干贮粉煤灰降水渗透统计分析范文

摘要:

根据某热电厂贮灰场模拟降水30mm、50mm、100mm和150mm的试验数据，采用统计方法分析不同降水强度下粉煤灰随着降水渗透至地下的深度，以确定各种降水条件下贮灰场渗滤液是否能够达到含水层，造成地下水污染。运用箱线图直观了解不同降水量下含水量发生显著性变化的土层深度，进一步使用秩和检验方法，利用本底值与降水影响情况下样本土壤含水量数值进行比较分析。结果表明，在0.1显著性水平下，污染液不能达到含水层。

关键词:

干式贮灰场;秩和检验;箱线图;降水量;本底值

随着中国经济的发展和电力需求的增加，燃煤电厂的粉煤灰贮放问题已经成为电厂建设中的重要问题。燃煤发电厂生产中产生的粉煤灰在干燥状态下排出电厂，一般有两种贮放方式，一是可以经过大量掺水后以湿法输送贮放;二是可以少量掺水运至灰场经过碾压之后堆积，即以干法贮放。对于湿法贮灰方式来说，由于粉煤灰的渗透特性［1］，在贮灰场没有防渗设计的情况下，可能引起周边地区地下水水质不同程度的降低。郑定镕总结了灰场环保问题的经验［2］，曹唯通过试验研究了粉煤灰淋溶液对地下水的污染问题，认为需要较好地防渗［3］。黄爽等研究了灰场对地下水水位水质的影响，数值模拟了各种治理措施，得出在经济上和技术上均可行的治理方案［4］。对于干式贮灰方式来说，一般无水外排，但是在降雨时，一方面，有大量客水汇入灰场，会有一定量水外排，造成短时间的地表水影响，但由于时间短、水量小，影响甚微。另一方面，可能使灰渣中部分重金属和有毒元素浸出，从而可能影响地下水水质。因此，干式贮灰场的环保问题主要在于地下水污染［5］，即在各种降水量条件下粉煤灰渗滤液是否能够透过包气带达到含水层，影响地下水水质。王滨结合长治欣隆煤矸石电厂贮灰场周边松散层地下水和岩溶地下水评价，分析了污染情况，发现松散层孔隙水水质较差，表明浅层地下水受到一定污染［6］。某热电厂新上工程粉煤灰拟采用干式贮存，贮灰场只作为事故或冬季时灰渣堆场，贮存时间为0.5年。大气降水在贮灰场中能否产生粉煤灰渗滤液而污染地下水将成为社会各方关注的主要环境问题。为此，本文利用该厂现有贮灰场进行模拟降水30mm、50mm、100mm和150mm四种水量下的粉煤灰渗透试验。通过统计方法分析不同降水量、不同时间下不同深度的包气带含水量与本底值之间是否存在显著差异，从而讨论粉煤灰渗透影响的深度，回答灰场对地下水是否产生污染问题。

1模型方法

1.1箱线图法在得到样本数据之后，将之按照从小到大的次序排列得到次序统计量，用Q1和Q3分别表示第一和第三4分位数，m0.5表示样本中位数。由此可以画出箱线图［7］(图1)。画一个箱子，其两侧恰好为第一和第三4分位数，在中位数位置画一条竖线，箱内的星形符号表示样本均值，则箱子内包含了样本中50%的数据。IQR=Q3－Q1称为4分位间距，Q1－1.5IQR至Q3+1.5IQR称为内栅区，在箱子两侧各引出一条平行线，分别至第一和第三4分位数外和内栅区内的最小和最大数据点;内栅区之外的数据称为样本外数据，Q1－3IQR至Q3+3IQR称为外栅区，内、外栅区之间的数据称为近样本外数据，外栅区之外的数据称为远样本外数据。

1.2秩和检验秩和检验方法可以检验两个连续型总体是否同分布［8］。设两个总体的分布函数均为未知的连续函数，分别为F1(x)和F2(x)。

2粉煤灰渗滤液向地下渗透深度的统计分析

根据试验数据，利用箱线图法直观分析灰水可能的渗透深度，利用秩和检验方法对渗透深度进一步加以确定。

2.1数据说明本文所使用的数据来自于某热电厂贮灰场模拟降水30mm、50mm、100mm和150mm情况下的试验结果，试验中采用4种水量，在渗水后的0.5h、1.5h、4.5h、8h、24h和48h(分别记为第1、2、3、4、5和6个时间)后取样，检测包气带含水量随时间的变化。4种情况下包气带含水量分别以s1m、s2m、s3m和s4m表示，sim－jk(i=1，2，…，4;j=1，2，…，6;k=1，2，…，11)表示在第i种降水模式下第j个时间第k个深度包气带含水量。在此项问题的研究中本底值的确定相对复杂，在试验区任取一个背景孔的做法不可靠，得到的背景值只能作为参考。结合专家意见，一般在降水后最短期内的数据作为本底值，此时数据尚未受到影响。

