铁路运输过程中煤粉尘遗洒对环境影响初步评估与控制对策研究

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2021-08-03 08:35 热度：

　　摘要：煤炭的铁路运输是我国能源供给和调控的主要方式，但运输过程中煤粉尘遗洒对环境影响的相关研究并不多见，本文以大秦铁路为研究对象，对其在北京境内煤粉尘遗洒对大气、水、土的影响开展研究。结果表明：当有列车经过时，环境空气中可吸入颗粒物(PM10)的浓度明显上升，并呈周期性的波动，其中城区点位PM10最高值为212μg/m3，隧道口点位PM10最高值为3290μg/m3，运输过程中煤粉尘对周边空气质量的影响随着距离铁路的增加而急速衰减;煤粉尘的传输沉降导致监测附近点河水中的悬浮物指标明显增加;此外，受煤粉尘污染，监测点附近表层土土壤样品呈弱酸性，且Cr、Cd、Pb等重金属含量均高于背景值。根据初步估算，大秦铁路在运输过程中煤粉尘排放总量为3441.46t/a，在北京境内煤粉尘排放量为579.73t/a。建议采取分段龙门吊式喷淋技术，并针对喷淋抑尘剂法提出改进建议，加强铁路运输段煤粉尘治理，减少污染排放。

　　关键词：煤粉尘;PM10;土壤污染;水污染;控制对策

　　0引言

　　煤炭作为我国主要的能源之一，其供给和运输方式是重要的环节之一，根据学者的研究可知[1,2]，环境规制政策的实施显著降低了京津冀地区的煤炭消费量，但煤炭运输过程产生的扬尘对环境影响仍然存在。近年来，据北京市发布的细颗粒物(PM2.5)来源解析可知，扬尘源对本地PM2.5的贡献率达16%[3]，为减少运煤车扬尘污染，京津冀等地均推进“公转铁”项目：调整运输结构，减少公路运输量，增加铁路运输量。公转铁大幅减少了公路煤粉尘和货车自身的污染物排放，但铁路运输过程中，车辆中煤层表面的煤粉散落地面，导致煤尘污染[4]，并对周边区域造成环境影响，其中PM2.5和PM10是导致环境空气污染的首要污染物[5-7]。此外，煤粉尘不仅对周边动植物的生长产生影响[8-14]，还对人体健康产生较大危害[15-17]。目前，国内外关于煤炭行业的污染研究多集中于开采[18-21]和使用[22-25]等过程，对于运输过程[26,27]产生的沿途污染情况较为少见。

　　北京作为中国的首都，良好的生态环境一直是人们关注的重点。大秦铁路是山西省大同市至河北省秦皇岛市的煤炭重要运输通道，途经北京市延庆区、昌平区、怀柔区、顺义区和平谷区。为了解该线路运输过程中煤粉尘的排放情况，本研究开展实地调研与检测分析，初步评估煤粉尘逸散对北京区域内水、气、土的环境影响，并结合相关调研参数，对遗洒量进行初步核算，并对相关遗洒控制提出措施建议，为实现北京区域的“精准治污”提供数据支撑与参考。

　　1材料与方法

　　1.1研究对象

　　大秦铁路西起韩家岭站、东至柳村南站，纵贯山西、河北、北京和天津四省市，全长653km，穿越雁北高原、桑干河谷，紧依燕山山脉南麓呈东西走向，是中国西煤东运的主要通道之一[28]。就运力而言，运煤车单车装煤量为78.4吨，2018年大秦铁路运量完成4.51亿吨[28]。大秦铁路是一条双线电气化重载运煤专线，其运行管线图如下图1所示。其中，在北京市途经延庆区、昌平区、怀柔区、顺义区和平谷区，停靠6个站点，从延庆北站至平谷站共110km。延庆区作为北京段污染较为严重的区县，线路总长度为46.731km，占42.48%，涉及隧道4座,分别为军都山隧道、霹破石隧道、铁炉村一号隧道和铁炉村二号隧道，隧道总长度9.278km，且军都山隧道是全线最长的铁路隧道。此外，2019年的世园会和2022年的冬奥会在延庆举办，将对延庆的环境质量提出更高的要求：不断加大环境保护和治理力度，系统推行各项生态治理工程，持续推进大气、水、垃圾、土壤等方面治理行动。为此，以大秦铁路延庆段作为研究对象，对其在北京境内煤粉尘遗洒对大气、水、土的影响开展研究。

