深圳市城市生活垃圾处理社会总成本分析数学建模论文

1深圳市城市生活垃圾处理社会总成本分析摘 要随着各大城市的不断发展，城市居民生活垃圾产生量也随之增长，计算处理生活垃圾的社会总成本对指导垃圾处理具有重要意义。本文针对深圳市垃圾处理现状，建立并改进深圳市城市垃圾处理社会总成本分析模型，给出深圳市垃圾处理的建议。针对问题一，要求建立深圳市城市垃圾处理社会总成本分析模型，结合北京市城市生活垃圾焚烧社会成本评估报告 20170321和深圳市生活垃圾处理工作志愿者调研笔记的调研方法和数据，建立生命周期评价（LCA）模型。通过查阅深圳市统计年鉴与深圳市基准地价，得到深圳市的地价与人均可支配收入等条件，确立深圳市城市垃圾处理社会总成本。模型包括土地成本、收运成本、分类处理成本、处理设施成本、健康成本和电价补贴，将各类成本加和得到深圳市城市垃圾处理社会总成本。针对问题二，要求完善问题一的模型并计算当前及未来十年的社会总成本及各成本的变化趋势，结合上述文件中的调研方法和数据对问题一中的模型进行完善，将四种模式各三个时期下的各个成本进行详细的求解，得到具体的深圳市生活垃圾处理诸模式的直接成本估算方法。利用 MATLAB 进行求解，分析结果发现：未来十年的社会总成本呈现升高趋势；各个社会成本的比例有所变化，健康成本占得比例最高；近期各模式社会总成本基本相同，中远期模式三的社会总成本最低，模式二的社会总成本最高。 各模式的当期社会总成本以及未来十年的总成本数量见表 3、4、5 和 6，诸模式下各分项成本比例的变化趋势见图 1、2、3 和 4。本文建立深圳市城市垃圾处理社会总成本模型并较好的分析了各个处理模式的社会总成本，并且对模型的优缺点进行了合理的评价，对深圳市城市垃圾的处理方式具有参考价值。关键词：垃圾处理；成本分析；生命周期评价；健康成本；MATLAB 11. 问题重述2017 年 3 月 18 日，国务院向全国发布了生活垃圾分类制度实施方案，这标志着中国垃圾分类制度建设开始了一个全新阶段，垃圾分类已成为推进社会经济绿色发展、提升城市管理和服务水平、优化人居环境的重要举措。为了保证这一目标能够顺利实现，必须对城市生活垃圾分类处理（包括但不限于分类投放、分类收集、分类运输、分类处理）的全过程总成本，进行科学计算及动态监测。请收集相关资料、参考附件材料，完成下述工作：1、建立深圳市城市垃圾处理社会总成本分析模型；2、基于问题一的模型，完善附件 1 中提及的深圳市生活垃圾处理诸模式的直接成本估算方法，并估算各模式的当期社会总成本以及未来十年的总成本数量、及诸模式下各分项成本比例的变化趋势。2. 模型假设1) 由于难以获取填埋场的内部数据，假设内部成本为 0；2) 假设焚烧灰渣的体积为 1015%的中间值，即为 12.5%；3) 假设焚烧补贴逐渐减少；4) 假设近期所有模式按照现状模式运行。3. 通用符号说明序号 符号 符号说明1 ix第 i 种方法处理的垃圾质量2 im第 i 种方法处理垃圾的价格3 iZ第 i 种成本4 N未来第 n 年深圳市人口总量5 M未来第 n 年深圳市人均可支配收入24.深圳市城市垃圾处理社会总成本分析模型的建立4.1 问题分析本文要求建立深圳市城市垃圾处理社会总成本分析模型，拟建立生命周期评价（LCA）模型。首先对附件 1 进行了详细的分析，结合附件 2 得到社会总成本包括：固定成本、可变成本和健康成本。其中固定成本分为土地成本和建设成本，可变成本分为垃圾处理费、电价补贴、渗沥液补贴、底灰处理补贴和飞灰处理补贴，查阅有关深圳市的文件等，得到关于深圳市的各个价格，将各类成本相加，得到最终的深圳市城市垃圾处理社会总成本分析模型。4.2 模型建立通过对问题的分析，建立生命周期评价模型，建模如下：（1）土地成本：查阅深圳基准地价得到2013年各地区地价，估算各垃圾填埋场的平均地价为，估算深圳四年郊区地价涨幅为 。设2017年为未来第0年，每年地价涨幅为245/m元 35%8.75%，则未来第n年的土地成本为（4-1）4142.87*nZA其中A为每年填埋垃圾需要占的地方。