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2014年5月28日
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垃圾焚烧厂的经济补偿问题
摘要
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。
本文采用一种大气污染物的扩散模型-----高斯模式,对垃圾焚烧厂周围居民点的污染物浓度进行合理的预测,进而形成各居民点污染程度的评价,对不同等级的污染情况制定不同的赔偿标准。
本文主要采用微分方程方法,研究2011年4月到2012年4月垃圾焚烧厂所在地每天的风向、风速、降雨量等记录数据,以焚烧炉的污染物排放量、居住点离开垃圾焚烧厂的距离以及风速、风向、降雨量等气象因素为主要影响因素,研究这些因素对各居民点污染物浓度的影响,建立扩散方程,形成每个居民点每天每种污染物浓度的记录,进而计算空气污染指数API,然后以API为依据,形成污染程度的等级划分,进而形成不同污染等级的赔偿标准。
本文中用高斯模型计算得到的各地污染物浓度与实地监控得到的数据基本吻合,用计算得到的数据和我们检验用到的实测数据分别代入后续的API计算公式,所得到的污染分级大致形同,说明本文建立的模型与实际情况较为相符,具有可行性。
对于后续模型的改进,我们提出加入地形起伏等因素的影响(考虑到建筑物高度对污染物扩散的影响相对有限,所以在高度对模型影响时只考虑地形因素),这需要在原有扩散方程中加入kh因子,其中k为影响系数(假设h对浓度的影响是线性的,后续根据模型与实际浓度吻合情况考虑h的非线性影响),但由于时间限制,我们只提出了初步的想法,没能最终形成修正后的扩散方程。
关键词:
高架连续点源扩散模式,空气污染指数API,动态监控
1、问题重述
1.1问题背景
“垃圾围城”是世界性难题,在今天的中国显得尤为突出。
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。
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。
这就需要客观上对垃圾焚烧厂所排出的废气对本地区空气污染情况进行评价。
但是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。
基于上述情况,根据现有数据,运用数学建模的方法,对城市垃圾焚烧厂空气污染做出准确的分析,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和具体的赔偿标准
1.2问题提出
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。
要求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,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)。
在考虑故障发生概率的情况下修正监测方法和补偿方案。
2、模型假设
1)以右手坐标系(食指—x轴;
中指—y轴;
拇指—z轴)建立高斯模型的坐标系,原点:
为无界点源或地面源的排放点,或者高架源排放点在地面上的投影点;
x为主风向;
y为横风向;
z为垂直向
2)全部高度风速均匀稳定;
3)源强是连续均匀稳定的;
4)扩散中污染物是守恒的(不考虑转化);
5)污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布;
6)不考虑建筑物高度对污染物浓度的影响,即z=0,
3、符号说明
:
平均风速,m/s;
:
源强,g/s;
侧向扩散参数,污染物在y方向分布的标准偏差,m;
竖向扩散参数,污染物在z方向分布的标准偏差,m;
垃圾焚烧厂烟囱的高度;
横风向坐标;
主风向坐标;
、
在API分级限值表(表1)中最贴近C值的两个值,C大为大于C的限值,C小为小于C的限值;
在API分级限值表(表1)中最贴近I值的两个值,I大为大于I的值,I小为小于I的值;
测点逐时污染物浓度,n为测点的日测试次数;
某一污染物的日均值;
第i种污染物的污染指数;
4.问题分析
4.1问题一的分析
空气中的污染物通常都会受到风力降雨等自然因素以及扩散距离的影响,风力和降雨越大,距离污染源越远,污染物的浓度就会越小。
利用高架连续点源扩散模式,计算在风力和降雨影响下不同距离处居民区空气污染物的浓度,并把污染浓度换算成API指数。
以API为依据,结合当地的经济发展水平和国家相关规定算出垃圾焚烧厂附近居民应得的经济补偿。
下图为问题一建模的流程图.
