利用GIS技术确定填埋场内恶臭污染源.doc

利用电子鼻与GIS技术确定填埋场内恶臭污染源
路鹏 吴世新 王桂琴 张宗正 苏昭辉 刘竞*
北京市环境设计科学研究所，100028

Abstract：The odor pollution research of landfill area is focused on conpoment and concentration changing of volatile organic compounds (VOCs) materials
摘要：有关生活垃圾卫生填埋场恶臭污染的研究集中于大气环境中的VOCs物质分析与浓度变化，而对于场界范围内的恶臭发生源判定多是依靠经验人为确定。该方法具有极大的主观性，难以对填埋场界范围内的恶臭污染强度分布及变化规律进行科学的描述。本文通过采用电子鼻与GIS技术相结合的方法，对填埋场内的恶臭污染源与扩散进行了描述。确定了填埋作业面和敞开的渗滤液提升井口是场内最主要的恶臭污染源。

前言：在我国采用的恶臭污染强度闭关是别与排放控制标准借鉴了日本的方法，对恶臭强度采三点臭袋比较法（国标），依据6名嗅辨员嗅觉结果判定臭气浓度。该方法灵敏度高，简便，但其重现性不好，分辨率不高[1]。同时，采样时与室内嗅辨时温度、湿度、气压等环境因子改变，易造成气味辨别上的差异，使得室内嗅觉判定结果与现场情况吻合不好。同时，如果当日臭气样品数量多(比如场内监测点超过50个)，工作量过大会使得实际检测难以完成。因此，该方法在填埋场多点位恶臭强度的实际检测中应用困难。而采用过去的单纯靠经验人为判定场内恶臭污染源点与强弱，虽然能够反映局部恶臭污染的情况，然而主观性较强，容易发生差错与误判。
1材料与方法
1.1填埋场的选取
首先选择曾经发生过较严重恶臭污染的填埋场，该填埋场位于北京的东郊，西北场界临近市区，东部与南部残存有部分农田与荒地。该填埋场的设计处理规模1000吨/日，设计使用寿命23年，总占地面积70公顷，其中一期填埋区占地面积29.7公顷。该填埋场盛行风向为北西与东南，冬季为西北风，夏季为东南风。随着城市化进程加快。南部逐渐建起了高档住宅区，如万象新天等。此外，北京物资学院位于填埋场的南偏东，处在填埋场盛行风的下风向位置。因此，受到了填埋场恶臭污染的明显影响。在2006年，高安屯的恶臭污染十分严重，居于下风向的北京物资学院不能上课间操，上课不能开窗，并且南部小区居民有半夜被恶臭气味熏醒的情况发生。因此，选择该生活垃圾卫生填埋场作为典型研究对象开展研究工作。

图 高安屯生活垃圾填埋场地理位置图

1.2 监测与分析方法
将填埋场平面图数字化，利用GPS对平面图上填埋场界四边的顶点进行卫星定位。利用ArcGIS软件在填埋场数字地图上，以正方形网格布点（50m×50m），共设置了1300多个网格点，实际现场检测时，考虑到工作量与绘图的要求，实际监测按照间距100m×100m的网格点进行。
选择两种静风和微风两种稳定气象条件（晴好无雨、分静风和风速<4m·s-1），采用日本FUTABA ELECTRONICS公司产NO1-B30-02型电子鼻，在白天以“S”型路线对场界范围内的网格坐标点恶臭强度进行监测，监测在4小时内完成。在取得填埋场各监测点的恶臭强度值后，利用地理信息系统软件（ArcGIS）分别采用不规则三角形网格法（TINs）与栅格法两种方法描绘恶臭等强度曲线，分析臭源与强度变化情况。

