基于垃圾焚燒廠的環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償方案的探討

趙滎仁（海南大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，海南　海口　570228）

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基于垃圾焚燒廠的環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償方案的探討

趙滎仁
（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南?？?70228）

摘要：針對(duì)實(shí)際中垃圾焚燒的環(huán)境監(jiān)控、經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償不完善的問題，本文基于深圳計(jì)劃建立一個(gè)中型垃圾廠的背景下，主要運(yùn)用高斯模型和模擬仿真方法對(duì)垃圾廠的外圍環(huán)境進(jìn)行污染物濃度數(shù)據(jù)預(yù)估，判斷近地面濃度關(guān)于位置的函數(shù)關(guān)系，參考國家相關(guān)污染物濃度限值標(biāo)準(zhǔn)，給附近人群聚集區(qū)進(jìn)行受污染等級(jí)分類，在被判斷為輕度污染以上的人群聚集區(qū)設(shè)置監(jiān)控，根據(jù)受污染程度制定補(bǔ)償?shù)燃?jí)，最后通牒博弈設(shè)置賠償金額參考值對(duì)居民進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償.

關(guān)鍵詞:高斯擴(kuò)散模型；模擬仿真；插值；最后通牒博弈

1　問題提出背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，垃圾生成量不斷增加，“垃圾圍城”已成為世界性難題.在中國目前全國三分之二以上的城市面臨“垃圾圍城”問題.由于高新技術(shù)缺乏、垃圾處理成本高且垃圾日產(chǎn)生量巨大等因素，垃圾焚燒成為我國垃圾處理的主要方式.合理的將垃圾分類處理并將可燃性垃圾進(jìn)行焚燒，不僅可有效減少垃圾填埋所侵占的土地面積，而且利用垃圾焚燒進(jìn)行發(fā)電等可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益.但是隨著工廠的大量涌現(xiàn)、投資者目光短淺等多方面原因，致使垃圾焚燒廠在運(yùn)營過程中出現(xiàn)環(huán)境污染問題，同時(shí)因垃圾焚燒廠目前的環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測體系主要建立在焚燒廠內(nèi)部，缺乏對(duì)外圍周邊環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，缺乏合理的居民經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償方案設(shè)定，許多城市新建的垃圾焚燒廠選址都遭受居民強(qiáng)烈反對(duì)而難以落實(shí).由此本文以建立數(shù)學(xué)模型的方式對(duì)該類問題作出相應(yīng)探討.

2　模型假設(shè)

2.1對(duì)污染源的基本假設(shè)

1.源強(qiáng)是連續(xù)均勻穩(wěn)定的；2.除該焚燒廠外，不考慮其它污染源對(duì)該地區(qū)的影響；3.污染量排放量越大，對(duì)周圍環(huán)境影響越大.4.污染量的排放與焚燒爐的規(guī)模成線性關(guān)系；5.擴(kuò)散過程中一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)速的大小、方向保持不變；6.所有污染物所適合擴(kuò)散模型相同，本文以SO2為例.

2.2對(duì)氣體擴(kuò)散的假設(shè)

1.在傳送擴(kuò)散中污染物不發(fā)生轉(zhuǎn)化，始終遵循質(zhì)量守恒；2.污染物濃度在y、z風(fēng)向上分布為正態(tài)分布；3.風(fēng)的平均流場穩(wěn)定，風(fēng)速均勻，風(fēng)向平直；4.地面污染物的反射是不完全的；5.假設(shè)污染物中無生化反應(yīng)，地面對(duì)污染物無吸收；6.氣體傳播服從擴(kuò)散定律.

2.3對(duì)監(jiān)控體系假設(shè)

1.每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控能力是相同的，即每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)對(duì)同一種污染物的監(jiān)控效果相同.2.監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)應(yīng)能真實(shí)準(zhǔn)確地反映出焚燒廠對(duì)周邊環(huán)境的影響.

3　數(shù)據(jù)預(yù)處理及仿真

3.1地形分析

從Google地圖上可清晰判斷出垃圾焚燒廠外圍地勢相對(duì)比較平坦，又因其南部及西南方向地區(qū)植被覆蓋率較高，與東部方向的居民區(qū)有較大差異，因此為了得到更好的動(dòng)態(tài)監(jiān)控體系，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行全方向上的污染濃度監(jiān)控.又為了更直觀的反映監(jiān)控范圍，用Photoshop軟件對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行采集整理.

