垃圾焚燒廠的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償問(wèn)題

楊瑩

摘要：“垃圾圍城”是世界性難題，在今天的中國(guó)顯得尤為突出。因此，垃圾焚燒正逐步成為中國(guó)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(shè)的垃圾焚燒電廠在運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)了環(huán)境污染問(wèn)題，給垃圾焚燒技術(shù)在我國(guó)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(duì)而難以落地的局面。

本文根據(jù)當(dāng)垃圾焚燒廠排放符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，垃圾焚燒發(fā)電廠排放污染物的濃度變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了污染區(qū)域內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)方法，并對(duì)不同污染程度的區(qū)域給出了不同的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償方案。

關(guān)鍵詞：高斯煙羽模型；模擬仿真；Logistic生長(zhǎng)曲線；支付意愿模型；

1.模型的假設(shè)

1.1 假設(shè)垃圾焚燒廠設(shè)在深圳市經(jīng)緯度為（22.686033，114.097586）處，計(jì)劃處理垃圾量1950噸/天，設(shè)置三臺(tái)可處理垃圾650噸/天的焚燒爐，排煙口高度80米，每天24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)；

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

1.3 污染源的源強(qiáng)是連續(xù)且均勻的，初始時(shí)刻云團(tuán)內(nèi)部的濃度、溫度呈均勻分布。擴(kuò)散過(guò)程中不考慮云團(tuán)內(nèi)部溫度的變化，忽略熱傳遞、熱對(duì)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(fēng)速方向，整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中風(fēng)速的大小、方向保持不變，不隨地點(diǎn)、時(shí)間變化而變化；

1.6 地面對(duì)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(duì)良好的環(huán)境和補(bǔ)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(kuò)散模型

2.1.1 模型建立

建立高斯煙羽模型，通過(guò)建立三維坐標(biāo)系模擬計(jì)算污染氣體擴(kuò)散區(qū)域及其濃度，進(jìn)而得到不同區(qū)域的污染程度。

建立以原點(diǎn)為垃圾焚燒廠煙囪在地面上的投影點(diǎn)，X軸正向?yàn)轱L(fēng)速方向，Y軸在水平面上垂直于X軸，正向在X軸的左側(cè)，Z軸垂直于水平面xoy，向上為正向。在此坐標(biāo)系下，煙囪頂端出口的坐標(biāo)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(shè)可以導(dǎo)出下風(fēng)向任意一點(diǎn)X（x，y，z）處泄漏氣體濃度的函數(shù)為：

上式為無(wú)界空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模型公式，然而在實(shí)際中，由于地面的存在，煙羽的擴(kuò)散是有界的。根據(jù)假設(shè)可以把地面看做一鏡面，對(duì)泄漏氣體起全反射作用，采用像源法處理如圖2，任一點(diǎn)p處的濃度看做兩部分的貢獻(xiàn)之和：一部分是不存在地面時(shí)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(dāng)于不存在地面時(shí)由位于（0，0，H）的實(shí)源和位于（0，0，-H）的像源在P點(diǎn)處所造成的泄漏物濃度之和。

X（x，y，z）為下風(fēng)向x米、橫向y米、地面上方z米處的擴(kuò)散的氣體濃度，單位為kg/m3；Q為源強(qiáng)，單位為kg/s；u為平均風(fēng)速，單位為m/s；σy為水平擴(kuò)散參數(shù)，單位為m；σz為垂直擴(kuò)散參數(shù)，單位為m；t為泄漏后是時(shí)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(fēng)向x米、橫向y米處的地面擴(kuò)散氣體濃度，單位為kg/m3；令y=0，則可以得到下風(fēng)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(shí)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(qiáng)Q

當(dāng)焚燒爐的燃燒排放符合國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，三種主要污染物顆粒物、SO2、NOx的源強(qiáng)分別為9027.78 mg/s，14831.35 mg/s，19345.24mg/s。

2.1.2.2 風(fēng)速和風(fēng)向

通過(guò)查閱目標(biāo)地點(diǎn)的相關(guān)風(fēng)速和風(fēng)向的資料，可以做出風(fēng)速的柱狀圖，平均風(fēng)速為u=2.6892m/s

，依據(jù)目標(biāo)地的風(fēng)向記錄資料全年主導(dǎo)風(fēng)向可知目標(biāo)地常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)。

2.1.2.3 擴(kuò)散系數(shù)（σy，σz）

通過(guò)Google地圖觀察垃圾焚燒廠周圍地形，主導(dǎo)風(fēng)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(shí)際擴(kuò)散中氣團(tuán)從煙口排出時(shí)，由于受到熱力抬升和本身的動(dòng)量，產(chǎn)生一個(gè)抬升高度ΔH。因而H=HS+ΔH，選用霍蘭德（Holland）公式計(jì)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(fēng)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(fēng)速可使用冪指數(shù)法，通過(guò)與地面的風(fēng)速對(duì)比得U=U0（HH0）p；U/U0：分別為H和H0高度處的平均風(fēng)速，m/s；p：風(fēng)速高度指數(shù)。分析該發(fā)電廠周圍地形并結(jié)合該發(fā)電廠實(shí)況，確定p=0.16，H=80，H0=10。計(jì)算得煙囪出口出平均風(fēng)速u=3.7509 m/s

