山地风象对矿山总图布置的影响研究

2022-11-04苏高飞

现代矿业 2022年10期

苏高飞

（中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司）

矿山生产中存在的废水、废气、废渣等污染源，会对其他车间、生活区造成环境影响。通常总图布置采用“污染源布置在人员密集、环境要求洁净的生产区或辅助生产区最小风频的上风向”。但是，这种普适性的规范要求相对于地形复杂的山区总图布置显然不准确。部分矿山企业由于不合理的总图布置，已经对企业生产环境造成较大影响，而且这种影响一般是不可逆的。

但随着社会的不断进步和发展，节能环保的意识也越来越强，从绿色环保的角度考虑矿山总图布置，符合当下对于工业企业绿色发展的要求。本研究拟从总图专业的角度，研究矿山企业环境问题，分析影响污染的风象、地理因素，掌握污染物扩散的一般规律，特别是由于地形或地面状况复杂而形成的局地风，在厂址选择和总平面图布置中，充分利用有利条件，克服其不利因素，进行合理的功能分区，以缓解企业生产与生态环境保护之间的矛盾［1-5］。

1 山地局部地方风及特征分析

山地大气近地面层的风场主要是地形风，在地形风上面是梯度风。梯度风是距地面100～1 500 m高度的风，不受地面摩擦作用的影响，它是与大范围的天气系统相伴的风场，其风向在几十公里至几百公里范围内基本相同。而由地形或地面状况比较复杂所形成的局地风却不然，局地风本身有其独特的特征。现将山地局地风的特征介绍如下。

（1）山谷风、上下坡风。这是山区与平原交界处的一种地方性风。夜间，山坡放热较山谷快，谷地辐射冷却较迟，致使山上气压较谷底高，使得冷而重的山坡空气沿山坡向谷底流动，结果在山谷汇成一股由山谷流入平原的气流，形成“山风”、“出山风”和“下坡风”；白天，情况正相反，形成“谷风”、“进山风”和“上坡风”。

（2）过山气流。由于地形阻碍作用，使气流场发生局地变化而产生过山气流。气流受山峰阻挡，在山的迎风面流线密集，过山后流线稀疏，产生流线下滑作用，在背风坡产生气流下泻和尾流混合。

2 风象对山区矿山总图布置的影响

有色金属矿山企业大多位于地形复杂的山地地区，企业生产过程中污染源较多，一般包含露天采场、排土场、尾矿库以及原矿堆场等。根据山区特有风象进行合理的总图布置，在改善环境与节约能耗2个方面的作用尤为重要。

2.1 风象对厂址地区环境的影响分析

在谷深沟大的山区建厂时应综合考虑风象、地形、污染源三者之间的关系，总图布置中，利用协调好相互之间的关系，是创建厂址良好环境的基础条件。

2.1.1 山谷风

山谷风对污染物的传送有明显的影响，若在山沟中建立污染源排放点，晚上山风会使污染物汇集在山脚附近，并随着山风向山谷外扩散，因此在山风下游方向地区受到的污染机会较大。故应尽量避免将生活区以及办公区布置在山谷外部较低处或窝风地带。

例如云南某矿山企业，在项目施工期间，将施工队的临时住宿场地布置在山谷外部一处开阔地带，此处用地范围、地形坡度以及厂区内外部交通联系等都具备很大的优势，符合一般地区厂址选址的基本原则。但是本项目位于山谷地带，此处山谷风对气流影响比较明显，晚上山沟内采矿工业场地产生的污染物在山风的作用下汇集于施工队临时住宿场地，此时正值工人休息时段，人员密集，对施工人员住宿环境及身体健康造成消极的影响。白天施工时段，山沟气流又转变为谷风，新鲜干净的空气由沟外吹向沟内。实践证明，处于山区地形复杂的矿山项目，要想有针对性地解决矿山生产与环境之间的关系，必须在总图布置时根据当地的风向玫瑰图并结合矿区所在位置的地形地势产生的局地环流因素，分时段确定风向类型及布置模式，认真分析污染源与山谷风白天、晚上不同风向的关系，这样才能更好地服务于矿山企业的生产。

2.1.2 过山气流

过山气流的流线形式如图1所示，受过山气流在背风坡下沉的影响，在北侧靠山区域形成涡流。例如甘肃某金矿，排土场与选厂分布在高大山梁两侧的沟谷内，由于该地区植被覆盖率较差，特别是秋冬季节，大风袭扰排土场，使得粉尘迎风扩散，而选厂（方案一）基本位于山梁另一侧的窝风地段，因此，每遇刮风时厂区经常被沙尘笼罩，环境受到极大影响。这种由于未准确分析周边气流运动方向所造成的厂区环境污染一般属于不可逆的，该矿山企业尝试排土场散水，运输道路增加喷淋等设施来减少排土场对厂区的影响，但是结果都不理想。

分析证明，若选厂（方案一）能向北偏移一定距离（方案二），可有效解决厂区环境污染问题，现场踏勘时也发现方案二地表植被尘土堆积明显少于方案一。在总图设计中，若山沟建设产生大量污染物的建（构）筑物时，应避免靠近山脚，选址应适当远离窝风地带，将污染物顺风扩散到厂址以外。

2.1.3 谷风下沉

在一些通风不良地区，不宜作为排放污染物的厂址。如高度大于400 m的山谷和全年静风频率超过40%的地区，污染物不易排出，在不断积累下，必将超过卫生标准，甚至发生烟雾事件，危及在厂职工生命安全。