3.2風(fēng)向整合

表1　風(fēng)向頻率統(tǒng)計(jì)

根據(jù)資料繪制出垃圾焚燒廠2011年4月至2012年3月的外圍風(fēng)向頻率表.

3.3數(shù)據(jù)處理、仿真

以該垃圾焚燒廠為中心點(diǎn)，正北方向?yàn)閄軸正方向，正西方向?yàn)閅軸正方向，用Z軸表示XoY平面一點(diǎn)處污染物的濃度，某一點(diǎn)的濃度值用顏色表示投映到XoY平面，即可反映該區(qū)域內(nèi)某一點(diǎn)近地面污染物濃度.參考國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)區(qū)SO2濃度限值0.02mg/m3，城市及工業(yè)區(qū)等地SO2濃度限值為0.06mg/m3，根據(jù)高斯模型，用matlab處理所給八個(gè)風(fēng)向的平均數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行濃度均值的計(jì)算，最后合成在同一坐標(biāo)系內(nèi)，再用插值擬合方法模擬出其他風(fēng)向數(shù)據(jù)，擬合出二維曲面表示該地濃度分布，為表示直觀方便，將其投映在該地地形平面，跟據(jù)濃度數(shù)值大小將其分為5個(gè)影響等級(jí).

4　模型的建立與求解

4.1大氣穩(wěn)定度判斷

對(duì)垃圾焚燒廠外圍進(jìn)行大氣穩(wěn)定度判斷是由于大氣的不穩(wěn)定會(huì)對(duì)污染物的擴(kuò)散造成影響，即影響污染物在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，大氣越不穩(wěn)定，污染物的擴(kuò)散速率就越快；反之就越慢.因此需要對(duì)垃圾焚燒廠外圍進(jìn)行大氣穩(wěn)定度判斷.查閱相關(guān)資料可采用特納爾方法，首先，根據(jù)某地、某時(shí)及太陽傾角的太陽高度角和云量確定太陽輻射等級(jí)；其次，由太陽的輻射等級(jí)和距地面10m的平均風(fēng)速確定大氣穩(wěn)定度的級(jí)別.具體步驟如下：

太陽高度角：

θh=arcsin[sinφsinδ+cosφcosδcos(15t+λ-300)]①太陽傾角：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=據(jù)查證我國提出的太陽輻射等級(jí)見表2，（表中總云量和低云量由地方氣象觀測資料確定.大氣穩(wěn)定度等級(jí)見表3，表中地面平均風(fēng)速指離地面10m高度處10min的平均風(fēng)速.）

表2　太陽輻射等級(jí)（中國）

表3　大氣穩(wěn)定度等級(jí)

由公式②計(jì)算出太陽傾角δ，把δ值代入①式計(jì)算太陽高度角θh（計(jì)算均采用MATLAB軟件，具體結(jié)果見副本），再根據(jù)表1、表2和表3讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，從而確定垃圾焚燒廠外圍的大氣穩(wěn)定度等級(jí).最終求出垃圾焚燒廠外圍大氣穩(wěn)定度等級(jí)分別為B、C、D、E四個(gè)級(jí)別.

4.2高斯擴(kuò)散模型的建立

由上可以確定出大氣穩(wěn)定度等級(jí)，又依題意知道排煙口高度為80米，因此選擇連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模型.以煙囪口作為連續(xù)點(diǎn)源，又因煙囪高80米，最終選擇在大空間點(diǎn)源擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)上使用高架點(diǎn)源擴(kuò)散模型.

4.2.1大空間點(diǎn)源擴(kuò)散

在模型中確定有效源位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，平均風(fēng)向?yàn)閤軸并指向x軸正方向.假設(shè)點(diǎn)源產(chǎn)生的污染物屬于自由擴(kuò)散，不受阻礙，下墊面對(duì)其無影響.大氣中的擴(kuò)散具有y與z兩個(gè)坐標(biāo)方向的二維正態(tài)分布，如果兩坐標(biāo)方向的隨機(jī)變量獨(dú)立，分布密度則為每個(gè)坐標(biāo)方向上一維正態(tài)分布密度函數(shù)乘積.根據(jù)概率論中正態(tài)分布函數(shù)公式：

取μ=0，可計(jì)算出點(diǎn)源下風(fēng)向上任一一點(diǎn)的濃度分布函數(shù)關(guān)系式：

4.2.2高架點(diǎn)源擴(kuò)散模式

設(shè)點(diǎn)源在地面上的投影為坐標(biāo)原點(diǎn)o，有效源位于z軸上某點(diǎn)，z=H.高架有效源的高度由兩部分組成，即H＝h＋Δh，其中h為排放口的有效高度，Δh是熱煙流的浮升力和煙氣以一定速度豎直離開排放口的沖力使煙流抬升的一個(gè)附加高度.

