基于垃圾焚燒廠的環境動態監控及經濟補償方案的探討

趙滎仁（海南大學　機電工程學院，海南　海口　570228）

?

基于垃圾焚燒廠的環境動態監控及經濟補償方案的探討

趙滎仁
（海南大學機電工程學院，海南海口570228）

摘要：針對實際中垃圾焚燒的環境監控、經濟補償不完善的問題，本文基于深圳計劃建立一個中型垃圾廠的背景下，主要運用高斯模型和模擬仿真方法對垃圾廠的外圍環境進行污染物濃度數據預估，判斷近地面濃度關于位置的函數關系，參考國家相關污染物濃度限值標準，給附近人群聚集區進行受污染等級分類，在被判斷為輕度污染以上的人群聚集區設置監控，根據受污染程度制定補償等級，最后通牒博弈設置賠償金額參考值對居民進行經濟補償.

關鍵詞:高斯擴散模型；模擬仿真；插值；最后通牒博弈

1　問題提出背景

隨著社會經濟的發展，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.由于高新技術缺乏、垃圾處理成本高且垃圾日產生量巨大等因素，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行發電等可獲得可觀的經濟效益.但是隨著工廠的大量涌現、投資者目光短淺等多方面原因，致使垃圾焚燒廠在運營過程中出現環境污染問題，同時因垃圾焚燒廠目前的環境動態監測體系主要建立在焚燒廠內部，缺乏對外圍周邊環境的動態監測，缺乏合理的居民經濟補償方案設定，許多城市新建的垃圾焚燒廠選址都遭受居民強烈反對而難以落實.由此本文以建立數學模型的方式對該類問題作出相應探討.

2　模型假設

2.1對污染源的基本假設

1.源強是連續均勻穩定的；2.除該焚燒廠外，不考慮其它污染源對該地區的影響；3.污染量排放量越大，對周圍環境影響越大.4.污染量的排放與焚燒爐的規模成線性關系；5.擴散過程中一段時間內風速的大小、方向保持不變；6.所有污染物所適合擴散模型相同，本文以SO2為例.

2.2對氣體擴散的假設

1.在傳送擴散中污染物不發生轉化，始終遵循質量守恒；2.污染物濃度在y、z風向上分布為正態分布；3.風的平均流場穩定，風速均勻，風向平直；4.地面污染物的反射是不完全的；5.假設污染物中無生化反應，地面對污染物無吸收；6.氣體傳播服從擴散定律.

2.3對監控體系假設

1.每個監控點的監控能力是相同的，即每個監控點對同一種污染物的監控效果相同.2.監控點的數據應能真實準確地反映出焚燒廠對周邊環境的影響.

3　數據預處理及仿真

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比較平坦，又因其南部及西南方向地區植被覆蓋率較高，與東部方向的居民區有較大差異，因此為了得到更好的動態監控體系，根據實際情況進行全方向上的污染濃度監控.又為了更直觀的反映監控范圍，用Photoshop軟件對監控區域進行采集整理.

3.2風向整合

表1　風向頻率統計

根據資料繪制出垃圾焚燒廠2011年4月至2012年3月的外圍風向頻率表.

3.3數據處理、仿真

以該垃圾焚燒廠為中心點，正北方向為X軸正方向，正西方向為Y軸正方向，用Z軸表示XoY平面一點處污染物的濃度，某一點的濃度值用顏色表示投映到XoY平面，即可反映該區域內某一點近地面污染物濃度.參考國家環境空氣質量標準，生態區SO2濃度限值0.02mg/m3，城市及工業區等地SO2濃度限值為0.06mg/m3，根據高斯模型，用matlab處理所給八個風向的平均數據，分別進行濃度均值的計算，最后合成在同一坐標系內，再用插值擬合方法模擬出其他風向數據，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，跟據濃度數值大小將其分為5個影響等級.

4　模型的建立與求解

4.1大氣穩定度判斷

對垃圾焚燒廠外圍進行大氣穩定度判斷是由于大氣的不穩定會對污染物的擴散造成影響，即影響污染物在空氣中的擴散系數，大氣越不穩定，污染物的擴散速率就越快；反之就越慢.因此需要對垃圾焚燒廠外圍進行大氣穩定度判斷.查閱相關資料可采用特納爾方法，首先，根據某地、某時及太陽傾角的太陽高度角和云量確定太陽輻射等級；其次，由太陽的輻射等級和距地面10m的平均風速確定大氣穩定度的級別.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=據查證我國提出的太陽輻射等級見表2，（表中總云量和低云量由地方氣象觀測資料確定.大氣穩定度等級見表3，表中地面平均風速指離地面10m高度處10min的平均風速.）

表2　太陽輻射等級（中國）

表3　大氣穩定度等級

由公式②計算出太陽傾角δ，把δ值代入①式計算太陽高度角θh（計算均采用MATLAB軟件，具體結果見副本），再根據表1、表2和表3讀取相關數據，從而確定垃圾焚燒廠外圍的大氣穩定度等級.最終求出垃圾焚燒廠外圍大氣穩定度等級分別為B、C、D、E四個級別.

4.2高斯擴散模型的建立

由上可以確定出大氣穩定度等級，又依題意知道排煙口高度為80米，因此選擇連續點源擴散模型.以煙囪口作為連續點源，又因煙囪高80米，最終選擇在大空間點源擴散模型的基礎上使用高架點源擴散模型.

4.2.1大空間點源擴散

在模型中確定有效源位置為坐標原點，平均風向為x軸并指向x軸正方向.假設點源產生的污染物屬于自由擴散，不受阻礙，下墊面對其無影響.大氣中的擴散具有y與z兩個坐標方向的二維正態分布，如果兩坐標方向的隨機變量獨立，分布密度則為每個坐標方向上一維正態分布密度函數乘積.根據概率論中正態分布函數公式：

取μ=0，可計算出點源下風向上任一一點的濃度分布函數關系式：

4.2.2高架點源擴散模式

設點源在地面上的投影為坐標原點o，有效源位于z軸上某點，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附加高度.