　　1.2采样分析方法

　　本研究选择军都山隧道(隧道点)和延庆北站(平原城区点)作为空气质量监测点，城区站点两侧为居民楼，测试期间现场的风速仪数据均较低，最高风速不足2m/s，主要原因在于两侧建筑的存在，导致风速影响较小，且此时2m/s的风速未达到摩擦域值，运煤车在始发站进行抑尘喷淋，故此低风速对此影响较小，可忽略。由于隧道穿越整个山区，进口和出口差距较远，且进口处由于内外压差大，故选在进口处测试。另外，隧道位于半山腰山谷，两侧为人工加固山坡，成倒立梯形，梯形高度为5m左右，故进口为窝风处，受风速影响较小。此外，在运输方式上，大秦铁路是重去空回。空载时，煤炭在秦皇岛港装卸、清扫后，车厢内无煤，车厢底部距离车顶为3m左右，且经过简单清扫后，运输过程中几乎不产生煤粉尘污染(有对比检测数据，其站点接近平常浓度，不像重载时有明显浓度波动)。因此粉尘浓度的测量可忽略风、重载与空载等不同情况的影响。隧道采样点位设置在隧道出口距离铁轨1m远处，城区采样点位设置在车站站台，距离铁轨1m处。采用DustTrak粉尘仪通过光散射的方式测量粉尘浓度，采样频率达到1Hz，采样时间间隔为6s，仪器连续自动记录粉尘浓度变化。

　　本实验所用的土壤样品来自于铁炉村大秦铁路沿线污染较为严重的表层土壤，据《场地环境监测技术导则》[29]的要求分别在距离铁路线2、5、10、20、50和100m处选择3个采样点，在每个采样点随机采集3份子样品，混匀成1份样品。并在采样点附近选择了一个煤粉尘污染少的地点采集样品作为对照，铁路两侧均按此方法采集。采集土样时，剔除土壤中大粒径石砾、杂草、植物根系等杂物，用木铲取0～20cm表层土，置入无菌采样袋中带回实验室−80℃保存，并记录样方周围环境和植被覆盖等情况。将采集的样品在室温自然风干并去除石块和植物组织等杂物，研磨过筛进行预处理，然后用HNO3-HCl-HClO4进行微波消解，采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICPAES)对Cr、Cd、Pb等重金属元素含量进行测定。

　　相关期刊推荐：《环境工程》(双月刊)创刊于1982年，是国家科技部批准，中国环境科学学会环境工程分会和中冶集团建筑研究总院共同主办的综合性环保技术刊物。设有：专题我国典型流域土壤污染物特性分析、水污染防治、大气污染防治、固废处理与处置、土壤修复、监测与评价、清洁生产与节能减排等栏目。

　　在军都山隧道铁路桥附近铁炉河的上游和下游布设样点，采样瓶用当地水润洗3次后，将地表水装满于100mL的棕色玻璃瓶和聚乙烯塑料瓶内，即每个采样点采集2瓶水样，并将水样放置3～4℃条件下保存，送往检测单位进行检测。对研究区地表水水样的pH值、氨氮(ammonianitrogen，NH3-N)含量、悬浮物(suspendedsolids)含量、重铬酸盐指数(dichromateoxidizability，COD)、五日生化需氧量(BiochemicalOxygenDemand，BOD5)含量、总磷(totalphosphorus，TP)含量等指标进行了检测。测试方法分别为:玻璃电极法、纳氏试剂分光光度法、重量法、重铬酸盐法和快速消解分光光度法、稀释与接种法、钼酸铵分光光度法[30]。

　　2结果与讨论

　　铁路运输过程中煤粉尘逸洒对环境影响程度与天气条件(如下雨、刮风等)有一定关系，但为减少此影响，运输前均会喷洒结壳剂，且运输过程煤粉尘高度未超出车厢。同时，大秦铁路途径区域多为北方干旱区，极端天气下为保障出行安全，铁路一般暂停运行。因此，天气条件对铁路运输过程中煤粉尘逸洒的环境影响暂不考虑。

　　2.1大气污染特征分析

　　大秦铁路周边空气质量监测结果如图2-3所示，城区和隧道采样点位受列车运行影响较为明显，当有列车经过时，PM10的浓度明显上升，呈周期性的波动，在监测期间，城区点位PM10最高值可达212μg/m3，隧道口点位PM10最高值可达3290μg/m3。