4.2.2.1地面全部反射效應(yīng)

在求解空間中某一P點(diǎn)濃度時(shí)，根據(jù)全反射原理采用“像源法”求解.然而，實(shí)際情況中P點(diǎn)的濃度值比大空間點(diǎn)源擴(kuò)散公式計(jì)算值大，因?yàn)閷?shí)際濃度值是由位于(0，0，H)的實(shí)源在P點(diǎn)擴(kuò)散的濃度和反射回來濃度的疊加值.在此情況下設(shè)位于與實(shí)源對(duì)稱點(diǎn)(0，0，－H)的像源擴(kuò)散到P點(diǎn)的濃度做為反射濃度.因P點(diǎn)的垂直坐標(biāo)為(z-H)，所以實(shí)源在P點(diǎn)的擴(kuò)散濃度為坐標(biāo)沿z軸向下平移H所對(duì)應(yīng)的值：

當(dāng)P點(diǎn)在以像源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的垂直坐標(biāo)為(z+H)時(shí)，則像源在P點(diǎn)的擴(kuò)散濃度為：

綜合以上內(nèi)容所述得知P點(diǎn)的實(shí)際污染濃度是實(shí)源Cs與像源Cx的和值.

若污染物到達(dá)地面后被完全吸收，則Cx=0，污染物濃度C(x,y,z,H)=Cs.

4.2.2.2地面全部反射時(shí)的地面濃度

針對(duì)實(shí)際中高架點(diǎn)源擴(kuò)散模型，地面濃度的分布狀況是不可忽略的研究對(duì)象，尤其是必須考慮地面最大濃度值與其離源頭的距離關(guān)系.因而需要對(duì)模型做進(jìn)一步修正.當(dāng)在實(shí)際濃度公式中令z＝0時(shí)可計(jì)算高架點(diǎn)源地面濃度：

進(jìn)一步令式中y＝0則可獲得沿x軸方向上的濃度分布：

4.2.3總高度H與擴(kuò)散系數(shù)σy、σz的求解

在求解實(shí)際污染物濃度過程中H和σy、σz未知，即此根據(jù)我國煙流抬升高度△h的計(jì)算方法[2]，[4]，需要根據(jù)煙氣的熱釋放率、煙囪出口煙氣溫度與環(huán)境溫度的溫差及地面狀況相結(jié)合計(jì)算，因?yàn)檫@四者的不同都將對(duì)煙流高度有影響，具體計(jì)算抬升式為，根據(jù)上述中所計(jì)算出來的大氣穩(wěn)定度級(jí)別參照國家標(biāo)準(zhǔn)算出風(fēng)廓線冪指數(shù).將其值代入中分別計(jì)算出垃圾焚燒廠外圍不同大氣穩(wěn)定度下的煙流抬升高度△h、煙流抬升高度與有效高度h的總高度H，在求擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，根據(jù)相關(guān)資料結(jié)合已得數(shù)據(jù)得出一定相關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)及大氣穩(wěn)定度級(jí)別[2].采用如下經(jīng)驗(yàn)公式確定擴(kuò)散參數(shù)σy、σz：

σy=γ1xα1及σz=γ2xα2（其中γ1、γ2、α1、α2都為擴(kuò)散系數(shù)，為距離）

到此，綜合上面全部所述內(nèi)容可以準(zhǔn)確算出各方向距離上的污染物實(shí)際濃度.從而更好的從周邊環(huán)境視角對(duì)垃圾焚燒廠外圍污染進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控.

4.3補(bǔ)償?shù)燃?jí)及最后通牒博弈

根據(jù)污染分布圖直接觀察出各個(gè)區(qū)域所受污染程度，建議在每一個(gè)居民聚集區(qū)安置監(jiān)控地點(diǎn)，便于濃度波動(dòng)在限制附近，及時(shí)通知附近居民疏散，確保測量信息的實(shí)效性.

