基于垃圾焚烧厂的环境动态监控及经济补偿方案的探讨

赵荥仁（海南大学　机电工程学院，海南　海口　570228）



基于垃圾焚烧厂的环境动态监控及经济补偿方案的探讨

赵荥仁
（海南大学机电工程学院，海南海口570228）

摘要：针对实际中垃圾焚烧的环境监控、经济补偿不完善的问题，本文基于深圳计划建立一个中型垃圾厂的背景下，主要运用高斯模型和模拟仿真方法对垃圾厂的外围环境进行污染物浓度数据预估，判断近地面浓度关于位置的函数关系，参考国家相关污染物浓度限值标准，给附近人群聚集区进行受污染等级分类，在被判断为轻度污染以上的人群聚集区设置监控，根据受污染程度制定补偿等级，最后通牒博弈设置赔偿金额参考值对居民进行经济补偿.

关键词:高斯扩散模型；模拟仿真；插值；最后通牒博弈

1　问题提出背景

随着社会经济的发展，垃圾生成量不断增加，“垃圾围城”已成为世界性难题.在中国目前全国三分之二以上的城市面临“垃圾围城”问题.由于高新技术缺乏、垃圾处理成本高且垃圾日产生量巨大等因素，垃圾焚烧成为我国垃圾处理的主要方式.合理的将垃圾分类处理并将可燃性垃圾进行焚烧，不仅可有效减少垃圾填埋所侵占的土地面积，而且利用垃圾焚烧进行发电等可获得可观的经济效益.但是随着工厂的大量涌现、投资者目光短浅等多方面原因，致使垃圾焚烧厂在运营过程中出现环境污染问题，同时因垃圾焚烧厂目前的环境动态监测体系主要建立在焚烧厂内部，缺乏对外围周边环境的动态监测，缺乏合理的居民经济补偿方案设定，许多城市新建的垃圾焚烧厂选址都遭受居民强烈反对而难以落实.由此本文以建立数学模型的方式对该类问题作出相应探讨.

2　模型假设

2.1对污染源的基本假设

1.源强是连续均匀稳定的；2.除该焚烧厂外，不考虑其它污染源对该地区的影响；3.污染量排放量越大，对周围环境影响越大.4.污染量的排放与焚烧炉的规模成线性关系；5.扩散过程中一段时间内风速的大小、方向保持不变；6.所有污染物所适合扩散模型相同，本文以SO2为例.

2.2对气体扩散的假设

1.在传送扩散中污染物不发生转化，始终遵循质量守恒；2.污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布；3.风的平均流场稳定，风速均匀，风向平直；4.地面污染物的反射是不完全的；5.假设污染物中无生化反应，地面对污染物无吸收；6.气体传播服从扩散定律.

2.3对监控体系假设

1.每个监控点的监控能力是相同的，即每个监控点对同一种污染物的监控效果相同.2.监控点的数据应能真实准确地反映出焚烧厂对周边环境的影响.

3　数据预处理及仿真

3.1地形分析

从Google地图上可清晰判断出垃圾焚烧厂外围地势相对比较平坦，又因其南部及西南方向地区植被覆盖率较高，与东部方向的居民区有较大差异，因此为了得到更好的动态监控体系，根据实际情况进行全方向上的污染浓度监控.又为了更直观的反映监控范围，用Photoshop软件对监控区域进行采集整理.

3.2风向整合

表1　风向频率统计

根据资料绘制出垃圾焚烧厂2011年4月至2012年3月的外围风向频率表.

3.3数据处理、仿真

以该垃圾焚烧厂为中心点，正北方向为X轴正方向，正西方向为Y轴正方向，用Z轴表示XoY平面一点处污染物的浓度，某一点的浓度值用颜色表示投映到XoY平面，即可反映该区域内某一点近地面污染物浓度.参考国家环境空气质量标准，生态区SO2浓度限值0.02mg/m3，城市及工业区等地SO2浓度限值为0.06mg/m3，根据高斯模型，用matlab处理所给八个风向的平均数据，分别进行浓度均值的计算，最后合成在同一坐标系内，再用插值拟合方法模拟出其他风向数据，拟合出二维曲面表示该地浓度分布，为表示直观方便，将其投映在该地地形平面，跟据浓度数值大小将其分为5个影响等级.