图 填埋场场界范围内的网格坐标图（50m×50m）

不规则三角网TINs（Triangulated irregular networks）和栅格法是描述表面的两种方法。
TIN采用不规则三角网上的一系列位置分布不规则的点来模拟表面，在每个点上有一个Z值。TIN表示的是彼此相邻不重叠的三角形面组成的表面。通过在一个三角形表面对高程数据（臭气强度）进行简单或多项式插值，估计任何位置的表面值。因为TIN中高程数据是通过不规则采样获得的，可以在地形变化剧烈的区域应用可变的点密度，来生成一个高效精确的表面模型。因此，采用这种方法有助于明确判别恶臭污染源极值点位置及相关系。但它只能描述测点区域范围内的恶臭污染状况。对于监测点范围之外的浓度值无法做出估计。
栅格是应用样点值或插值获得的Z值、采用具有统一步长的规则的格网来模拟表面。可以用相邻点之间插值的方法估计表面任一位置的值。它可以用来描述测点范围之外恶臭污染扩散情况。栅格表面模型的缺点是表面的不连续性，比如无法很好地表示山脊，不能精确地表示山峰等。适合于那些位置精度要求不很高以及表面特征不需要表示太精确的小比例尺的制图应用。
当进行污染物浓度、高度变化等分析时，不可能对该现象分布范围内的每点都进行测量，只能对研究区内进行采样测量，然后使用这些点数据推导整个区域，插值就是这种推导过程的一种方法。
插值就是使用有限样本值去预测未知位置值的过程。即从分布在某一区域内的一组具有已知点的样本点计算未知位置的值。未知单元与已知单元的距离影响最后的预测值。空间插值应用的原理是地理学第一定律，即任何事物之间都是相关的，距离越近相关性越大。克里格插值（Kriging）又称空间局部插值法，是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法，是地统计学的主要内容之一。南非矿产工程师D.R.Krige（1951）在寻找金矿时首次运用这种方法，法国著名统计学家G.Matheron随后将该方法理论化、系统化，命名为Kriging，即克里格方法。克里格法是根据待插值点与临近实测高程点的空间位置，对待插值点的高程值进行线性无偏最优估计， 通过生成一个关于高程的克里格插值图来表达研究区域的原始地形。总的公式是：

表示未知样点的值，表示样点周围已知样本点的值，N为已知样本点的个数；λi为第i个样本点的权重。它的确定是通过半方差图分析获取的， 根据统计学上无偏和最优的要求，利用拉格朗日极小化原理，可推导出权重值和半方差之间的公式。
克里格插值法是一种基于地统计学的插值方法，它是通过给已知的样本点赋权重来计算出未知点的预测值的。普通克里格插值的权重取决于样点的拟合模型、距预测点的距离和预测点周围点间的空间关系。
基于ArcGIS 9.2平台，利用已经测量获得的臭气浓度数值，采用克里格插值法获得未知区域的臭气浓度值。克里格插值法采用球面函数（Spherical）作为经验性半变异函数模型，通过该球面函数模型获得权重，根据实际数据分布特征，选择普通克里格插值方法（Ordinary Kriging），并采用可变搜索半径（Variable）对其进行插值分析，结果如图1所示。

等值线就是连接等值点（如高程、温度、降水、污染或大气压力）的折线，等值线的分布显示了表面上值的变化，表面值变化微小时，等值线相离较远，表面值变化急剧时，等值线距离较近，通过等值线图，可以获得相同值的点、区域的位置，并可以直观的获得某地的总体状况和分级特征，高安屯臭气浓度的等值线图如图2所示。

2结果与分析
臭源的确定

图 采用不规则三角形法描述的填埋场恶臭等强度曲线

图 采用栅格法描述的填埋场恶臭等强度曲线（示外围扩散情况）

从静风时恶臭等强度曲线可以明显看到，填埋场作业面（A点）与渗滤液提升井口（B点）是填埋场区恶臭强度最大的两个点。位于填埋区西北方的恶臭强度高的点为填埋气集气站所在位置。造成该点恶臭强度增高的原因很可能是因为集气站填埋气的泄露。

另外，对微风时填埋场恶臭分布做了初步调查分析，调查时风向为南风，风速2m/s。，通过调查发现填埋作业区（A点）仍旧是恶臭污染最严重的点。另外恶臭污染强度次高点为C点。
C点的恶臭污染可能来自于焚烧火炬的尾气排放。

图 采用不规则三角形法描述的填埋场恶臭等强度曲线

图 采用栅格法描述的填埋场恶臭等强度曲线（示恶臭扩散情况）

3结论与讨论
填埋区内的臭源为点状分布，其中作业面是强度最高的恶臭污染源，这一结果与国内学者的研究结果相吻合[2] 也与填埋场作业者的实际感觉相符。这是由于在填埋场的非作业区，垃圾已经做了比较严格的膜覆盖，作业区是垃圾的暴露面，成为恶臭的集中释放源。另外，渗滤液提升井（敞口）也是重要的恶臭污染源。其恶臭直接来自填埋堆体的渗滤液。同时填埋气收集装置的泄漏和焚烧火炬也形成了一定的恶臭释放。

1. 李松，尹辉，黎国兰，何冀川，胡常伟, 气相色谱法测定污染空气中恶臭硫化物. 理化检验(化学分册), 2007. 43(7): p. 582-584.
2. 梁顺文, 生活垃圾填埋场恶臭污染控制技术与对策. 环境卫生工程, 2008. 16(2): p. 56-59.