4.2.2.1地面全部反射效應

在求解空間中某一P點濃度時，根據全反射原理采用“像源法”求解.然而，實際情況中P點的濃度值比大空間點源擴散公式計算值大，因為實際濃度值是由位于(0，0，H)的實源在P點擴散的濃度和反射回來濃度的疊加值.在此情況下設位于與實源對稱點(0，0，－H)的像源擴散到P點的濃度做為反射濃度.因P點的垂直坐標為(z-H)，所以實源在P點的擴散濃度為坐標沿z軸向下平移H所對應的值：

當P點在以像源為原點的坐標系中的垂直坐標為(z+H)時，則像源在P點的擴散濃度為：

綜合以上內容所述得知P點的實際污染濃度是實源Cs與像源Cx的和值.

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

4.2.2.2地面全部反射時的地面濃度

針對實際中高架點源擴散模型，地面濃度的分布狀況是不可忽略的研究對象，尤其是必須考慮地面最大濃度值與其離源頭的距離關系.因而需要對模型做進一步修正.當在實際濃度公式中令z＝0時可計算高架點源地面濃度：

進一步令式中y＝0則可獲得沿x軸方向上的濃度分布：

4.2.3總高度H與擴散系數σy、σz的求解

在求解實際污染物濃度過程中H和σy、σz未知，即此根據我國煙流抬升高度△h的計算方法[2]，[4]，需要根據煙氣的熱釋放率、煙囪出口煙氣溫度與環境溫度的溫差及地面狀況相結合計算，因為這四者的不同都將對煙流高度有影響，具體計算抬升式為，根據上述中所計算出來的大氣穩定度級別參照國家標準算出風廓線冪指數.將其值代入中分別計算出垃圾焚燒廠外圍不同大氣穩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，在求擴散系數時，根據相關資料結合已得數據得出一定相關的擴散系數及大氣穩定度級別[2].采用如下經驗公式確定擴散參數σy、σz：

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

到此，綜合上面全部所述內容可以準確算出各方向距離上的污染物實際濃度.從而更好的從周邊環境視角對垃圾焚燒廠外圍污染進行動態監控.

4.3補償等級及最后通牒博弈

根據污染分布圖直接觀察出各個區域所受污染程度，建議在每一個居民聚集區安置監控地點，便于濃度波動在限制附近，及時通知附近居民疏散，確保測量信息的實效性.

對于經濟補償問題，考慮實際情況，在計算出實際污染物濃度的條件下，根據污染物濃度分布圖，判斷附近村莊所在區域受污染影響情況，將處于輕度污染區，中度污染區及重度污染區的村莊分別篩選出來，建立級別補償方案，針對村莊受污染程度進行賠償.

每個級別補償方案具體賠償數額，應參考垃圾焚燒廠經濟總效益來分配，建立最后通牒博弈模型.

假設監測區域內的所有居民和垃圾焚燒廠都加入到經濟總效益的分配當中，設定總參與數為n，記參與人得到的經濟補償值為pi，p=(p1,p2,…,pn)，定義i的效用函數為：

（其中覬i為“憤怒”系數，βi為“愧疚”系數），當效用函數的期望達到最大值時，就可以得到有效函數的最優解，此時就為垃圾焚燒廠的經濟最優補償戰略.

4.4出現故障時的模型修正改進

4.4.1故障概率的計算

利用SPSS軟件，用箱型圖識別題目附件二所給數據異常值，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，疑似為故障數據，現為了檢驗這一推測，采用單因素方差分析，即將25、26兩日數據與其余天數的數據分為兩組，考察排量的差異是否是由設備故障所引起，其中其余天數記為組1，25、26日記為組2，及得出檢驗結果.

設備故障率是設備暫時喪失其規定功能的狀況在單位時間內發生的比率[5].即：

4.4.2監控及賠償方案的修正

由上一小節分析得知，只有在25、26兩日SO2排量為故障數據.故真實平均排放量應是去除故障數據后的平均值，再由該月規格為350噸/天的焚燒爐真實值推算出規格為650頓/天焚燒爐的真實排放量，重新根據高斯模型計算3臺規格為650頓/天的焚燒爐工作時的濃度分布，產生一個新的濃度分布圖發現原方案所估計濃度值偏高，實際真實值并沒有重度污染區，所以新的補償方案只需針對輕度污染區及重度污染區建立2套賠償方案即可.可根據新的濃度分布圖，判斷附近各地居民所受污染情況，再結合最后通牒博弈來建立每套賠償方案的具體標準.

監控地點的選取依然參照修正前的方法，將監控點布置在受輕度污染以上區域，原則上每個居民聚集區安置至少一個.

5　改進方向

應考慮在構建濃度擴散模型時，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，可以考慮計算超標濃度天數出現的概率，從而在建立賠償機制時多考慮一個受污染時間的因數.以計算SO2濃度的方法可算出其他污染物的污染濃度.應綜合考慮所有污染物帶來的影響.

參考文獻：

〔1〕莊正寧.環境工程基礎[M].北京:中國電力出版社,2006.

〔2〕GB/T 3840-91,制定地方大氣污染物排放標準的技術方法[S].

〔3〕姜啟源.數學模型[M].北京:高等教育出版社,2011.

〔4〕GBl3223—96,火電廠大氣污染物排放標準[S].

〔5〕王麗亞.生產計劃與控制[M].北京：清華大學出版社, 2007.

收稿日期：2015年9月23日

中圖分類號：O175.2；X51

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）01-0030-03