4　模型的建立与求解

4.1大气稳定度判断

对垃圾焚烧厂外围进行大气稳定度判断是由于大气的不稳定会对污染物的扩散造成影响，即影响污染物在空气中的扩散系数，大气越不稳定，污染物的扩散速率就越快；反之就越慢.因此需要对垃圾焚烧厂外围进行大气稳定度判断.查阅相关资料可采用特纳尔方法，首先，根据某地、某时及太阳倾角的太阳高度角和云量确定太阳辐射等级；其次，由太阳的辐射等级和距地面10m的平均风速确定大气稳定度的级别.具体步骤如下：

太阳高度角：

θh=arcsin[sinφsinδ+cosφcosδcos(15t+λ-300)]①太阳倾角：δ=[0.006918-0.399912cosθ0+0.070257sinθ0-0.006758cos2θ0+0.000907sin2θ0-0.002697cos3θ0+0.00148sin3θ0]×

②上述式子中φ=22.686033,λ=114.097586,t=8，θ0=据查证我国提出的太阳辐射等级见表2，（表中总云量和低云量由地方气象观测资料确定.大气稳定度等级见表3，表中地面平均风速指离地面10m高度处10min的平均风速.）

表2　太阳辐射等级（中国）

表3　大气稳定度等级

由公式②计算出太阳倾角δ，把δ值代入①式计算太阳高度角θh（计算均采用MATLAB软件，具体结果见副本），再根据表1、表2和表3读取相关数据，从而确定垃圾焚烧厂外围的大气稳定度等级.最终求出垃圾焚烧厂外围大气稳定度等级分别为B、C、D、E四个级别.

4.2高斯扩散模型的建立

由上可以确定出大气稳定度等级，又依题意知道排烟口高度为80米，因此选择连续点源扩散模型.以烟囱口作为连续点源，又因烟囱高80米，最终选择在大空间点源扩散模型的基础上使用高架点源扩散模型.

4.2.1大空间点源扩散

在模型中确定有效源位置为坐标原点，平均风向为x轴并指向x轴正方向.假设点源产生的污染物属于自由扩散，不受阻碍，下垫面对其无影响.大气中的扩散具有y与z两个坐标方向的二维正态分布，如果两坐标方向的随机变量独立，分布密度则为每个坐标方向上一维正态分布密度函数乘积.根据概率论中正态分布函数公式：

取μ=0，可计算出点源下风向上任一一点的浓度分布函数关系式：

4.2.2高架点源扩散模式

设点源在地面上的投影为坐标原点o，有效源位于z轴上某点，z=H.高架有效源的高度由两部分组成，即H＝h＋Δh，其中h为排放口的有效高度，Δh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.

4.2.2.1地面全部反射效应

在求解空间中某一P点浓度时，根据全反射原理采用“像源法”求解.然而，实际情况中P点的浓度值比大空间点源扩散公式计算值大，因为实际浓度值是由位于(0，0，H)的实源在P点扩散的浓度和反射回来浓度的叠加值.在此情况下设位于与实源对称点(0，0，－H)的像源扩散到P点的浓度做为反射浓度.因P点的垂直坐标为(z-H)，所以实源在P点的扩散浓度为坐标沿z轴向下平移H所对应的值：

当P点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标为(z+H)时，则像源在P点的扩散浓度为：

综合以上内容所述得知P点的实际污染浓度是实源Cs与像源Cx的和值.

若污染物到达地面后被完全吸收，则Cx=0，污染物浓度C(x,y,z,H)=Cs.

4.2.2.2地面全部反射时的地面浓度

针对实际中高架点源扩散模型，地面浓度的分布状况是不可忽略的研究对象，尤其是必须考虑地面最大浓度值与其离源头的距离关系.因而需要对模型做进一步修正.当在实际浓度公式中令z＝0时可计算高架点源地面浓度：

