垃圾焚燒廠的經(jīng)濟補償問題

楊瑩

摘要：“垃圾圍城”是世界性難題，在今天的中國顯得尤為突出。因此，垃圾焚燒正逐步成為中國垃圾處理的主要手段之一。然而，由于多方面的原因，致使前些年各地建設的垃圾焚燒電廠在運營中出現(xiàn)了環(huán)境污染問題，給垃圾焚燒技術在我國的推廣造成了很大阻力，許多城市的新建垃圾焚燒廠選址都出現(xiàn)因居民反對而難以落地的局面。

本文根據(jù)當垃圾焚燒廠排放符合國家標準時，垃圾焚燒發(fā)電廠排放污染物的濃度變化規(guī)律，設計了污染區(qū)域內(nèi)環(huán)境監(jiān)測方法，并對不同污染程度的區(qū)域給出了不同的經(jīng)濟補償方案。

關鍵詞：高斯煙羽模型；模擬仿真；Logistic生長曲線；支付意愿模型；

1.模型的假設

1.1 假設垃圾焚燒廠設在深圳市經(jīng)緯度為（22.686033，114.097586）處，計劃處理垃圾量1950噸/天，設置三臺可處理垃圾650噸/天的焚燒爐，排煙口高度80米，每天24小時運轉；

1.2 不考慮垃圾焚燒廠三個焚燒爐排煙口之間的距離，將排煙口看做一個質(zhì)點；

1.3 污染源的源強是連續(xù)且均勻的，初始時刻云團內(nèi)部的濃度、溫度呈均勻分布。擴散過程中不考慮云團內(nèi)部溫度的變化，忽略熱傳遞、熱對流及熱輻射；

1.4 泄漏氣體是理想氣體，遵守理想氣體狀態(tài)方程；

1.5 取x軸為平均風速方向，整個擴散過程中風速的大小、方向保持不變，不隨地點、時間變化而變化；

1.6 地面對泄漏氣體起全反射作用，不發(fā)生吸收或吸附作用；

1.7 居民對良好的環(huán)境和補償金額的偏好相同。

2.模型的建立與求解

2.1 模型一：污染氣體擴散模型

2.1.1 模型建立

建立高斯煙羽模型，通過建立三維坐標系模擬計算污染氣體擴散區(qū)域及其濃度，進而得到不同區(qū)域的污染程度。

建立以原點為垃圾焚燒廠煙囪在地面上的投影點，X軸正向為風速方向，Y軸在水平面上垂直于X軸，正向在X軸的左側，Z軸垂直于水平面xoy，向上為正向。在此坐標系下，煙囪頂端出口的坐標為（0，0，80）煙流中心線或煙流中心線在xoy面的投影與X軸重合，由正態(tài)分布假設可以導出下風向任意一點X（x，y，z）處泄漏氣體濃度的函數(shù)為：

上式為無界空間連續(xù)點源擴散的高斯模型公式，然而在實際中，由于地面的存在，煙羽的擴散是有界的。根據(jù)假設可以把地面看做一鏡面，對泄漏氣體起全反射作用，采用像源法處理如圖2，任一點p處的濃度看做兩部分的貢獻之和：一部分是不存在地面時所造成的泄漏物濃度；一部分是地面反射作用增加的泄漏物濃度。該處的泄漏物濃度相當于不存在地面時由位于（0，0，H）的實源和位于（0，0，-H）的像源在P點處所造成的泄漏物濃度之和。

X（x，y，z）為下風向x米、橫向y米、地面上方z米處的擴散的氣體濃度，單位為kg/m3；Q為源強，單位為kg/s；u為平均風速，單位為m/s；σy為水平擴散參數(shù)，單位為m；σz為垂直擴散參數(shù)，單位為m；t為泄漏后是時間，單位為s；H為泄漏源有效高度，單位為m；y為橫向距離，單位為m；z為垂直方向距離，單位為m。