　　持续一个月的颗粒物在线监测数据表明，城区铁路沿线的颗粒物浓度比城区平均浓度高2.35倍(八月份延庆区PM10为48μg/m3，隧道点PM10平均浓度为161μg/m3)，隧道口附近的PM10浓度为城区PM10浓度值的15~68倍，最高可达3290μg/m3。当晴天列车持续不断时，形成明显的污染带，PM10浓度在485~3290μg/m3。无论是城区还是隧道监测点位，PM10的污染变化情况受运煤车影响较为严重，并呈周期性的波动。城市站主要是受风蚀结果影响，隧道口样品浓度明显高，是受隧道内外压力不同以及铁轨二次碾压所导致的扬尘再悬浮影响较大。

　　为了进一步评估运煤车煤粉尘对PM10的影响情况，利用高斯扩散等模型，对其进行周边环境影响模拟，但隧道位于半山腰，周边陡峭且多为碎石区，少有人居住，且隧道周边不利于采样，无法进行相关模拟，因此隧道口附近未做深入研究，仅对城区附近进行模拟，结果如图4所示。

　　从图4可看出，运输过程中煤粉尘对周边空气质量的影响随着距离的增加而逐渐衰减，距离铁路100m点位处，煤粉尘对其PM10贡献为6μg/m3，距离铁路300m点位处，煤粉尘对其PM10贡献为1μg/m3。当距离更远时，对PM10的影响衰减更为明显。从而得知，在铁路沿线300m范围内，运煤过程中产生的煤粉尘对空气质量(PM10)影响较大，特别是100m范围内，对PM10的贡献超过了10%，是相关部门对铁路运输段煤粉尘进行重点管控的重点区域。

　　2.2水污染特征分析

　　经过对军都山隧道铁路桥附近铁炉河的上游和下游水质采样，并就pH、悬浮物、COD、BOD、总磷、氨氮等常规污染指标进行监测分析，水样品的分析结果见表1。

　　结果表明研究区域附近铁炉河水质pH值在7.63~8.26，偏碱性，氨氮在0.042~0.083mg/L，悬浮物在4~60mg/L，COD在14.7~16.2mg/L，BOD5在4.6~5.6mg/L，总磷在0.02~0.05mg/L。结果发现，煤粉尘导致铁路桥下和下游的悬浮物指标明显增加，最高为上游的15倍，其他污染指标并无异常。主要原因在于煤粉不溶于水，故对pH、COD、BOD、总磷、氨氮等指标影响不大，而对悬浮物指标影响较大。目前，附近的铁炉村在铁路桥下游已设置多级除尘池，对散落水中的煤粉尘进行沉淀和截流，防止煤粉尘对下游进一步污染。

　　2.3土壤污染特征分析

　　对铁路沿线的表层土进行采样和理化性质进行分析，土样样品的分析结果表明，大秦铁路附近土壤的pH值在6.22~7.14，偏酸性。Cr的含量在18~50.2mg/kg，Cu的含量在13.1~17.2mg/kg，As的含量在1.66~3.91mg/kg，Cd的含量在0.127~0.177mg/kg，Pd的含量在16.9~26.7mg/kg。结果不容乐观：含煤样的土壤样品呈弱酸性，pH多小于7(对比土壤样品pH值呈中性)，土壤中的Cr、Cd、Pb等重金属含量(mg/kg)与土壤样品背景值进行对比，结果发现，Cr高出背景值1.7倍(50.2/29.8)，Cd高出背景值1.5倍(0.177/0.119)，Pb高出背景值1.1倍(26.7/24.6)。王曰鑫[31]等的研究结果同样表明表层土壤的pH值比对照土壤低，煤粉尘沉降与积累使得表层土壤有酸化的趋势，且土壤砷含量递增的趋势十分明显。主要原因在于矿物质是煤炭的主要杂质，如硫化物、硫酸盐、碳酸盐等，煤粉尘沉降与积累处的土壤由于硫酸盐、碳酸盐等物质的化学反应而呈酸性。因此可知，表层土受煤粉尘混合污染，会导致其酸碱性和重金属含量发生一定的变化。

　　2.4粉尘排放量

　　为了进一步评估运煤过程中煤粉尘污染对我区环境质量的影响，对其排放量进行了初步估算。因实测较为危险且影响铁路运输速度，故采用参考文献[32]的相关方法，将运煤车视为相对静止、较为平坦的堆场进行核算煤粉尘排放量。——论文作者：方莉1,2,3何丽娟1,2,3郝润1,2,3聂磊1,2,3王海林1,2,3*

文章名称：铁路运输过程中煤粉尘遗洒对环境影响初步评估与控制对策研究

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