垃圾焚烧厂的经济补偿问题.doc

垃圾焚烧厂的经济补偿问题摘要目前，我国许多城市面临着“垃圾围城”问题。然而在垃圾焚烧处理方式被大力推广时，伴随着出现了较大的环境污染，对污染给居民造成的伤害进行合理的补偿是许多人共同关注的问题。本文根据已给的焚烧炉烟气排放总量，应用AERMOD预测模型的地形分析和高斯模型中的高架点源扩散模型建立了空气扩散模型，分析在焚烧炉的污染排放量、居住点离垃圾焚烧厂的距离、温度、风力风向、地形地貌及地面反射七个因素的影响下，不同居民地点污染物的浓度大小，给出污染物浓度关于这些影响因素的表达式，从而可以随时随地监控焚烧厂附近的环境污染，得到一种环境动态监控体系，并且可以根据不同位置各污染物浓度不同（问题一只要考虑、烟尘颗粒物三种污染物），使用层次分析法计算出各污染物相对于环境污染和赔偿金额的权重，从而对周围受害居民制定合理的经济补偿方案。对于各种因素造成焚烧炉的除尘装置损坏，从而导致各种污染或者是所有的污染物浓度程度加剧，使模型中烟流抬升的一个附加高度不能够忽视，根据问题一的模型重新考虑污染物浓度的扩散程度。并且因为污染物浓度的急剧增加，问题一中忽略的二恶英这一污染物在此时情况下浓度会增加，不能忽略。对于重金属污染，因本文考虑的是大气对环境的污染问题，补偿时可以忽略，进而经济补偿的时候要考虑、烟尘颗粒物、二恶英等污染物，同样用层次分析法计算权重，最终得到经济补偿方案。关键词：AERMOD模型 高斯高架点源扩散 层次分析法 污染物浓度 补偿方案1、 问题重述“垃圾围城”是世界性难题，在今天的中国显得尤为突出。2012年全国城市生活垃圾清运量达到1.71亿吨，比2010年增长了1300万吨。数据显示，目前全国三分之二以上的城市面临“垃圾围城”问题，垃圾堆放累计侵占土地75万亩。因此，垃圾焚烧正逐步成为中国垃圾处理的主要手段之一。城市垃圾经过分类处理，剔除可回收垃圾和有害垃圾后将剩余垃圾在焚烧炉中焚烧处理，既可避免垃圾填埋侵占大量的土地，又可利用垃圾焚烧产生的能量进行发电等获得可观的经济效益。然而，由于政府监管不力、投资者目光短浅等多方面的原因，致使前些年各地建设的垃圾焚烧电厂在运营中出现了环境污染问题，给垃圾焚烧技术在我国的推广造成了很大阻力，许多城市的新建垃圾焚烧厂选址都出现因居民反对而难以落地的局面。事实上垃圾焚烧厂对环境的污染风险与建设投资规模、运行监管力度有直接关系。小型垃圾焚烧厂由于没有规模效应，在污染治理方面的投入也会受到影响，致使其污染物排放比较严重，难以达到国家新的排放标准，对环境的危害较大。尤其是目前建厂选址尤为困难，所以国内各大城市目前均倾向于采用新型大型焚烧炉的焚烧厂取代分散的小型焚烧炉的举措。然而大型焚烧厂又存在需要考虑垃圾运输成本与道路建设成本等问题，因此对于不同城市来说，究竟该把大型焚烧厂的建设规模控制在什么水平，这是一个值得研究的课题。在垃圾焚烧厂运行监管方面，目前主要是在垃圾焚烧厂内进行测量监控，缺少从周边环境视角出发的外围动态监控，因而难以形成为民众所信服的全方位垃圾焚烧厂环境监控体系。深圳市某地点计划建立一个中型的垃圾焚烧厂，计划处理垃圾量1950吨/天（设置三台可处理垃圾650吨/天的焚烧炉，排烟口高度80米，每天24小时运转）。从构建环境动态监控体系、并根据潜在污染风险对周围居民进行合理经济补偿的需求出发，有关部门希望能综合考虑垃圾焚烧厂对周围带来环境污染以及其他危害的多种因素（例如，焚烧炉的污染物排放量、居住点离开垃圾焚烧厂的距离、风力和风向及降雨等气象条件、地形地貌以及建筑物的遮挡程度等等），在进行科学定量分析的基础上，确立一套可行的垃圾焚烧厂环境影响动态监控评估方法，并针对潜在环境风险制定出合理的经济补偿方案。