)(北京時(shí)間，下同)高空風(fēng)場、位勢高度場和海平面氣壓場，格點(diǎn)分辨率為2.5°×2.5°；歐洲中心提供的全球同期02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)和20時(shí)低云量及總云量，分別率為0.25°×0.25°。

1.2 分析方法

1.2.1 帕斯圭爾-特納爾方法

根據(jù)太陽高度角、云量確定輻射等級，然后再由輻射等級和風(fēng)速將大氣穩(wěn)定度分為6個(gè)等級：1為極不穩(wěn)定、2為不穩(wěn)定、3為弱不穩(wěn)定、4為中性、5為弱穩(wěn)定、6為穩(wěn)定。

1.2.2 Lamb-Jenkinson分型方法

利用Lamb-Jenkinson 客觀分型方法[14-16](下文簡稱為L-J分型法)對津南區(qū)每日02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)和20時(shí)海平面氣壓場進(jìn)行客觀定量的環(huán)流分型。本文在每隔5個(gè)緯度、10個(gè)經(jīng)度的網(wǎng)格上取一個(gè)差分格點(diǎn)，共計(jì)16個(gè)格點(diǎn)。本文以(117°E，39°N)為中心點(diǎn)，選取100°—130°E、30°—50°N為研究范圍。

在該研究范圍內(nèi)，利用差分公式由16個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的日平均海平面氣壓值計(jì)算中心點(diǎn)的地轉(zhuǎn)渦度和地轉(zhuǎn)風(fēng)，并根據(jù)地轉(zhuǎn)風(fēng)和地轉(zhuǎn)渦度關(guān)系將大氣環(huán)流分為26類。

2 結(jié)果分析

2.1 OU值日變化

惡臭污染除受垃圾自身產(chǎn)生的惡臭氣體有關(guān)外，還與氣象要素密切聯(lián)系，氣象要素影響惡臭氣體的生成、輸送和擴(kuò)散。氣溫、相對濕度等氣象要素具有明顯日變化，本文為探究OU值是否具有明顯日變化進(jìn)行了研究。圖1為OU值日變化情況，可見津南區(qū)大韓莊垃圾填埋場OU值具有明顯日變化，呈明顯單峰型，峰值出現(xiàn)在每日00時(shí)至06時(shí)，07時(shí)OU值迅速下降，14時(shí)達(dá)到最低值，15時(shí)OU值迅速升高。

圖1 OU值日變化 Fig.1 Diurnal change of OU value

2.2 L-J環(huán)流分型分析

本文采用L-J分型方法對津南區(qū)2020年5月 14日至8月13日每日02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)和20時(shí)大氣環(huán)流進(jìn)行客觀分型，如圖2所示，W型、SW型、A 型和NW型等10類大氣環(huán)流型出現(xiàn)頻率超過3%，占所有環(huán)流型的83.2%。因此，通過對前10類大氣環(huán)流型進(jìn)行研究可以較好地代表津南區(qū)該時(shí)段內(nèi)大氣環(huán)流。

圖2 2020年5月14日至8月13日津南區(qū)大氣環(huán)流型發(fā)生頻率 Fig.2 Frequency of atmospheric circulation types in Jinnan from May 14 to August 13，2020

為進(jìn)一步研究前10類大氣環(huán)流對OU值的影響，分別統(tǒng)計(jì)02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)和20時(shí)前10類大氣環(huán)流型出現(xiàn)時(shí)OU值的變化情況。由圖3可見，各大氣環(huán)流型均在02時(shí)OU值最高，14時(shí)OU值最低，08時(shí)和20時(shí)OU值介于14時(shí)和02時(shí)之間，與OU值日變化一致。02時(shí)SW型和A型OU值較高，14時(shí)ASW旋型和SE型OU值較高，08時(shí)和20時(shí)分別為AW型和ASW型OU值較高。

圖3 02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)和20時(shí)各大氣環(huán)流型出現(xiàn)時(shí)OU值 Fig.3 OU value in different circulation types at 02:00,08:00, 14:00 and 20:00

不同的大尺度大氣環(huán)流對污染物擴(kuò)散具有不同影響，為進(jìn)一步研究大氣環(huán)流對惡臭氣體擴(kuò)散的影響，對前10類大氣環(huán)流對惡臭氣體擴(kuò)散的影響進(jìn)行研究，篩選出不宜于臭氣擴(kuò)散的大氣環(huán)流型。圖4給出了前10類大氣環(huán)流型下OU平均值，可見當(dāng)出現(xiàn)W型、SW型、A型、C型、ASW和AW型6類大氣環(huán)流型時(shí)，OU值高于平均值，表示該6類大氣環(huán)流型不利于惡臭氣體擴(kuò)散，易造成本地累積形成惡臭 污染。

圖4 各大氣環(huán)流型下OU平均值及OU值 Fig.4 Average OU values and OU values under different circulation types

2.3 相關(guān)性分析

國內(nèi)外學(xué)者針對氣象要素對垃圾填埋場惡臭污染物開展了很多研究，為進(jìn)一步揭示氣象要素對津南區(qū)大韓莊垃圾填埋場惡臭污染物擴(kuò)散的影響，統(tǒng)計(jì)了OU值與各氣象要素的相關(guān)性。

