垃圾填埋场恶臭污染统计分析及预报方程建立

吴 洋，赵 玥，孙树鹏，廖云琛

(天津市津南区气象局 天津 300350)

0 引 言

近年来，随着我国城市化进程的加快，城市人口不断增加，生活垃圾产量剧增。与此同时，我国城市生活垃圾分类处理体系尚未健全，填埋方式粗放，垃圾散发出的恶臭气体严重危害周边居民身心健康，已成为政府和社会公众高度关注的问题[1]。国内外有大量学者针对垃圾填埋场恶臭气体成分等方面开展研究讨论，指出硫化氢、氨气、甲硫醇等是产生恶臭的主要气体[2-3]。恶臭污染物主要是由填埋区的暴露作业面和填埋堆体产生，进而导致垃圾填埋场周边恶臭污染严重[4]。还有学者研究发现恶臭气体污染与气象条件关系密切，气象要素不仅影响恶臭污染物的生成，往往也影响着恶臭污染物的稀释、扩散、输送等过程。纪华等[5]的研究表明恶臭污染主要恶臭气体硫化氢浓度具有明显的季节变化，在夏季及秋季硫化氢浓度明显升高，除与垃圾成分有关外，还与气温具有明显关系。除气温外，在恶臭气体输送过程中，区域风场分布状况也是影响空气质量的重要因素[6]。风在边界层内影响污染物的稀释与扩散，风速有助于污染物水平输送和扩散[7]，风向则决定着大气污染物浓度的分布[8]。地面风场的变化很大程度上取决于大气环流形势的变化，因此，应将环流场分布视为另一个影响垃圾填埋场周边恶臭污染的气象因素。李新令[9]和郑秀美等[10]认为如果某地长期受移动缓慢的高压控制就会造成该地风速小和稳定层结的天气特点，不利于污染物的稀释和扩散；陈朝晖等[11]对一次重污染过程的大尺度天气型分析发现，持续存在的均压场是造成重污染浓度累积的主要背景场；邓芳等[12]研究发现在实际的大气环境中除了风速、风向等对恶臭污染起重要作用外，空气湿度也影响污染物在大气中的扩散；Guo H等[13]研究发现大气稳定度对恶臭污染具有影响，恶臭在稳定的大气中及低风速条件下能跨越更长更宽的距离。

国内外许多学者针对气象条件对垃圾填埋场恶臭污染物的影响进行了研究，多为各气象要素对恶臭污染物影响的定性结论，针对恶臭污染物定量研究较少。本文以天津市津南区大韩庄垃圾填埋场为例，利用2019年5月14日至8月13日OU值和相应时段的气象要素地面观测数据，经相关分析和主成分分析，详细阐述臭气浓度OU值与各气象要素的关系，筛选与恶臭污染物积累、扩散有关的气象因子，建立恶臭污染物统计预报方程。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文所用数据为2020年5月14日至9月9日大韩庄垃圾填埋场OU值；同期津南区八里台区域气象观测站观测的气压、风向、风速、气温和相对湿度等气象要素；美国环境预报中心(NCEP)提供的全球同期02时、08时、14时和20时(北京时间，下同)高空风场、位势高度场和海平面气压场，格点分辨率为2.5°×2.5°；欧洲中心提供的全球同期02时、08时、14时和20时低云量及总云量，分别率为0.25°×0.25°。

1.2 分析方法

1.2.1 帕斯圭尔-特纳尔方法

根据太阳高度角、云量确定辐射等级，然后再由辐射等级和风速将大气稳定度分为6个等级：1为极不稳定、2为不稳定、3为弱不稳定、4为中性、5为弱稳定、6为稳定。

1.2.2 Lamb-Jenkinson分型方法

利用Lamb-Jenkinson 客观分型方法[14-16](下文简称为L-J分型法)对津南区每日02时、08时、14时和20时海平面气压场进行客观定量的环流分型。本文在每隔5个纬度、10个经度的网格上取一个差分格点，共计16个格点。本文以(117°E，39°N)为中心点，选取100°—130°E、30°—50°N为研究范围。

在该研究范围内，利用差分公式由16个网格点的日平均海平面气压值计算中心点的地转涡度和地转风，并根据地转风和地转涡度关系将大气环流分为26类。

2 结果分析

2.1 OU值日变化

恶臭污染除受垃圾自身产生的恶臭气体有关外，还与气象要素密切联系，气象要素影响恶臭气体的生成、输送和扩散。气温、相对湿度等气象要素具有明显日变化，本文为探究OU值是否具有明显日变化进行了研究。图1为OU值日变化情况，可见津南区大韩庄垃圾填埋场OU值具有明显日变化，呈明显单峰型，峰值出现在每日00时至06时，07时OU值迅速下降，14时达到最低值，15时OU值迅速升高。

图1 OU值日变化 Fig.1 Diurnal change of OU value

2.2 L-J环流分型分析

本文采用L-J分型方法对津南区2020年5月 14日至8月13日每日02时、08时、14时和20时大气环流进行客观分型，如图2所示，W型、SW型、A 型和NW型等10类大气环流型出现频率超过3%，占所有环流型的83.2%。因此，通过对前10类大气环流型进行研究可以较好地代表津南区该时段内大气环流。

图2 2020年5月14日至8月13日津南区大气环流型发生频率 Fig.2 Frequency of atmospheric circulation types in Jinnan from May 14 to August 13，2020