请你在收集相关资料的基础上考虑以下问题：(1) 假定焚烧炉的排放符合国家新的污染物排放标准（参见附件1），根据垃圾焚烧厂周边环境设计一种环境指标监测方法，实现对垃圾焚烧厂烟气排放及相关环境影响状况的动态监控。以你设计的环境动态监控体系实际监控结果为依据，设计合理的周围居民风险承担经济补偿方案。(2) 由于各种因素焚烧炉的除尘装置（如袋式除尘器）损坏或出现其他故障导致污染物的排放增加，致使相关各项指标将严重超标（如：烟尘浓度、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、二恶英类及重金属等排放超标，附件2给出了一台可处理垃圾350吨/天的焚烧炉正常运作时的在线排放监测记录）。请在考虑故障发生概率的情况下修正你设计的监测方法和补偿方案。2、 模型假设1. 不考虑各污染物在空气中产生化学变化2. 假设在空气中各个污染物的物理化学性质不改变3. 排烟口高度较高，在问题一中污染物排出烟囱时的垂直速度可以忽略不计4. 污染物一旦接触地面将会被反射5. 空气中浓度的扩散程度与浓度本身的大小无关6. 在考虑位置高度时，只考虑地形，因为建筑物相对地形高度来说很小，忽略不计7. 吹哪一种风就只考虑那一个方向会受影响，另七个方向影响忽略不计，不用补偿3、 符号说明 ： 焚烧炉底端中心点，也即是坐标原点 ： X轴方向的距离 ： Y轴方向的距离 :各污染物的总浓度 ：没有地形的烟羽浓度 ：有效高度 ：地形高度 : 研究位置处的海拔高度，即距水平最低基准面的垂直距离 : 山的高度 ： 焚烧炉的高度 ：分界流线下烟羽总质量的比 ：分界流线高度 Q : 排放源泄放速率 g/s ：有效风速 ：大气扩散参数 ：位置温度g ：重力加速度 取 9.8：烟羽状态权函数：各个指标权重的对比较矩阵：对于矩阵的最大特征根：矩阵归一化后的特征向量记为权向量：判断矩阵偏离一致性指标：判断矩阵随机一致性指标：判断矩阵一致性比率：组合权向量n：某点的居民人口数：单位总污染物浓度影响下的赔偿金额:当地某户居民的总赔偿金额4、 模型分析4.1 问题一的分析根据题目中给出的污染浓度影响因素，利用AERMOD模型中对地形的分析和高斯模型中高架点源扩散模型，分析污染源污染物排放量、居住点离焚烧厂的距离、风力、风向、温度、地形、地面反射七个因素对污染浓度的不同影响，确定不同位置处污染物、烟尘颗粒物的浓度的大小，从而确定不同地点的污染程度，形成一种环境动态监控体系。然后运用层次分析法计算出污染物、烟尘颗粒物三个相对补偿金额的权重，根据权重及污染物浓度制定出合理的补偿方案。 对于题目中已给数据的处理：风力根据题目中给出的数据计算出各方向上的平均值；焚烧炉排出口的污染物浓度取平均值4.2 问题二的分析 根据问题一的分析思路，在考虑故障发生的概率之下，因为除尘装置损坏，所以排放的污染物浓度会急剧增加，温度也会明显升高，在以相同模型考虑污染物扩散的时候，要考虑到热烟流的浮升力和烟气以一定速度竖直离开排放口的冲力使烟流抬升的一个附加高度，因此就不能忽视的高度。并且由于污染物的整体浓度会大幅度增加，所以二恶因这一污染物对环境的危害也不能忽视。根据这些变化，重新确定出某点的各个污染物浓度的大小，然后根据层次分析法，计算出、烟尘颗粒物、二恶英的权重，重新确定不同地方的补偿方案。5、 问题求解5.1 问题一的求解 由题目分析可知，污染物从垃圾焚烧厂烟囱排出，在空气中的扩散过程会受到很多因素的影响，焚烧厂附近某点的污染物浓度高低及环境污染程度也因此受到这些因素的影响，在纵多影响因素中，如焚烧炉的污染物排放量、居住点离垃圾焚烧厂的距离、风力和风向、地表温度、地形地貌等显得更为重要。