X（x，y，0）為下風向x米、橫向y米處的地面擴散氣體濃度，單位為kg/m3；令y=0，則可以得到下風向中心線上的濃度分布。

泄漏源有效高度是指泄漏氣體形成的氣云基本上變成水平狀的時候氣云中心的離地高度，等于泄漏源幾何高度加泄漏煙云抬升高度。

有效源高：H=HS+ΔH，HS為泄漏源幾何架高；H=HS+ΔH為煙云抬升高度。

2.1.2 模型的求解

2.1.2.1 源強Q

當焚燒爐的燃燒排放符合國家的排放標準時，三種主要污染物顆粒物、SO2、NOx的源強分別為9027.78 mg/s，14831.35 mg/s，19345.24mg/s。

2.1.2.2 風速和風向

通過查閱目標地點的相關風速和風向的資料，可以做出風速的柱狀圖，平均風速為u=2.6892m/s

，依據(jù)目標地的風向記錄資料全年主導風向可知目標地常年主導風向為西南風。

2.1.2.3 擴散系數(shù)（σy，σz）

通過Google地圖觀察垃圾焚燒廠周圍地形，主導風向下游以森林為主，可將其大氣穩(wěn)定度定位為D，（σy，σz）為：

2.1.2.4 煙云有效高度H

有效高度H是由兩部分組成，一是排煙口距地面的有效高度HS；二是在實際擴散中氣團從煙口排出時，由于受到熱力抬升和本身的動量，產(chǎn)生一個抬升高度ΔH。因而H=HS+ΔH，選用霍蘭德（Holland）公式計算如下：

ΔH=vsDu（1.5+2.7Ts-TaTsD）=1u（1.5vsD+9.6×10-3QH）

u：排煙口出口處的平均風速，m/s；vs：煙囪頂端出口排煙速度，m/s；D：排煙口頂端的內(nèi)徑，m；QH：排煙口的熱排放功率，kw。煙囪出口處的風速可使用冪指數(shù)法，通過與地面的風速對比得U=U0（HH0）p；U/U0：分別為H和H0高度處的平均風速，m/s；p：風速高度指數(shù)。分析該發(fā)電廠周圍地形并結合該發(fā)電廠實況，確定p=0.16，H=80，H0=10。計算得煙囪出口出平均風速u=3.7509 m/s

，煙囪的熱排放率公式QH=CpV0（Ts-Ta）

，Cp指標況下的煙氣平均比定壓熱容，取Cp=1.38kg/m3K；V0為標準狀態(tài)下的煙氣排放量，m3/s；Ts/Ta分別為出煙口氣體溫度和當?shù)仄骄鶞囟取８鶕?jù)當?shù)責煔馀欧艛?shù)據(jù)可得V0=81.86，Ts=150，計算得QH=14685.68kw。綜上，可得ΔH=48.3837m，有效高度H=Hs+ΔH=128.3837m。

2.1.3 基于高斯煙羽模型的污染物濃度擴散的仿真圖

基于以上模型，將各參數(shù)代入到模型中，運用MATLAB軟件對垃圾焚燒廠附近的污染物濃度進行模擬擴散，此處以顆粒物為例：

由圖可知，顆粒物的主要沿主導風向軸擴散，參考國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》，空氣中顆粒物的濃度限值為50ug/m3，得主導風向下游顆粒物污染區(qū)域為2000m；依據(jù)此方法依次可得SO2的濃度限值為80ug/m3，主導風向下游污染區(qū)域為3000m；NOx的濃度限值為50ug/m3，主導風向下游污染區(qū)為4000m。

2.1.4 垃圾焚燒廠周圍監(jiān)測點的選取

由污染物濃度模擬圖可知，污染物受主導風向的作用，主要向垃圾焚燒廠西南方向擴散，且三種污染物的擴散范圍存在差異。以國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》為依據(jù)，分別在垃圾焚燒廠附近污染物濃度高的區(qū)域、距離較遠的接近污染物濃度限值的區(qū)域、居民區(qū)所在地設置監(jiān)測點，本著節(jié)約成本原則，對垃圾焚燒廠周圍空氣狀況進行檢測，下圖是在垃圾焚燒廠周圍設置的監(jiān)測點：