（2）收运成本根据附件1中城管部门的统计数据，深圳市生活垃圾目前的基本收运成本大约为60元/吨（10公里以内） ，10公里以外的增量收运成本为 1元/ 吨公里， 20公里以外的增量收运成本为1.5元/吨公里。得到公式（4-2）260*02721.5xlZxll其中 为一年的生活垃圾数目； 为垃圾填埋场距离市区的平均运距。xl（3）分类处理成本根据附件1得到各种处理方法的成本：焚烧为：近期 ，中期 ，远期 ；10/mt元 140/mt元 180/mt元填埋为 ；26/t元发酵为 ；3元单独处理的厨余垃圾为 ；4150/t元源头分类收集为 。523/mt元总处理成本为：3（4-3）531,2,345iZxm其中 为第i个处理方法的均价； 为各种方法处理的垃圾质量。mi（4）处理设施成本目前垃圾焚烧厂多采用 BOT 方式建设，政府在此过程中基本不需要进行投资。因此，政府的投资成本可视为 0，相应的全过程成本可全部计入处理成本。（4-4）40Z（5） 电价补贴假设用于焚烧发电的生活垃圾数目为 吨，上网电量为限额量 280 kWh 。根据附1x件 2 得到三个发电厂的发电量自用率，取 17.5%的自用率计算。深圳电价 0.68 元/kWh，燃煤发电上网电价为 0.4421 元/kWh，即每度电补贴 0.2379 元计算，补贴额度为（万元） （4-5）5 10.2379.8520Zx（6） 健康成本查询深圳市统计年鉴得深圳市面积为 1996.85 平方公里，经过计算得到表 1。表 1 深圳市统计结果年份 人口（万人） 人口增长率（% ）人均可支配收入 /元人均可支配收入增长率（%）人口密度（）2/km人2014 1077.89 1.4 40948 53982015 1137.87 5.6 44633 9.0 56982016 1190.84 4.6 48695 9.1 5964根据表 1 得：取各年人口增长率的平均值 3.97%为深圳市人口增长率即人口密度增长率，之后的每年均按照此增长率计算；取人均可支配收入增长率的平均值 9.05%为以后的人均可支配收入增长率。a)深圳市未来第 年的人口为n（万人） （4-6）1190.84.397,0,2.nN假设人口平均分布，1125 个坐标点的致癌风险代表其所在 网格的风险，214.57km则每个网格的人数为 万人。参考附件 2 北京市的计算结果，得到深圳市致癌人数之25和，为 人/年。41.93nzb)未来深圳人均可支配收入为（元） （4-7）1486950.,0,2.nM将收入参数代入“ 工资风险模型 ”中可得深圳市个体生命价值的估计为 万1589.3406MX元。42015 年癌症次均住院费用为 41314.48 元治疗费+非治疗费），按 6%的折现率折算到未来第 年为 万元。n22413.80.6,1,.nX由（1）（2）得如以人均住院 1 次计算，未来第 年 人健康成本为nz（万元）（4-26259.*43.80.6.nNMZz A 0,1.8）虽然健康损失核算在污染源、排放、扩散、暴露等估计都存在不确定性，但依然是成本较低、解释性强的衡量方法。因为，污染物监测方法的成本更高，且难以监测到低于一定限值的污染物，而流行病统计方法无法解释污染物排放与发病率的关系。本研究已通过保守估计选择参数避免造成对健康损失的过高估计。因而垃圾填埋场的年成本为（4-9）123456ZZ（4-41253145 1 2612450.87*6021.520,12.,340.79.804589.3*41.80.6.6ni nnZAxsxs nZxmxNMZzX A10）5. 不同模式下垃圾处理总成本模型的建立、求解5.1 问题分析本问题要求完善问题一的模型并求解诸模式下当期社会总成本以及未来十年的总成本数量，根据问题一的模型，对附件1给出的计算方法进行具体的求解，将实际情况带入模型中，对查不到的条件进行忽略，最后得到完善后的模型，之后求解。5.2 模型准备根据题意预测未来十年的深圳市城市生活垃圾总量为（5-1）301,01,2.nxw其中5为2014年深圳市城市生活垃圾总量；4051xt为生活垃圾年增长率，近中远期分别为6%、4%、3%。