本文主要分析这6个因素对污染物浓度的影响，建立一个动态监控体系，确定某地污染程度，制定合理的赔偿方案。5.1.1 AERMOD模型分析地形 AERMOD模型考虑了地形（包括地面障碍物）对污染物浓度分布的影响，在计算中AEROMD模型使用了分界流线的概念，即将扩散流场分为两层的结构，下层的流场保持水平绕过障碍物，而上层的流场则抬升跃过障碍物。这两层的流场以分界流线高度来划分。焚烧厂当地的地形图：由此，AERMOD模型认为障碍物上的污染物浓度值取决于烟羽的两种极限状态，一种极限状态是在非常稳定的条件下被迫绕过障碍物的水平烟羽，而另外一种极限状态是在垂直方向上沿着障碍物抬升的烟羽，在任意网格点的浓度值就是这两种烟羽浓度加权之后的和。 （5-1） （5-2），是点的有效高度值，是该点处地形的高度值。是两种烟羽状态的权函数，他决定着地形对浓度计算的影响程度。当时，所有网格点的浓度计算按平坦地形上的扩散处理，权函数由大气稳定度、风速以及烟羽相对于地形的高度等因素决定。在计算之前，需要先计算在分界流线高度 （5-3）的计算方法 （5-4） （5-5）在对流层中高度每升高100米，温度降低在每个方向风速下，对于与的关系采用了近似的方法，对附件（4）处理后得到每个方向上的有效风速，利用matlab绘制在一定风速下与的图像时发现图像近似直线，如下图，八幅图分别沿西南、西北、西、南、东南、东北、东、北风速方向分界流线高度（Y轴）和H(x轴）的图像。Matlab代码（a）对于对于图像按照近似线性处理后发现：在焚烧垃圾发电厂西南方向：在焚烧垃圾发电厂西北方向：在焚烧垃圾发电厂西方： 在焚烧垃圾发电厂南方： 在焚烧垃圾发电厂东南方： 在焚烧垃圾发电厂东北方： 在焚烧垃圾发电厂东方： 在焚烧垃圾发电厂北方： 对于公式（5-1）中的采用的是高斯烟羽扩散模型中的高架源点源扩散模型，地面全部反射时。5.1.2 高架点源扩散大空间连续点源的高斯扩散模式 （5-6）其中由题知 ：污染物种类烟尘颗粒物浓度平均值（）42.1255.1925.35 由当地的大气稳定度得到 的值 为风速方向上的距离由题目所给数据计算出平均风速（）的值 方向天数（）平均风速（）西南1262.9246西北272.6370西793.0063南263.1269东南141.6143东北231.8478东111.5090北221.9045(1) 高架点源扩散模式。 点源在地面上的投影点作为坐标原点，有效源位于z轴上某点， ，高架有效源的高度由两部分组成，即，其中h为排放口的有效高度，是热烟流的浮升力和烟气以一定速度竖直离开排放口的冲力使烟流抬升的一个附加高度。但是因为焚烧炉足够高，我们可以近似认为气体排出时垂直速度较小，假使，即=如图510所示。 当污染物到达地面后被全部反射时，可以按照全反射原理，用“像源法”来求解空间某点k的浓度。图510中k点的浓度显然比大空间点源扩散公式（5-6）计算值大，它是位于(0，0，H)的实源在k点扩散的浓度和反射回来的浓度的叠加。反射浓度可视为由一与实源对称的位于(0，0，H)的像源（假想源）扩散到k点的浓度。由图可见，k点在以实源为原点的坐标系中的垂直坐标为()，则实源在k点扩散的浓度为式（5-6）的坐标沿z轴向下平移距离H： (5-7) k点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标为()，则像源在k点扩散的浓度为式（5-6）的坐标沿z轴向上平移距离H： (5-8) 由此，实源与像源之和即为k点的实际污染物浓度： (5-9) 若污染物到达地面后被完全吸收，则0，污染物浓度，即式（5-7）。 (2)地面全部反射时的地面浓度。实际中，高架点源扩散问题中最关心的是地面浓度的分布状况，尤其是地面最大浓度值和它离源头的距离。在式（5-9）中，令，可得高架点源的地面浓度公式： (5-10) 上式中进一步令则可得到沿x轴线上的浓度分布： (5-11) 地面浓度分布如图图511所示。y方向的浓度以x轴为对称轴按正态分布；沿x轴线上，在污染物排放源附近地面浓度接近于零，然后顺风向不断增大，在离源一定距离时的某处，地面轴线上的浓度达到最大值，以后又逐渐减小。5.1.3 补偿方案的确定 经济补偿金额 人身损害 财产损害 精神损害 烟尘颗粒物 烟尘颗粒 烟尘 运用层次分析法计算各个指标的权重大小，将3个判定指标分别两两因素成对比较，比较时取尺度。用来表示第i个因素相对于第j个因素的比较结果，即人身损害赔偿、财产损害赔偿、精神损害赔偿得到成对比较矩阵A 然后根据matlab代码（2）编程求出对的最大特征根的特征向量作为权向量，即满足，对最大特征根的特征向量进行归一化处理，得权向量 = 进行一致性检验，以及成对比较矩阵的一致性指标CI 即一致性指标RI的数值如下表N1234567891011RI000.580.921.411.451.491.51从而计算对比较矩阵的一致性比率CR， 由于CR0.1，从而认为的不一致程度在允许范围之内，可以用其特征向量作为权向量。根据所得的权向量从而确立判定指标体系，权向量为 组合权向量 ：三种污染物浓度、烟尘颗粒物分别对人身损害、财产损害、精神损害的组合权向量，不妨设它们分别为 、 这里的矩阵（=1,2,3）中的元素，是各个浓度对于人身损害、财产损害、精神损害的优越性的比较尺度，由成对比较矩阵计算出权向量，最大特征根和一致性指标，其结果如下：1230.4290.4290.1290.4290.4290.2770.1420.1420.595333.005000.003 组合权向量应为各个判定指标对赔偿金额的权向量和各个浓度对判定指标的权向量两两乘积之和，即 于是得到组合权向量=（0.3290,0.3782,0.2928） 式子中的0.1的选取是具有可信度的，所以，我们根据向量内中的比例，按照其具体的比例大小具体分配赔偿的方案。为单位总污染物浓度影响下的赔偿金额 （元）5.2问题二的求解 因为除尘装置损坏，所以排放的污染物浓度会急剧增加，温度也会明显升高，在以相同模型考虑污染物扩散的时候，要考虑到热烟流的浮升力和烟气以一定速度竖直离开排放口的冲力使烟流抬升的一个附加高度，因此就不能忽视的高度。并且由于污染物的整体浓度会大幅度增加，所以二恶因这一污染物对环境的危害也不能忽视。但是分析空气污染对环境危害时重金属忽略。 假设认为袋式除尘装置发生故障的概率为p；在发生故障的情况下，其排放的污染物浓度为Q;Q正常污染物的排放量（附件2)计算可知 由假设的情况可知，在袋式除尘装置损坏的情况下，污染物排放量的浓度期望为: 所以在问题2的动态监控过程中，不仅考虑了问题1动态监控系统中的所有因素，还考虑的烟羽抬升高度。 对于在计算赔偿方案的过程中，我们在问题1的前提下额外增加了二恶英这个因素对赔偿方案的影响，结合具体文献查到的一系列指标，初步建立评判指标，并再次运用层次分析法将指标重新进行权重大小分析，从而得出按照不同污染物浓度的具体赔偿金额的方案。并且使用指标的判断标准进行模型优劣的判断。