2.2 模型二：經(jīng)濟補償模型

2.2.1 模型的建立分析

2.2.1.1 經(jīng)濟補償?shù)脑瓌t

按照“誰受益，誰補償，誰投入”的原則，建立補償機制。一是“受益補償”。垃圾焚燒發(fā)電廠為深圳市垃圾處理和電力供應起到很大作用，全體群眾都會受益。二是“區(qū)別補償”。居住在焚燒廠附近的居民會受到較嚴重的煙氣污染，較居民受污染少，不同區(qū)域的群眾的補償機制不同。三是“公平與效率”。根據(jù)受污染的程度確定補償機制。

2.2.1.2 生態(tài)價值理論

生態(tài)價值隨著經(jīng)濟發(fā)展和生活水平的提高而顯現(xiàn)出來，人們對生態(tài)價值的重視度以及為此支付的意愿隨之變化。當生存占主導，人們?yōu)樯鷳B(tài)環(huán)境支付的意愿小，支付能力低。經(jīng)濟水平較高時，人們對其重視程度就提高。

2.2.2 模型的建立

2.2.2.1 支付意愿模型

根據(jù)以上兩個理論，使用logistic生長曲線進行描述，對生態(tài)價值的認識變化以及為之支付意愿的變化特征可以用S型生長曲線甲乙描述。Logistic生長曲線簡化模型為：

y表示社會生態(tài)價值的支付意愿；k為y的最大值；a，b為人民生活水平所處的階段；e為常數(shù)；為自然對數(shù)的底。將上式與人民的生活水平結合，確定人們的支付意愿。引入恩格爾系數(shù)（

Engels）的倒數(shù)來代表時間t。令T=t+3，做相應轉換，再根據(jù)深圳市的恩格爾系數(shù)Eni、生態(tài)價值支付意愿模型來確定各受益對象的支付意愿W：

2.2.2.2 生態(tài)損失模型

由于垃圾焚燒廠排出的有害物質(zhì)給居民帶來極大的影響。對居民的補償分為直接經(jīng)濟損失補償Vα和風險承擔損失補償Vβ兩個部分。綜合支付意愿模型，得到實際賠償額為：

2.2.3 模型的求解

2.2.3.1 直接補償部分Vα

依據(jù)不同區(qū)域污染物濃度相對于國家標準的比率實現(xiàn)“區(qū)別補償”，得到

K為補償系數(shù)；Xi（x，y，0）為第i種污染物在（x，y，0）位置的濃度；Xi為第i種污染物的國家空氣質(zhì)量標準。針對顆粒物、SO2和NOx三種主要污染物，在某一地點，補償金額取決于超標程度Xi（x，y，0）Xi-1，Vα是三種污染物賠償金額總和。

2.2.3.2 風險承擔補償部分Vβ

考慮污染物對居民身體健康造成危害的風險，結合肺心病、慢支和肺癌這三種主要疾病的患病率以及治療費用估算得

PARi為第i種疾病歸因于大氣污染的百分比；Ei為第i種疾病治療的平均費用；pi為第i種疾病的患病概率。通過查找資料，得下表

考慮到方案的可操作性，將垃圾焚燒廠周圍地區(qū)劃分為三個補償區(qū)來補償。距離垃圾焚燒廠較近的區(qū)域，污染物濃度相對較高，應得到較多的經(jīng)濟補償；反之經(jīng)濟補償相對較少。依據(jù)此原則將垃圾焚燒廠周圍劃分為Ⅰ類補償區(qū)、Ⅱ類補償區(qū)、Ⅲ類補償區(qū)，三個區(qū)域距離焚燒廠分別為0-500m、500-1500m、1500-3000m。

通過MATLAB模擬得三類補償區(qū)顆粒物平均濃度為94ug/m3；SO2平均濃度為154ug/m3；NOx平均濃度為202ug/m3。將數(shù)據(jù)代入經(jīng)濟補償模型中，得第Ⅰ類補償區(qū)補償金額4178元。同理，得出第Ⅱ類補償區(qū)和第Ⅲ類補償區(qū)的補償金額分別為1870元和349元。

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