XXXX深圳杯C题垃圾焚烧厂的经济补偿

1垃圾焚烧厂的经济补偿问题摘要如今，大量的生活垃圾堆积已经成为一个世界性难题，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，但同时造成的环境污染问题不可小觑。本文在进行科学定量分析的基础上，尝试确立一套可行的为民众所信服的全方位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。问题一要求在一种可以实现对烟气排放和周围环境受影响状况的动态监控体系的基础上，设计出合理的居民经济赔偿方案。针对烟气排放的问题，本文首先建立高斯扩散模型，对地面反射作用、重力沉降、雨洗三个因素进行修正发现只是改变了源强Q和有效源高度的表达式而已。随即模拟出主要排放污染物颗粒物和2SO、xNO的空间分布规律。用MATLAB绘出图形可以得到三种污染物浓度随居住区和垃圾焚烧厂的距离增加，先增大后减小的分布规律。在此基础上，我们引入s变权函数，构建综合环境污染程度的评价体系，量化随距离增加居民区的综合环境污染指数，体现垃圾焚烧厂对周围环境中西南地区的影响状况较大，对东北方向居民区的影响较小。针对赔偿方案，本文将其分为直接赔偿和间接赔偿。计算空气污染程度的间接赔偿时，在赔偿金额与该地综合污染指数成正比的基础上，本文还综合考虑了居民的心理因素，即引入随着居民区到垃圾焚烧厂距离变化的权值30.354.520.52100x，得到公式()()*C(,,,)WxGxxyzu结合文献资料，我们发现垃圾焚烧排放物中的剧毒二噁英的沉降土壤的危害较大，因此本文引入混合库模型对其累计浓度进行计算，作为经济赔偿中的直接赔偿。故总补偿费用应为(x)sCW。在最后落实赔偿金额的阶段，因为考虑到实际可操作性，本文按照烟尘比例将居民区划分为五个区域，对其进行分段赔偿。针对问题二，由于危险废物焚烧设施环境风险的特点是概率低，而一旦发生故障以后，会有巨大的危害。在假设故障发生情况下，将故障发生的总体概率)1(1'31mmPP考虑到动态监测方案中，由于源强hQ的变化，对原有的高斯烟羽模型优化修正，得到)/(3NmmgC的联立计算式。将修正后的浓度值代入赔偿方案中，得到最终的赔偿费用函数),,,(*)('''uzyxCxGKSKIWCsqsoils关键词：高斯扩散模型动态监控混合库模型S型变权函数2一、问题重述与分析1.1问题一假定焚烧炉的排放符合国家新的污染物排放标准，题目要求我们根据垃圾焚烧厂周围的环境，设计一种可以实现对烟气排放和周围环境受影响状况的动态监控。为了确定监测点的分布，我们建立高斯扩散模型，并根据风频、风速、降雨对其进行修正。将其分为直接赔偿和间接赔偿。计算空气污染程度的间接赔偿时，在赔偿金额与该地综合污染指数成正比的基础上，综合考虑居民的心理因素，即引入随着居民区到垃圾焚烧厂距离变化的权值模拟出排放的污染物随空间分布的规律。结合居民区环境污染综合指标，依据划分赔偿区域，设计合理的周围居民风险承担经济补偿方案。1.2问题二由于设备故障时，源强hQ会产生巨大的变化，需要重新计算在发生故障时的污染物浓度，故对高斯烟羽模型进行优化，使之成为有关故障概率'P有关的函数。而对于概率'P，缺少数据，需要查阅相关文献，确定其值。根据新得出的优化高斯烟羽模型对动态监测方案与赔偿方案进行修正。