w编写 MATLAB 程序求解模型得到当前及未来十年的垃圾总量。程序见附录 1。表 2 预测垃圾总量年份 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027垃圾总量/万吨644.51 683.17 724.17 767.62 798.32 830.26 863.47 898.00 933.92 961.94 990.80表 2 为预测的今年以及未来十年的年垃圾总量，每一年的垃圾总量都在增加，十年间约增长了 350 万吨。5.2 模型建立基于问题一建立的模型以及附件 1 的分析，将当期和未来十年一共 11 年分为近期、中期和晚期，近期为 20172020 年，中期为 20212025 年，远期为 20262027 年。将模型分为四种处理模式的模型。 深圳市目前在运行的焚烧厂共 4 座，合计设计处理能力 7125吨/日，按年运行时间为 300 天计全年焚烧厂共可处理垃圾约 215 万吨。近、中、远期的生活垃圾产生量的年平均增长速度分别为 6%、4%和 3%，可预测近、中、远期的预测年产生规模分别为 783 万吨、953 万吨、1105 万吨。1.现状模式（混合收集+部分卫生填埋+ 部分焚烧+部分简易堆填） 在现状模式下，超出现有垃圾焚烧处理能力之外的垃圾都采用填埋方式处理。中期在东部新增一座卫生填埋场，平均运距为40公里，超出现有垃圾焚烧处理能力的垃圾全部运往东部填埋场进行处理。表 3 现状模式近期社会总成本分析成本 公式 解析土地成本 4441 215021504250.87*6.8nxZ 填埋场内的垃圾堆填密度一般为 0.8 吨/立方米，平均填埋高度按 20 米计，垃圾焚烧的用地需求约为 3050 平方米/吨日处理规模，可计算每年用地面积。收运成本 207xZ由于下坪填埋场距市区约为10 公里，老虎坑填埋场距市区约为 20 公里，下坪填埋场与老虎坑填埋场承担的垃圾处理负荷为 1:1，可得收运成本。分类处理成本44360*21502150Zx现状全年焚烧厂共可处理垃圾约 215 万吨，其余的垃圾直接掩埋。处理设施84.6新建填埋场需投资约 25.0 亿元。按使用年限 16 年计，平6成本 均每年约需 1.56 亿元。电价补贴450.2379.85201Z目前焚烧的垃圾总量为 215 万吨健康成本 26414.6.6nNM A 由垃圾焚烧后产生的二噁英导致表 4 现状模式中期社会总成本分析成本 公式 解析土地成本 4441 215021504250.87*36.8nxZ 同近期收运成本 413/*x由于要在距市区40公里的地方建填埋场，超出现有垃圾焚烧处理能力的垃圾全部运往这里，所以成本增加。分类处理成本44360*2501250Z现状全年焚烧厂共可处理垃圾约 215 万吨，其余的垃圾直接掩埋，但焚烧处理费上涨。处理设施成本84.6新建填埋场需投资约 25.0 亿元。按使用年限 16 年计，平均每年约需 1.56 亿元。电价补贴450.2379.5201Z目前焚烧的垃圾总量为 215万吨，中期补贴减半。健康成本 264184.8.6.6nNM A 由垃圾焚烧后产生的二噁英导致。表 5 现状模式远期社会总成本分析成本 公式 解析土地成本 4441 21502104250.87*36.8nxZ 同中期收运成本 4135/*x同中期分类处理成本462018250现状全年焚烧厂共可处理垃圾约 215 万吨，其余的垃圾直接掩埋，但焚烧处理费继续上涨。处理设施成本84.56Z新建填埋场需投资约 25.0 亿元。按使用年限 16 年计，平均每年约需 1.56 亿元。电价补贴450.2379.201由于电价补贴无益于垃圾分类，后期取消补贴。健康成本 264184.8.6.6nNMZ A 由垃圾焚烧后产生的二噁英导致。2.模式一（混合收集+全量焚烧+ 灰渣填埋+中心城区垃圾全量转运）模式一以焚烧为主，现在采用填埋方式处理的垃圾全部改用焚烧方式处理。由于焚烧灰渣物化性质稳定且不臭，灰渣填埋场的选址相比卫生填埋场的选址要容易得多，且焚烧7灰渣容易通过循环利用的方式重新用于城市建设活动。