4.2问题二的分析
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。
所以在焚烧炉因为故障而导致污染物排放量超出国家标准的时候,应该另外评估监测指标和赔偿标准。
要考虑到故障机器个数对污染物浓度的不同影响,就需要重新考虑污染物初始浓度,计算出此时的API值,与正常工作条件下的API值进行比较,最后将故障的概率考虑成权重从而计算出最后的补偿金额。
5问题的建立与求解
5.1对问题一的建模与求解
5.1.1扩散方程的建立
下图是高斯扩散模型的坐标系,
(5.1.1)
式(5.1.1)是高架连续点源扩散模式,为简单起见,我们忽略高度对居民点污染物浓度的影响,即令z=0,得到地面浓度模式:
(5.1.2)
由附件4及深圳市气象局网站提供的2011年4月至2012年4月的数据记录表,得到每天的风向、风速、降雨量等数据,由附件一得到垃圾焚烧厂烟囱每天排出的污染物浓度。
我们要根据烟囱排出的污染物浓度进一步得到各污染物的源强q.
对于源强的计算,假设烟囱是一个规则的圆柱体,底面直径为5m,高为80m.
烟囱形状如左图所示,则
其中,q为源强,单位是g/s;
c为污染物浓度,单位是mg/m3;
v为烟囱体积,单位是m3,r=5m为底面半径,h=80m为烟囱高度;
t为烟雾在排出之前在烟囱内平均停留的时间,由附件五知t大约为3s.
通过谷歌地图我们找到垃圾焚烧厂附近居民点的分布情况,我们选定6个居民区作为监控对象,这6个居民区分别是罗田社区、东方社区、光明新区西田社区、碧光社区、辅城坳社区、和禾花社区,为了叙述方便,将这6个社区分别记为社区A、B、C、D、E、F,他们距离焚烧厂的距离分别为3km、4.3km、5.5km、4.1km、1.6km、2.5km.
5.1.1.1大气扩散系数(
,
)的确定
扩散参数是表征湍流扩散剧烈程度的物理量,是影响污染物浓度的重要参数。
首先我们考虑使用P-G曲线法确定大气扩散系数,该法的要点是首先根据帕斯奎尔划分大气稳定度的方法来确定大气稳定度级别;
然后从图4-4和图4-5中查得对应的扩散参数σy和σz;
最后将σy、σz代入前面介绍的高斯扩散模式中,就可估计出各种情况下的浓度值。
帕斯奎尔在1961年推荐一种仅需要常规气象观测资料就能估算σy,σz的方法,吉福德(Gifford)进一步将它制成应用更方便的图表。
应用观测到的风速、云量、云状和日照等天气资料,将大气扩散稀释能力分为6个等级:
A—极不稳定,B—不稳定,C—弱不稳定,D—中性,
E—弱稳定,F—稳定。
若稳定级别为A~B,则表示按A、B级的数据内插。
可见,稳定度需要根据各居民点每天的风速和降雨量(是否阴天)确定。
下一步,要根据P-G曲线得到
。
但在实际的建模过程中我们发现利用P-G图虽然比较直观,但读数精度差,且不便于使用计算机计算,因此我们考虑使用一组经验公式作为代替,通过查阅资料,我们找到了一种较为精确的公式【1】,
(5.1.3)
这个公式是在Martin【2】提出的
(5.1.4)
基础上进一步拟合得到的,该经验公式和拟合结果可以在0.01~100.00km范围内较好地表示水平和垂直方向上的大气扩散系数。
接下来,我们需要确定(5.1.3)中系数a、b、c、g、e。
公式(5.1.3)在水平方向上扩散系数的拟合结果如下表:
在垂直方向上扩散系数的拟合结果为:
5.1.1.2计算出6个居民点在高斯模型中的坐标(x,y)
以垃圾焚烧发电厂为坐标圆心,将6个居民区的方位用角度表示,即用0°
表示正东方向,45°
表示东北方向,90°
表示正北方向,以此类推,结合各居民点距离中心点的距离建立居民区的空间分布图。
依据上文假设知道,高斯模型里的x轴方向为正风向,在不同风向下,有不同的x轴,也就有不同的六组位置坐标。
注:
0°
(180°
)表示x轴正向为0°
,对应的,此时风向为180°
,即西风。
上表即不同风向(x轴)下居民点的地理坐标。
5.1.1.3某种污染物浓度的最终确定
由附件四的风向数据得到垃圾焚烧发电场附近的风向频率图,
显然,225°
,即西南方向的风频最高,相应的,位于45°
,即东北方向的居民点受污染情况应该最严重,理论上,我们最终由高斯方程得到的东北方向居民点E的污染物浓度应
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