表1列出了大韓莊垃圾填埋場OU值與氣象要素相關(guān)性。氣溫、風(fēng)速與OU值具有明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，OU值隨著氣溫升高、風(fēng)速加大而減小；相對濕度及大氣穩(wěn)定度與OU值具有明顯正相關(guān)，表明OU值隨著相對濕度和大氣穩(wěn)定度的增加而增大。氣溫、相對濕度、風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度均通過0.001信度檢驗(yàn)。風(fēng)向和氣壓與OU值相關(guān)性不顯著；相對濕度與OU值相關(guān)系數(shù)最高(0.62)，大氣穩(wěn)定度和氣溫與OU值相關(guān)系數(shù)次之(分別為0.52和-0.48)，風(fēng)向和氣壓與OU值相關(guān)系數(shù)相對較低(分別為0.08和0.09)。

表1 氣象要素與OU值相關(guān)系數(shù) Tab.1 Correlation coefficient between meteorological elements and OU valu e

2.4 建立統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方程

主成分分析方法是一種將多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析方法。它對于分析多指標(biāo)的大量數(shù)據(jù)以了解數(shù)據(jù)間的關(guān)系及趨勢是一種很有效的方法。在進(jìn)行主成分分析前需進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和Bartlett球性檢驗(yàn)。KMO檢驗(yàn)是用于比較變量間簡單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)的指標(biāo)。通過計(jì)算KMO檢驗(yàn)值為0.848，適合進(jìn)行主成分分析；Bartlett球性檢驗(yàn)結(jié)果為P＜0.001，說明數(shù)據(jù)呈球形分布，各個(gè)變量在一定程度上相關(guān)，適合進(jìn)行主成分分析。

主成分分析按氣象要素和OU值進(jìn)行分析，其特征值見表2。第一主成分的特征值為2.615，前4個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)79%以上，故選取前4個(gè)主成分。用表3中列出的特征向量值即可對選取的主成分進(jìn)行解釋。

表2 相關(guān)系數(shù)矩陣特征值及貢獻(xiàn)率 Tab.2 Eigenvalues and contribution rates

表3 特征值對應(yīng)的特征向量 Tab.3 Eigenvectors corresponding to eigenvalues

第一主成分反映的是溫度、濕度的綜合，第二主成分代表風(fēng)速指標(biāo)，第三主成分代表大氣穩(wěn)定度指標(biāo)，第四主成分代表氣壓指標(biāo)。主成分分析表明溫度、濕度、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度和氣壓對大韓莊垃圾填埋場OU值的影響比較大。通過上一節(jié)分析可知，氣溫、相對濕度、風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度與OU值具有明顯正負(fù)相關(guān)性。因此，綜合考慮選取了氣溫、相對濕度、風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度作為回歸方程自變量，OU值作為因變量，回歸方程如表4所示。

表4 統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方程 Tab.4 Statistical prediction equation

表中，1X～2X分別為氣溫、相對濕度、風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度。對各系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，顯著性概率P值均小于0.001，說明各主成分對因變量OU值的影響作用均很顯著。

通過2020年5月14日至8月13日氣象要素驗(yàn)證，回歸方程準(zhǔn)確率為92.15%，從圖5中可以看出回代值可以較好地反映OU值變化趨勢，但是針對OU值極值模擬較差。為進(jìn)一步驗(yàn)證回歸方程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，本文對2021年8月14日至9月9日OU值進(jìn)行預(yù)測，回歸方程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為85.42%，但是OU值的 預(yù)報(bào)值明顯偏高，如圖6所示。

圖5 2020年5月14日至8月13日OU觀測值和回代值 Fig.5 OU observation and regression from May 14 to August 13，2020

圖6 2020年8月14日至9月9日OU觀測值和預(yù)報(bào)值 Fig.6 OU observation and predicted value from August 14 to September 9，2020

3 結(jié) 論

①津南區(qū)大韓莊垃圾填埋場OU值具有明顯日變化規(guī)律，OU值呈明顯單峰型，峰值出現(xiàn)在每日 00時(shí)至06時(shí)。

②西風(fēng)型、西南風(fēng)型、反氣旋型和西北風(fēng)型等 10類大氣環(huán)流型出現(xiàn)頻率占所有環(huán)流型的83.2%。

③當(dāng)出現(xiàn)西風(fēng)型、西南風(fēng)型、反氣旋型、氣旋型、西南風(fēng)反氣旋型和西風(fēng)反氣旋型6類大氣環(huán)流型時(shí)不利于惡臭氣體擴(kuò)散，易造成本地累積。

④氣溫、風(fēng)速與OU值具有明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，相對濕度及大氣穩(wěn)定度與OU值具有明顯正相關(guān)關(guān)系。 ⑤通過主成分分析和相關(guān)性檢驗(yàn)選取氣溫、相對濕度、風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度等氣象要素建立OU值的回歸方程，該方程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為85.42%，OU值的預(yù)報(bào)值明顯偏高。