對(duì)于經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償問題，考慮實(shí)際情況，在計(jì)算出實(shí)際污染物濃度的條件下，根據(jù)污染物濃度分布圖，判斷附近村莊所在區(qū)域受污染影響情況，將處于輕度污染區(qū)，中度污染區(qū)及重度污染區(qū)的村莊分別篩選出來，建立級(jí)別補(bǔ)償方案，針對(duì)村莊受污染程度進(jìn)行賠償.

每個(gè)級(jí)別補(bǔ)償方案具體賠償數(shù)額，應(yīng)參考垃圾焚燒廠經(jīng)濟(jì)總效益來分配，建立最后通牒博弈模型.

假設(shè)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的所有居民和垃圾焚燒廠都加入到經(jīng)濟(jì)總效益的分配當(dāng)中，設(shè)定總參與數(shù)為n，記參與人得到的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償值為pi，p=(p1,p2,…,pn)，定義i的效用函數(shù)為：

（其中覬i為“憤怒”系數(shù)，βi為“愧疚”系數(shù)），當(dāng)效用函數(shù)的期望達(dá)到最大值時(shí)，就可以得到有效函數(shù)的最優(yōu)解，此時(shí)就為垃圾焚燒廠的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)補(bǔ)償戰(zhàn)略.

4.4出現(xiàn)故障時(shí)的模型修正改進(jìn)

4.4.1故障概率的計(jì)算

利用SPSS軟件，用箱型圖識(shí)別題目附件二所給數(shù)據(jù)異常值，將28天的排量作出三種污染物的箱圖，由軟件分析可知，SO2的排放在25,26兩日是異常狀態(tài)，疑似為故障數(shù)據(jù)，現(xiàn)為了檢驗(yàn)這一推測，采用單因素方差分析，即將25、26兩日數(shù)據(jù)與其余天數(shù)的數(shù)據(jù)分為兩組，考察排量的差異是否是由設(shè)備故障所引起，其中其余天數(shù)記為組1，25、26日記為組2，及得出檢驗(yàn)結(jié)果.

設(shè)備故障率是設(shè)備暫時(shí)喪失其規(guī)定功能的狀況在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的比率[5].即：

4.4.2監(jiān)控及賠償方案的修正

由上一小節(jié)分析得知，只有在25、26兩日SO2排量為故障數(shù)據(jù).故真實(shí)平均排放量應(yīng)是去除故障數(shù)據(jù)后的平均值，再由該月規(guī)格為350噸/天的焚燒爐真實(shí)值推算出規(guī)格為650頓/天焚燒爐的真實(shí)排放量，重新根據(jù)高斯模型計(jì)算3臺(tái)規(guī)格為650頓/天的焚燒爐工作時(shí)的濃度分布，產(chǎn)生一個(gè)新的濃度分布圖發(fā)現(xiàn)原方案所估計(jì)濃度值偏高，實(shí)際真實(shí)值并沒有重度污染區(qū)，所以新的補(bǔ)償方案只需針對(duì)輕度污染區(qū)及重度污染區(qū)建立2套賠償方案即可.可根據(jù)新的濃度分布圖，判斷附近各地居民所受污染情況，再結(jié)合最后通牒博弈來建立每套賠償方案的具體標(biāo)準(zhǔn).

監(jiān)控地點(diǎn)的選取依然參照修正前的方法，將監(jiān)控點(diǎn)布置在受輕度污染以上區(qū)域，原則上每個(gè)居民聚集區(qū)安置至少一個(gè).

5　改進(jìn)方向

應(yīng)考慮在構(gòu)建濃度擴(kuò)散模型時(shí)，如遇雨水天氣，酸性氣體污染物可大幅度減小.本文建立平均濃度分布圖后，可以考慮計(jì)算超標(biāo)濃度天數(shù)出現(xiàn)的概率，從而在建立賠償機(jī)制時(shí)多考慮一個(gè)受污染時(shí)間的因數(shù).以計(jì)算SO2濃度的方法可算出其他污染物的污染濃度.應(yīng)綜合考慮所有污染物帶來的影響.

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收稿日期：2015年9月23日

中圖分類號(hào)：O175.2；X51

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2016）01-0030-03