，煙囪的熱排放率公式QH=CpV0（Ts-Ta）

，Cp指標(biāo)況下的煙氣平均比定壓熱容，取Cp=1.38kg/m3K；V0為標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)?shù)仄骄鶞囟?。根?jù)當(dāng)?shù)責(zé)煔馀欧艛?shù)據(jù)可得V0=81.86，Ts=150，計(jì)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(kuò)散的仿真圖

基于以上模型，將各參數(shù)代入到模型中，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)垃圾焚燒廠附近的污染物濃度進(jìn)行模擬擴(kuò)散，此處以顆粒物為例：

由圖可知，顆粒物的主要沿主導(dǎo)風(fēng)向軸擴(kuò)散，參考國(guó)家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，空氣中顆粒物的濃度限值為50ug/m3，得主導(dǎo)風(fēng)向下游顆粒物污染區(qū)域?yàn)?000m；依據(jù)此方法依次可得SO2的濃度限值為80ug/m3，主導(dǎo)風(fēng)向下游污染區(qū)域?yàn)?000m；NOx的濃度限值為50ug/m3，主導(dǎo)風(fēng)向下游污染區(qū)為4000m。

2.1.4 垃圾焚燒廠周圍監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取

由污染物濃度模擬圖可知，污染物受主導(dǎo)風(fēng)向的作用，主要向垃圾焚燒廠西南方向擴(kuò)散，且三種污染物的擴(kuò)散范圍存在差異。以國(guó)家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》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(yuǎn)的接近污染物濃度限值的區(qū)域、居民區(qū)所在地設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，本著節(jié)約成本原則，對(duì)垃圾焚燒廠周圍空氣狀況進(jìn)行檢測(cè)，下圖是在垃圾焚燒廠周圍設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)：

2.2 模型二：經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償模型

2.2.1 模型的建立分析

2.2.1.1 經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)脑瓌t

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

2.2.1.2 生態(tài)價(jià)值理論

生態(tài)價(jià)值隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的提高而顯現(xiàn)出來(lái)，人們對(duì)生態(tài)價(jià)值的重視度以及為此支付的意愿隨之變化。當(dāng)生存占主導(dǎo)，人們?yōu)樯鷳B(tài)環(huán)境支付的意愿小，支付能力低。經(jīng)濟(jì)水平較高時(shí)，人們對(duì)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(gè)理論，使用logistic生長(zhǎng)曲線進(jìn)行描述，對(duì)生態(tài)價(jià)值的認(rèn)識(shí)變化以及為之支付意愿的變化特征可以用S型生長(zhǎng)曲線甲乙描述。Logistic生長(zhǎng)曲線簡(jiǎn)化模型為：

y表示社會(huì)生態(tài)價(jià)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(duì)數(shù)的底。將上式與人民的生活水平結(jié)合，確定人們的支付意愿。引入恩格爾系數(shù)（

Engels）的倒數(shù)來(lái)代表時(shí)間t。令T=t+3，做相應(yīng)轉(zhuǎn)換，再根據(jù)深圳市的恩格爾系數(shù)Eni、生態(tài)價(jià)值支付意愿模型來(lái)確定各受益對(duì)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(lái)極大的影響。對(duì)居民的補(bǔ)償分為直接經(jīng)濟(jì)損失補(bǔ)償Vα和風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)損失補(bǔ)償Vβ兩個(gè)部分。綜合支付意愿模型，得到實(shí)際賠償額為：

2.2.3 模型的求解

2.2.3.1 直接補(bǔ)償部分Vα

依據(jù)不同區(qū)域污染物濃度相對(duì)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的比率實(shí)現(xiàn)“區(qū)別補(bǔ)償”，得到

K為補(bǔ)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(guó)家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)顆粒物、SO2和NOx三種主要污染物，在某一地點(diǎn)，補(bǔ)償金額取決于超標(biāo)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(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)補(bǔ)償部分Vβ

考慮污染物對(duì)居民身體健康造成危害的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)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(fèi)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(fèi)用；pi為第i種疾病的患病概率。通過(guò)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(gè)補(bǔ)償區(qū)來(lái)補(bǔ)償。距離垃圾焚燒廠較近的區(qū)域，污染物濃度相對(duì)較高，應(yīng)得到較多的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償；反之經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償相對(duì)較少。依據(jù)此原則將垃圾焚燒廠周圍劃分為Ⅰ類補(bǔ)償區(qū)、Ⅱ類補(bǔ)償區(qū)、Ⅲ類補(bǔ)償區(qū)，三個(gè)區(qū)域距離焚燒廠分別為0-500m、500-1500m、1500-3000m。

通過(guò)MATLAB模擬得三類補(bǔ)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(jì)補(bǔ)償模型中，得第Ⅰ類補(bǔ)償區(qū)補(bǔ)償金額4178元。同理，得出第Ⅱ類補(bǔ)償區(qū)和第Ⅲ類補(bǔ)償區(qū)的補(bǔ)償金額分別為1870元和349元。

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