二、模型假设（1）将焚烧炉视为高架点源，三台焚烧炉对环境的影响相互独立，其对环境的影响可进行叠加（2）污染物的浓度在y、z轴上的分布是高斯分布（正态分布）的；（3）污染源的源强是连续且均匀的，初始时刻云团内部的浓度、温度呈均匀分布；（4）扩散过程中不考虑云团内部温度的变化，忽略热传递、热对流及热辐射；（5）在水平方向，大气扩散系数呈各向同性；（6）取x轴为平均风速方向，整个扩散过程中风速的大小、方向保持不变，不随地点、时间变化而变化；（7）整个过程中，泄漏气体不发生沉降、分解，不发生任何化学反应等3三、符号说明符号符号说明u污染物扩散层的平均风速);,,(HzyxC在空间中某处污染物的稳定浓度Q污染物的单位时间实际排量hQ烟气热释放率zy,Y，Z轴方向的污染物扩散系数)(xW在与垃圾焚烧厂距离为x处的间接经济补偿金额T垃圾焚烧厂周边地区的环境大气温度sT烟气出口温度qK空气质量修正系数sK与垃圾焚烧厂与居住点距离、风速相关的修正系数sC直接经济补偿金额soilI013年深圳城镇居民人均单位面积土地收入S个人拥有土地面积4四、模型的建立与求解4.1问题一模型的建立与求解4.1.1高斯扩散模型的建立在符合国家排放标准的前提下，根据附件2中烟气成分（颗粒物和酸性气体）的数据，本文考虑用环境污染中的空气污染程度，来评价对垃圾焚烧厂周围环境的影响程度。为了解决垃圾焚烧炉排放烟气扩散【1】【2】的问题，我们首先建立坐标系，原点：高架源排放点在地面上的投影；X轴：主风向；Y轴：横风向；Z轴：垂直向。我们假设污染物浓度在y，z方向符合正态分布，那么根据正态分布密度函数公式，222)(21)(yexf就可得出辐射污染物浓度单一在Y方向上扩散的计算公式222)(CyyyoyeC）（（5-1）式中）（yC为辐射污染物单一在Y方向上任一点的浓度值）（3/mbp，)(oCy为0y时的浓度值3/mbp，即Y轴上的最大浓度值，相应于正态分布密度函数公式中的21，y为y轴方向上的标准差，即辐射污染水平扩散参数同理，在铅直方向上也可得出222)(CxxxoxeC）（（5-2）根据二元正态分布公式，)()(),(zfyfzyf得）（222221CzyzyoeC（5-3）式中：C为三维空间中任一点上辐射污染物的浓度）（3/mbp；oC为x轴线上某点的辐射污染物浓度）（3/mbp；zy、分别为水平辐射污染扩散参数和铅直辐射污染扩散参数；y、z分别为横风向和铅直向距下风向的垂直距离(m)．根据（5-6）式，5我们只要在z轴线上测得某一点^的浓度值，就可以计算出经过该点并垂直于z轴的截面上任一点的污染物浓度值(见图1)．但是如果我们要计算空问中任意点M（x，y，z）的污染物浓度时(如A点、B点……），还必须再测得与之相应的21xx、等点的浓度值．这样就显得（5-6）式的适应性不够厂泛．因此需找出一个适应面广泛的oC的数学表达式来．为此我们特做图3并在一个与z轴垂直的烟流截面图（图上任取一个小面元dydz）。图1截面上任一点的污染物浓度值分布图图2烟流截面小面元dydz图假定由污染源O排放出的污染物全都从这个小面元dydz中通过，根据连续性原理和质量守恒定律，单位时间内通过这个小面元dydz的污染物就应该等于污染源0单位时间内排放出来的污染物的质量Q．因而可用下式来表示Qdydzuc-式中：C为污染源0排放出来的污染物浓度(bq/3m)；Q为污染源0单位时间内排放出来的污染物的质量(mq/s)将（5-7）代入（5-8）得。Qdydzuzyzy-)(2102222eC（5-9）的左边=-)2-22222eedzdyuzyzy对-222edyyy来说，由于0;:[.]yy；6令：yyt2，则--2222e2edtdytyyyy（5-4）根据根据普哇松积分公式-2edtt，有ytydt2e2-2故222200-1Cexp[()]2C2yzyzyzudydzu（5-5）将该值代回（5-11）式得QC20zyu从而有zyu2QC0·将0C的值带回（5-9）即得2222Q1Cexp[()]22yzyzyzu4.1.2高斯模型的修正（一）反射修正由于高架源须考虑到地面对扩散的影响。作为坐标原点,有效源位于z轴上某点,z=H。我们先对地面对污染物起全反射作用的简单情况进行修正。