5.2.1 有风（ m/s），中性和不稳定条件，建议按下式计算烟气抬升高度H（m）（1） 当烟气热释放率大于或等于是2100KJ/s，且烟气温度与环境温度的差值大于或等于35K时，采用下式计算： (1) (2)式中： -烟气热状况及地表系数，见下表；-烟气热释放率指数，见下表；-排气筒高度指数，见下表；-烟气热释放率，KJ/s；-排气筒距地面几何高度，m ，超过去240m时，取H=240m；-标准大气压力，KPa ，-实际排烟率，m3/s；-烟气出口温度与环境温度差，K；-烟气出口温度，K；-环境大气温度，K，如无实测值，可取邻近气象台（站）季或年平均值；-排气筒出口处平均风表 的选取，地表状况（平原）农村或城市远郊区1.4271/32/3城市及近郊区1.3031/32/3且农革或城市远郊区0.3323/52/5城市及近郊区0.2923/52/5（2）当时， 式中：-排气筒出口处烟气排出速度，m/s；-排气筒出口直径，m； -按（1）方法计算，、按表中值较小的一类选取； 、-与（1）中的定义相同。（3）当 KJ/s或者时，接下来的处理方式与问题一的处理方式一样，仍然用AERMOD模型和高斯高架点源扩散模型，得到浓度的表达式见问题一的步骤。5.2.2 重新制定补偿方案 经济补偿金额 烟尘颗粒物 二恶英 运用新给出的四个指标、烟尘颗粒物、二恶英，分别两两因素成对比较（采取1-9尺度），形成成对比较矩阵 以及成对比较矩阵的一致性指标 即一致性指标RI的数值如下表N1234567891011RI000.580.921.411.451.491.51从而计算对比较矩阵的一致性比率CR， 由于，从而认为的不一致程度在允许范围之内，可以用其特征向量作为权向量。 根据问题一中的具体赔偿的计算方法，对问题二中作为权向量进行赔偿金额计算 （元） 如果当天污染物急剧增加，那一天的赔偿方案就用此种方案。如果没有急剧增加，也即除尘装置没有损坏，就用问题一种的方案赔偿。 六、模型结果的分析和推广本文给出的赔偿标准还算比较合理，但是其判定的指标有限，没有把所有的因素都考虑进去，而且对其进行的权值缺乏论证。但是我们在算正常情况下的污染物的排放量只用了当地焚烧炉中的一个以及只调用了一个月的具体排放数据，这样的数据有一定的局限性。另外在处理考虑污染物的种类时只考虑了四种具体的污染物也是具有一定的片面性。AERMOD模型对于污染物的扩散以及层次分析法对于垃圾焚烧厂周围的居民的具体赔偿有了很系统和准确的解决。总体来说，我们此组的模型还是具有一定的推广价值。 七、参考文献1 姜启源 谢金星 叶俊 数学模型（第三版） 高等教育出版社224-239页2 /view/90c1d454f01dc281e53af01b.html3 /view/c595c0416c175f0e7cd1376d.html4 邓新民 重庆环境保护1984年04期 确定大气扩散参数的方法 5 王淑兰 孟志鹏 丁信伟 化学工艺与工程 第20卷 第4期 适用于固定的工业源泄放的扩散模型 -AERMOD 八、程序和附件 Matlab编程代码:Matlab（2）subplot(2,4,1);ezplot(log(2310-0.6*x)/(2310-0.6*y)-(9.8*y-9.8*x+0.5*8.53*y)/(-22638+5.88*x);axis(0 6 0 6);title(XN);subplot(2,4,2);ezplot(log(2310-0.6*x)/(2310-0.6*y)-(9.8*y-9.8*x+0.5*6.95*y)/(-22638+5.88*x);axis(0 6 0 6);title(XB);subplot(2,4,3);ezplot(log(2310-0.6*x)/(23