为进一步研究前10类大气环流对OU值的影响，分别统计02时、08时、14时和20时前10类大气环流型出现时OU值的变化情况。由图3可见，各大气环流型均在02时OU值最高，14时OU值最低，08时和20时OU值介于14时和02时之间，与OU值日变化一致。02时SW型和A型OU值较高，14时ASW旋型和SE型OU值较高，08时和20时分别为AW型和ASW型OU值较高。

图3 02时、08时、14时和20时各大气环流型出现时OU值 Fig.3 OU value in different circulation types at 02:00,08:00, 14:00 and 20:00

不同的大尺度大气环流对污染物扩散具有不同影响，为进一步研究大气环流对恶臭气体扩散的影响，对前10类大气环流对恶臭气体扩散的影响进行研究，筛选出不宜于臭气扩散的大气环流型。图4给出了前10类大气环流型下OU平均值，可见当出现W型、SW型、A型、C型、ASW和AW型6类大气环流型时，OU值高于平均值，表示该6类大气环流型不利于恶臭气体扩散，易造成本地累积形成恶臭 污染。

图4 各大气环流型下OU平均值及OU值 Fig.4 Average OU values and OU values under different circulation types

2.3 相关性分析

国内外学者针对气象要素对垃圾填埋场恶臭污染物开展了很多研究，为进一步揭示气象要素对津南区大韩庄垃圾填埋场恶臭污染物扩散的影响，统计了OU值与各气象要素的相关性。

表1列出了大韩庄垃圾填埋场OU值与气象要素相关性。气温、风速与OU值具有明显负相关关系，OU值随着气温升高、风速加大而减小；相对湿度及大气稳定度与OU值具有明显正相关，表明OU值随着相对湿度和大气稳定度的增加而增大。气温、相对湿度、风速和大气稳定度均通过0.001信度检验。风向和气压与OU值相关性不显著；相对湿度与OU值相关系数最高(0.62)，大气稳定度和气温与OU值相关系数次之(分别为0.52和-0.48)，风向和气压与OU值相关系数相对较低(分别为0.08和0.09)。

表1 气象要素与OU值相关系数 Tab.1 Correlation coefficient between meteorological elements and OU valu e

2.4 建立统计预报方程

主成分分析方法是一种将多个指标化为少数几个不相关的综合指标的统计分析方法。它对于分析多指标的大量数据以了解数据间的关系及趋势是一种很有效的方法。在进行主成分分析前需进行KMO检验和Bartlett球性检验。KMO检验是用于比较变量间简单相关系数和偏相关系数的指标。通过计算KMO检验值为0.848，适合进行主成分分析；Bartlett球性检验结果为P＜0.001，说明数据呈球形分布，各个变量在一定程度上相关，适合进行主成分分析。

主成分分析按气象要素和OU值进行分析，其特征值见表2。第一主成分的特征值为2.615，前4个主成分的累积贡献率达79%以上，故选取前4个主成分。用表3中列出的特征向量值即可对选取的主成分进行解释。

表2 相关系数矩阵特征值及贡献率 Tab.2 Eigenvalues and contribution rates

表3 特征值对应的特征向量 Tab.3 Eigenvectors corresponding to eigenvalues

第一主成分反映的是温度、湿度的综合，第二主成分代表风速指标，第三主成分代表大气稳定度指标，第四主成分代表气压指标。主成分分析表明温度、湿度、风速、大气稳定度和气压对大韩庄垃圾填埋场OU值的影响比较大。通过上一节分析可知，气温、相对湿度、风速和大气稳定度与OU值具有明显正负相关性。因此，综合考虑选取了气温、相对湿度、风速和大气稳定度作为回归方程自变量，OU值作为因变量，回归方程如表4所示。

表4 统计预报方程 Tab.4 Statistical prediction equation

表中，1X～2X分别为气温、相对湿度、风速和大气稳定度。对各系数进行t检验，显著性概率P值均小于0.001，说明各主成分对因变量OU值的影响作用均很显著。

通过2020年5月14日至8月13日气象要素验证，回归方程准确率为92.15%，从图5中可以看出回代值可以较好地反映OU值变化趋势，但是针对OU值极值模拟较差。为进一步验证回归方程预报准确性，本文对2021年8月14日至9月9日OU值进行预测，回归方程预报准确率为85.42%，但是OU值的 预报值明显偏高，如图6所示。

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

图6 2020年8月14日至9月9日OU观测值和预报值 Fig.6 OU observation and predicted value from August 14 to September 9，2020

3 结 论

①津南区大韩庄垃圾填埋场OU值具有明显日变化规律，OU值呈明显单峰型，峰值出现在每日 00时至06时。

②西风型、西南风型、反气旋型和西北风型等 10类大气环流型出现频率占所有环流型的83.2%。

③当出现西风型、西南风型、反气旋型、气旋型、西南风反气旋型和西风反气旋型6类大气环流型时不利于恶臭气体扩散，易造成本地累积。

④气温、风速与OU值具有明显负相关关系，相对湿度及大气稳定度与OU值具有明显正相关关系。 ⑤通过主成分分析和相关性检验选取气温、相对湿度、风速和大气稳定度等气象要素建立OU值的回归方程，该方程预报准确率为85.42%，OU值的预报值明显偏高。