进一步令式中y＝0则可获得沿x轴方向上的浓度分布：

4.2.3总高度H与扩散系数σy、σz的求解

在求解实际污染物浓度过程中H和σy、σz未知，即此根据我国烟流抬升高度△h的计算方法[2]，[4]，需要根据烟气的热释放率、烟囱出口烟气温度与环境温度的温差及地面状况相结合计算，因为这四者的不同都将对烟流高度有影响，具体计算抬升式为，根据上述中所计算出来的大气稳定度级别参照国家标准算出风廓线幂指数.将其值代入中分别计算出垃圾焚烧厂外围不同大气稳定度下的烟流抬升高度△h、烟流抬升高度与有效高度h的总高度H，在求扩散系数时，根据相关资料结合已得数据得出一定相关的扩散系数及大气稳定度级别[2].采用如下经验公式确定扩散参数σy、σz：

σy=γ1xα1及σz=γ2xα2（其中γ1、γ2、α1、α2都为扩散系数，为距离）

到此，综合上面全部所述内容可以准确算出各方向距离上的污染物实际浓度.从而更好的从周边环境视角对垃圾焚烧厂外围污染进行动态监控.

4.3补偿等级及最后通牒博弈

根据污染分布图直接观察出各个区域所受污染程度，建议在每一个居民聚集区安置监控地点，便于浓度波动在限制附近，及时通知附近居民疏散，确保测量信息的实效性.

对于经济补偿问题，考虑实际情况，在计算出实际污染物浓度的条件下，根据污染物浓度分布图，判断附近村庄所在区域受污染影响情况，将处于轻度污染区，中度污染区及重度污染区的村庄分别筛选出来，建立级别补偿方案，针对村庄受污染程度进行赔偿.

每个级别补偿方案具体赔偿数额，应参考垃圾焚烧厂经济总效益来分配，建立最后通牒博弈模型.

假设监测区域内的所有居民和垃圾焚烧厂都加入到经济总效益的分配当中，设定总参与数为n，记参与人得到的经济补偿值为pi，p=(p1,p2,…,pn)，定义i的效用函数为：

（其中覬i为“愤怒”系数，βi为“愧疚”系数），当效用函数的期望达到最大值时，就可以得到有效函数的最优解，此时就为垃圾焚烧厂的经济最优补偿战略.

4.4出现故障时的模型修正改进

4.4.1故障概率的计算

利用SPSS软件，用箱型图识别题目附件二所给数据异常值，将28天的排量作出三种污染物的箱图，由软件分析可知，SO2的排放在25,26两日是异常状态，疑似为故障数据，现为了检验这一推测，采用单因素方差分析，即将25、26两日数据与其余天数的数据分为两组，考察排量的差异是否是由设备故障所引起，其中其余天数记为组1，25、26日记为组2，及得出检验结果.

设备故障率是设备暂时丧失其规定功能的状况在单位时间内发生的比率[5].即：

4.4.2监控及赔偿方案的修正

由上一小节分析得知，只有在25、26两日SO2排量为故障数据.故真实平均排放量应是去除故障数据后的平均值，再由该月规格为350吨/天的焚烧炉真实值推算出规格为650顿/天焚烧炉的真实排放量，重新根据高斯模型计算3台规格为650顿/天的焚烧炉工作时的浓度分布，产生一个新的浓度分布图发现原方案所估计浓度值偏高，实际真实值并没有重度污染区，所以新的补偿方案只需针对轻度污染区及重度污染区建立2套赔偿方案即可.可根据新的浓度分布图，判断附近各地居民所受污染情况，再结合最后通牒博弈来建立每套赔偿方案的具体标准.

监控地点的选取依然参照修正前的方法，将监控点布置在受轻度污染以上区域，原则上每个居民聚集区安置至少一个.

5　改进方向

应考虑在构建浓度扩散模型时，如遇雨水天气，酸性气体污染物可大幅度减小.本文建立平均浓度分布图后，可以考虑计算超标浓度天数出现的概率，从而在建立赔偿机制时多考虑一个受污染时间的因数.以计算SO2浓度的方法可算出其他污染物的污染浓度.应综合考虑所有污染物带来的影响.

参考文献：

〔1〕庄正宁.环境工程基础[M].北京:中国电力出版社,2006.

〔2〕GB/T 3840-91,制定地方大气污染物排放标准的技术方法[S].

〔3〕姜启源.数学模型[M].北京:高等教育出版社,2011.

〔4〕GBl3223—96,火电厂大气污染物排放标准[S].

〔5〕王丽亚.生产计划与控制[M].北京：清华大学出版社, 2007.

收稿日期：2015年9月23日

中图分类号：O175.2；X51

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）01-0030-03