因而不考虑灰渣填埋的面积。表6 模式一近期社会总成本分析成本 公式 解析土地成本 4441 215021504250.87*3.8nxZ 填埋场内的垃圾堆填密度一般为 0.8 吨/立方米，平均填埋高度按 20 米计，垃圾焚烧的用地需求约为 3050 平方米/吨日处理规模，可计算每年用地面积。收运成本 210xZ由于下坪填埋场距市区约为10 公里，老虎坑填埋场距市区约为 20 公里，下坪填埋场与老虎坑填埋场承担的垃圾处理负荷为 1:1，可得收运成本。分类处理成本44360*21502150Zx现状全年焚烧厂共可处理垃圾约 215 万吨，其余的垃圾直接掩埋。处理设施成本4Z考虑到目前垃圾焚烧厂多采用 BOT 方式建设，政府在此过程中基本不需要进行投资。因此，政府的投资成本可视为 0。电价补贴450.2379.85201目前焚烧的垃圾总量为 215万吨。健康成本 26414.6.6nNMZ A 由垃圾焚烧后产生的二噁英导致。表7 模式一中期社会总成本分析成本 公式 解析土地成本 441 21504250.8*36n垃圾焚烧的用地需求约为 3050 平方米/吨日处理规模，可计算每年用地面积。收运成本 2xZ由于要在距市区 40 公里的地方建填埋场，超出现有垃圾焚烧处理能力的垃圾全部运往这里，所以成本增加分类处理成本360*.1540将垃圾全部进行焚烧，将焚烧后产生的灰渣掩埋。处理设施成本4Z考虑到目前垃圾焚烧厂多采用 BOT 方式建设，政府在此过程中基本不需要进行投资。因此，政府的投资成本可视为0。电价补贴450.2379.85201由于电价补贴无益于垃圾分类，中期焚烧厂的电价补贴减半。健康成本 26414.6.6nNMZ A由垃圾焚烧后产生的二噁英导致。表8 模式一远期社会总成本分析成本 公式 解析8土地成本 441 21504250.87*36nZ同中期收运成本3x新建的焚烧厂距市区约 40 公里，将之前焚烧厂承受不了的垃圾都运往新焚烧厂。分类处理成本360*.12580x将垃圾全部进行焚烧，将焚烧后产生的灰渣掩埋。处理设施成本4Z考虑到目前垃圾焚烧厂多采用 BOT 方式建设，政府在此过程中基本不需要进行投资。因此，政府的投资成本可视为0。电价补贴450.2379.85201由于电价补贴无益于垃圾分类，远期焚烧厂的电价补贴取消。健康成本 26414.6.6nNMZ A由垃圾焚烧后产生的二噁英导致。3.模式二（源头分类收集+湿垃圾生物处理+ 干垃圾焚烧+ 中心城区干垃圾转运）模式二是在垃圾产生源头即实施分类收集，垃圾在源头分为干、湿两大类。因此，收集到的垃圾相应为干、湿两大类，考虑到居民参与分类收集的积极性和垃圾投放的准确度，湿垃圾的比例按 40%考虑，干垃圾的比例按 60%考虑。干的部分采用焚烧方式处理，湿的部分暂考虑采用厌氧发酵技术处理。表9 模式二近期社会总成本分析成本 公式 解析土地成本 4441 215021504250.87*36.8nxZ 填埋场内的垃圾堆填密度一般为 0.8 吨/立方米，平均填埋高度按 20 米计，垃圾焚烧的用地需求约为 3050 平方米/吨日处理规模，可计算每年用地面积。收运成本 210xZ由于下坪填埋场距市区约为10 公里，老虎坑填埋场距市区约为 20 公里，下坪填埋场与老虎坑填埋场承担的垃圾处理负荷为 1:1，可得收运成本。分类处理成本44360*21502150Zx现状全年焚烧厂共可处理垃圾约 215 万吨，其余的垃圾直接掩埋。处理设施成本4Z考虑到目前垃圾焚烧厂多采用BOT 方式建设，政府在此过程中基本不需要进行投资。因此，政府的投资成本可视为0。电价补贴450.2379.85201目前焚烧的垃圾总量为 215 万吨。健康成本 2641.*43.66nNMZ A 由垃圾焚烧后产生的二噁英导致。9表10 模式二中期社会总成本分析成本 公式 解析土地成本 41 0.670.44250.87*35nxZ垃圾焚烧的用地需求约为 3050 平方米/吨日处理规模，厌氧发酵处理考虑集约用地的原则按 6080 平方米/吨日处理规模，可计算每年用地面积。收运