按全反射原理，用“像源法”处理——把某一点P（x,y,z）的污染物浓度看成为两部分（实源和像源）作用之和。图3地面全反射时高斯模型实源贡献：221221((,,;)exp[()]22yzyzQyzHCxyzHu）虚源贡献：7222221((,,;)exp[()]22yzyzQyzHCxyzHu）然后我们考虑到重力沉降因素以及地面吸收对污染物扩散的影响，若有明显的重力沉降，粒子的沉降速度取决于空气阻力和重力平衡，可引入斯托克斯公式优化。同时，浓度值可表达为12CCC，：地面对污染物的反射系数。＝0表示地面对污染物全部吸收；＝1表示地面对污染物全部反射,对一般气态污染物和粒径小于10μm的颗粒物取＝1。对于其他粒径的颗粒物的取值参照下表：粒度范)(m15-3031-4748-7576-100平均粒径)(m22386085反射系数0.80.50..30表1颗粒物反射系数查阅资料，检验本题中颗粒物、2SO、xNO为粒径小于10μm的粒子。因此不考虑其重力沉降，并且取＝1，即12CCC：222222((zH)(,,;)exp()exp[]exp[]2222yzyzyQyzHCxyzHu）（二）雨洗作用雨洗系数：降雨对烟羽中的颗粒物及气溶胶具有清洗作用，可溶性气体与蒸汽亦可溶于雨水中，降雨过程造成的这类湿沉积是导致放射性气溶胶和气体向地面沉积的另一重要机制。通常以冲洗系数1(S)描述降雨对烟羽中污染物清洗作用的大小。其与雨强的关系可以表达为：baI式中：I：雨强，mm/h；a，b：经验系数，通常取41.2*10a，b=0.5；湿沉积的源强修正：对于湿沉积导致的烟羽耗减，可采用湿沉积耗减因子对源强Q进行修正，有(x)Qexp()xQu综上所述得到颗粒物、2SO、xNO在风力和湿沉积的作用下，浓度分布公式为：8222222()expexpexpexp2222ccyzyzzzHzHQxyCuu4.1.3参数的求解（一）平均风速u风速表示风的大小，即空气在单位时间内在水平方向上移动的距离。由于风既能输送污染物，又能使污染物与空气混合降低浓度，因而风对污染物的浓度起很大作用，是影响污染物扩散的一个重要的影响因子。大气对污染物的稀释扩散能力与风速的大小成正比，风速越大，大气的水平扩散稀释能力越强，污染物扩散的距离越远，受污染的区域面积越大，落到地面的污染物浓度越小：而风速小则相反，污染物扩散的距离近，容易形成局部地区的高浓度污染。因此风速决定着大气污染物影响的区域面积和影响程度嘲。在高斯模型中，u代表了污染物受水平风影响使污染物发生水平位移速度污染物自烟囱口喷出，受热力和动力作用很快到达有效高度，随着水平风运动并扩散，最后到达落地点，始终受到环境风速的水平作用。而环境风是随高度变化的，因此，u应为污染物扩散层的平均风速。本题可近似采用焚烧厂选址处的风向及风速资料数据，由附件4中数据可得：风向东东北北西北西西南南东南风速1.51.91.92.33.03.03.11.6天数11232227791262614风频3.4%7.0%6.7%7.7%23.9%39.1%8.0%4.3%表2风速统计表用风玫瑰图绘制工具作出风玫瑰图为：图4风玫瑰图9（二）烟气抬升烟囱排出的烟气常常会继续上升，经过一段距离以后逐渐变平，因而烟流最终的高度比烟囱更高，这种现象称为烟气抬升。在进行烟囱扩散规律计算时，需要计算烟囱的有效高度【3】(H)，它由烟囱的实体高度(sH)和烟气抬升高度(H)之和组成：sHHH图5烟气热力抬升示意图本题采用国家标准中的计算方法计算烟气有效高度。(1)有风、中性和不稳定的条件下(2)①当烟气热释放率hQ2100KJ/S，且烟气温度与环境温度的差值35TK时，1210nnhsHnQHu（5-10）0n，1n，2n的选取：环境hQn选取地表