2.2不同降水量下渗透深度的箱线图分析为了直观了解在降水后不同时间内某个深度土层的含水量与本底值相比是否发生了显著变化，在不同降水量条件下，同一深度土层背景孔含水量样本数据和降水后各时间内取得的样本数据箱线图平行画出，进行比较分析。原则上，如果该深度土层受到降水渗透影响，含水量将随降水时间增长呈现上升的趋势，由于粉煤灰及土层非均质，渗透系数存在差异，所以在整个趋势中可能有上下振荡现象，并且根据中位数相对于均值的稳健性，将以中位数作为主要考虑因素，均值作为辅助考虑。图中的中位数附近添加了置信区间，从m0.5－1.5IQR/槡N至m0.5+1.5槡IQR/N，以阴影表示，其中N为样本容量。图2～图17是所选择的土层含水量直观上发生变化的箱线图，图中beijingi表示背景孔中i－1至im土层含水量的观察值，i=1，2，…11，分析中只将其作为参考。图2～图5为30mm降水条件下各土层在不同观测时间含水量的变化。图2中2～3m深含水量箱线图显示，降水0.5h至1.5h对该土层均无显著影响，从4.5h起，含水量波动上升，所以0.5h和1.5h样本均可作为本底值。图3中3～4m深含水量箱线图显示，1.5h和4.5h快速上升，之后缓慢下降，所以只能将0.5h样本作为本底值。

图4中8～9m深含水量箱线图虽然呈现波动上升趋势，但数据量小且上升态势主要由8h的一个大值所拉动，0.5h、1.5h和4.5h样本均可作为本底值。图5中9～10m深含水量箱线图与图4有类似特征，数据量小且上升主要由三个大值拉动，0.5h样本作为本底值。综合考虑认为最大影响深度集中于2～3m或3～4m。图6～图9为50mm降水条件下各土层在不同观测时间含水量的变化。图6中5～6m深含水量箱线图显示，降水0.5h至1.5h对该土层均无显著影响，从4.5h起，含水量波动上升，所以0.5h和1.5h样本均可作为本底值。图7中6～7m深含水量箱线图显示，1.5h快速上升，之后缓慢下降，24h和48h已经降至0.5h水平，结合背景孔观测值，背景孔和0.5h样本均可以作为本底值。图8中7～8m深含水量箱线图数据量小，且上升态势主要由1.5h、4.5h和8h的三个大值所拉动，24h和48h均与0.5h水平相近，只能将0.5h样本作为本底值。图9中8～9m深含水量箱线图与图8类似，数据量小且上升主要由4.5h一个大值拉动，0.5h和1.5h样本均可以作为本底值。综合考虑认为最大影响深度集中于5～6m和6～7m。图10～图13为100mm降水条件下各土层在不同观测时间含水量的变化。图10中3～4m深含水量箱线图显示，降水1.5h对该土层产生影响，之后含水量波动上升，所以只能将0.5h样本作为本底值。图11中5～6m深含水量箱线图显示，1.5h后波动上升，至24h和48h与0.5h水平相近，结合背景孔观测值，背景孔和0.5h样本均可以作为本底值。图12中7～8m深含水量箱线图显示，在4.5h升至最高点，之后几个时间下降至与1.5h持平，结合背景孔观测数据，可以将背景孔和0.5h样本作为本底值。图13中9～10m深含水量箱线图与图12基本类似，4.5h和8h达高点，24h和48h与0.5h水平相近，0.5h和1.5h样本均可以作为本底值。综合考虑认为最大影响深度集中于3～4m和5～6m。图14～图17为150mm降水条件下各土层在不同观测时间含水量的变化。图14中3～4m深含水量箱线图显示，降水1.5h对该土层产生影响，含水量除在24h达到最大外，其余时间与1.5h持平，只能将0.5h样本作为本底值。图15中4～5m深含水量箱线图显示，4.5h后波动上升，因此0.5h和1.5h样本均可以作为本底值。图16中8～9m深含水量箱线图和图17中9～10m深箱线图类似，数据量小，分别在24h和8h升至最高点，其余时间与0.5h持平或略低，最高值分别是由24h和8h中的一个大值拉动。综合考虑认为最大影响深度集中于3～4m和4～5m。为了确定以上各土层中含水量是否发生变化，进一步通过秩和方法检验这些土层样本数据和本底数据是否来自于相同的总体，如果结果是否定的，则含水量发生了变化。

2.3不同降水量下渗透深度的秩和检验分析由于各种条件下的土层含水量均可视为灰数，即其取值位于某一区间内，所以可以将其视为连续型随机变量。这样，就满足了秩和检验的基本条件。在各种降水量条件下，可以对不同土层不同时间的含水量样本与本底样本进行秩和检验，以确定是否来自于相同分布，如果拒绝则认为该土层已经受到降水影响。同样的方法发现24h和48h样本显著高于本底值，而4.5h与本底值无显著差异，可视为此时并未产生显著影响。因此4～5m及以上深度受到降水影响。对于8～9m深度，将s4m－19和s4m－29联合作为本底值，将其与s4m－39、s4m－49、s4m－59和s4m－69分别进行秩和检验，结果4.5h、8h、24h和48h样本均与本底值无显著差异，因此8～9m及以下深度未受到降水影响。综合上述结果，150mm降水条件下最大影响深度为4～5m。通过以上各个降水条件下的统计分析和比较，发现50mm降水条件下的结果稍有异常，其形成原因与不同位置粉煤灰的渗透系数［9］和灰场所在地的地质环境相关［10］。

3结论

(1)在降水量分别为30mm、50mm、100mm和150mm的情况下，最大影响深度分别为3～4m、5～6m、3～4m和4～5m，该结果符合降水量对土层影响的基本规律，即随着降水量增加对土层的影响逐渐加深。(2)在0.1的显著性水平下，干贮煤场的粉煤灰随着降水渗透的最大深度不会超过6m。因此，不能够达到该地区的含水层而造成地下水污染。(3)50mm降水条件下的异常结果可以作为深入研究的方向，以此为粉煤灰的利用提供实证依据。

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作者：张海燕 王新民 陈初雨 孙春 王延亮 单位：长春工业大学 基础科学学院 吉林省地质环境监测总站