从严格意义上说，存在静止风型特点的地区不宜安排危险大、污染重的工业企业。若因为工艺生产或用地等情况的限制，总图布置时应该使生活区处在安全边界之外。一般建议是生活区应在污染源有效高度10～20倍远以外。

2.2 风象对厂房节能的影响分析

有色金属矿山厂房存在尘、热、烟三大特点，其自然通风条件对改善厂房内外环境非常重要，同时厂房的方位与风象的关系也将对除烟尘、散热等设施能耗有一定影响。

总图布置时应特别注意原料堆场、破碎车间、筛分车间等这些烟尘较大的厂房与生活区及变电站洁净度要求高的建筑方位关系。应将有污染源车间布置在洁净生产区的最小风频上风侧，以减少生产对厂区环境影响。布置U形厂房应与盛行风向呈0°～45°夹角，并且开口应朝向盛行风向，以穿堂风为主的热车间长轴宜与夏天白天盛行风垂直，在地形复杂的山区宜与谷风垂直布置，有利于厂房的通风散热。

2.2.1 生产设备对厂区环境的要求

矿山项目中，一部分工艺车间设备产生高温，总图布置时应选择通风效果较好且应避免阳光的直射，这样有利于散热和设备的维护，延长设备使用周期。根据一般热车间布置原则要求厂房的通风应满足以下2点，一是空气的对流，二是气流入射角角度，即厂房长轴方向与当地主导风向的夹角应尽量接近90°为宜。但是矿山企业基本位于偏远山区，区域内气流方向与风玫瑰所反映的方向有所不同，有时甚至相反。

例如江西某矿山企业，采矿工业场地附近布置空压机房，设计之初为避免太阳的西晒，选址于山坡北侧，但是从风玫瑰图显示厂房与盛行风向夹角小于25°，业主担心不能达到通风散热的效果。现场踏勘时发现，8月当地气候特点相对湿热，由于空压机房位于山区沟谷内，白天谷风盛行，且与空压机房基本垂直，有较好的通风效果，遂消除了业主顾虑，依旧采用靠近北侧山坡方案。

实践证明，在矿山总图布置时，是否能够较好地运用节能的观念布置厂房，其中山谷风与热车间的夹角是设计人员必须考虑的一个重要因素，而热车间与谷风垂直是一种比较节能的布置方式。

2.2.2 空气流动对厂房的影响

当热车间及“烟尘”车间迎风面有遮挡物时，应适当加大之间的距离，避免影响通风散热效果，减少耗能。此外，在受局部地形地貌影响而会产生窝风的地块，也不宜布置这类“烟尘”车间。

北方寒冷地方冬季大风会对建筑的保暖造成不利影响。首先，总图布置中应避免将厂区布置在风口，减少寒风袭击。其次，厂房布置与盛行风向角度0°～45°为宜，这样可以减少冬季厂房在采暖保温方面的能耗。

例如甘肃某露天矿山企业，设计初步方案将工业场地布置于采矿总垫沟口附近，与内外部交通联系便利，也符合矿山一般布置原则。现场踏勘时发现，该矿山地形为喇叭口状，外部为大范围平原地貌，向沟谷内逐步收缩，当朝向喇叭口的气流进入山谷之后，因地形收缩，使气流辐合加强。工业场地附近风速明显高于其他地带，人的正常活动受到较大影响。设计后期及时调整方案，重新选址于避风处，对企业厂房冬季保暖所需能耗也有大幅降低。

实践证明，高寒地区厂房的保暖在冬季是影响企业生产的一个重要因素，选址时应注意喇叭口这类地形地貌有助于加强沟谷内部风速的特性，分析冬季盛行风与朝喇叭口地形方位关系，争取选址于避风处，从而消除因气流加强对场地各个车间采暖效果的影响，实现总图布置阶段节能减排。

3 风环境数值模拟在矿山总图布置的应用

随着三维技术的发展以及计算机性能的提高，计算流体动力学（CFD）在建筑风环境中已经得到了一定的应用，采用CFD方法计算风场相关的物理量已经完全可能［6］。CFD技术可以按照实际尺度的模型计算，避免了以前风洞试验只能进行缩尺试验的不足，具有模拟真实和理想条件的能力。以CFD技术为代表的流体力学技术为风环境的研究形成了理论基础，经过多年的发展逐渐成熟，现已较多地应用于民用绿色建筑设计方面。目前国内矿山项目在设计中进行风环境数值模拟分析的几乎没有。

对甘肃某尾矿库脱水车间场地进行风环境数值模拟分析，场地主要由综合楼、脱水车间、浓密机3个建筑组成，风流场和速度模拟结果见图2。

通过建模后分析结果显示，脱水车间与浓密机通道之间风速较快，浓密机南侧容易形成“涡流”，这为后期场地取暖设备及变电所的总图布置提供了参考。通过多方面风环境数据分析并且结合现场实际情况，最终将取暖设备等附属设施布置在脱水车间北侧风速较小区域。实践证明，利用风环境数值模拟分析技术可以预测场地布置方案各个区域风速的大小以及“涡流”发生的具体位置，为矿山总图布置的精细化设计提供科学依据，同时也为总图室外风环境由传统的定性分析向定量分析转变积累一些设计经验。