第三道题

垃圾焚烧厂的经济补偿问题摘要近年来由于生活垃圾的不断增多，出现了垃圾成堆的问题，而垃圾焚烧解决了这一问题，但却不可避免地带来了新的环境污染，对周围居民造成困扰。

首先，本文通过综合考虑焚烧厂位置周围一年的风向、地形、周围建筑物，以及相关数据，采用方程数学方法，引入高斯扩散模型的公式：()()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=)21`exp(21`exp 2exp 2,,,222222Z Z y z y H z H z y u Q H z y x X σσσσσπ 在有风作为影响因素条件下，对垃圾焚烧厂周边污染物浓度进行了研究。

然后再根据分析计算，将得到的参数源强Q ，烟气有效高度H ，水平扩散参数y σ和垂直扩散参数z σ，代入“高斯烟羽扩散模型”公式。

再结合地形地貌，人口密集程度等资料选出9个最佳监测点，进而求解各监测点的污染物最大落地浓度。

由于所研究的三种污染物对各监测点的污染程度影响不同，利用层次分析法根据所测定各监测点的每种污染物浓度对颗粒物、2SO x NO 进行赋权处理，得到污染物对于各监测点污染程度的综合影响指数，从而对监测点污染程度进行综合排名。

最后，利用按垃圾处理量补偿方法依据各监测点污染程度的权重系数确立出一套合理的周围居民风险承担资金补偿方案。

对于问题二，我们在问题一的基础上，通过建立故障发生概率的正态分布模型，对高斯烟羽扩散模型进行进一步的修改和优化，调整源强Q ，烟气有效高度H ，及水平扩散参数y σ和垂直扩散参数z σ的数值，并加入故障发生的概率J 这个系数对模型进行分析和修改，从而对问题一中的环境动态监测方案和经济补偿方案进一步完善和优化。

关键词：高斯烟羽扩散模型 层次分析法 污染指数 故障概率 正态分布模型一问题重述“垃圾围城”是世界性难题，在今天的中国显得尤为突出。

2012年全国城市生活垃圾清运量达到1.71亿吨，比2010年增长了1300万吨。

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。

城市垃圾经过分类处理，剔除可回收垃圾和有害垃圾后将剩余垃圾在焚烧炉中焚烧处理，既可避免垃圾填埋侵占大量的土地，又可利用垃圾焚烧产生的能量进行发电等获得可观的经济效益。

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，许多城市的新建垃圾焚烧厂选址都出现因居民反对而难以落地的局面。

事实上垃圾焚烧厂对环境的污染风险与建设投资规模、运行监管力度有直接关系。

小型垃圾焚烧厂由于没有规模效应，在污染治理方面的投入也会受到影响，致使其污染物排放比较严重，难以达到国家新的排放标准，对环境的危害较大。

尤其是目前建厂选址尤为困难，所以国内各大城市目前均倾向于采用新型大型焚烧炉的焚烧厂取代分散的小型焚烧炉的举措。

然而大型焚烧厂又存在需要考虑垃圾运输成本与道路建设成本等问题，因此对于不同城市来说，究竟该把大型焚烧厂的建设规模控制在什么水平，这是一个值得研究的课题。

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。

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。

请你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（参见附件1），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。

以你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，附件2给出了一台可处理垃圾350吨/天的焚烧炉正常运作时的在线排放监测记录）。

请在考虑故障发生概率的情况下修正你设计的监测方法和补偿方案。

二 问题分析2.1问题一(1)的分析本题是求解垃圾焚烧厂焚烧炉的污染排放对周边环境的影响及补偿机制，在此类问题中，用数学模型模拟并预测大气污染物输送与扩散是一种常用且有效的手段。

对连续的气态污染源在有风时对周围空气质量的影响预测，其基本形式都是高斯烟羽扩散模型，故可对此题采用高斯烟羽扩散模型求解。

由于本题是对垃圾焚烧炉排烟口污染物排放进行分析，故可将其视为高架点源进行分析，然后再对三台焚烧炉的污染物对周围环境的影响进行叠加。

在建立模型的过程中，要对其参数进行必要的分析，对数据进行处理，从而得到源强Q ，烟气有效高度H ，及水平扩散参数y σ和垂直扩散参数z σ的数值。

再根据垃圾焚烧厂周边的地形地貌及天气等因素选取9个监测点，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。

2.2问题一(2)的分析这里利用问题一（1）的模型先算出9个监测点各污染物的浓度，再结合层次分析法对颗粒物，x NO SO ,2进行适当的赋权处理，通过建立两两判断矩阵，最终得到各监测点的空气污染程度综合排名。

对于居民风险承担经济补偿问题，补偿方式可分为按人口补偿、土地补偿和 垃圾处理量补偿三种方式，我们结合垃圾焚烧厂周边居民的整体情况，在本文中选择了按垃圾处理量进行补偿。

再由以上所设计的污染物动态监测体系能够得到各监测点空气污染权值，结合不同风向的风频设计出合理的经济补偿方案，最后得出各监测点的赔偿金额。

2.3问题二的分析由概率论的知识可知，焚烧炉的污染物排放量符合正态分布；故我们可以对主要的污染物烟尘浓度，二氧化硫，氮氧化合物在3月份的排放数据进行正态拟合；然后对比2014年垃圾焚烧污染控制标准，得出焚烧炉出现故障的情况下，各种污染物日均排放量的超标概率。

结合第一题的赔偿标准，拟定新的赔偿标准。

通过新的赔偿标准对垃圾焚烧厂附近的居民进行赔偿。

三 模型假设（1）题目给出的各组数据真实可信，不考虑人为因素，具有监测意义；（2）基于垃圾焚烧产生的主要污染物为颗粒物、2SO 、x NO ，所以此处不考虑其他污染物排放；（3）影响大气环流的各项因素不会出现非预期的剧烈变化，不考虑污染物浓度骤变的情况；（4）污染物扩散过程中不考虑云团内部温度的变化，忽略热传递、热对流及热辐射，污染气体不发生沉降、分解，不发生任何化学反应等，不考虑降雨天气的影响；（5）将焚烧炉视为高架点源，三台焚烧炉对环境的影响相互独立，其对环境的影响可进行叠加；（6）取x 轴为平均风速方向，整个扩散过程风速大小、方向均保持不变，不随地点、时间变化而变化。

四 符号说明五 模型建立与求解5.1问题一（1）的解决我们将题目提供信息与相关资料相结合，所研究污染物的扩散情况及落地浓度可用高斯烟羽模型进行模拟与测定。

所谓高斯烟羽扩散模型，是一种专门用来模拟空间中呈正态分布的污染物在气象条件（风速、风向）、源强、扩散系数以及排放浓度影响下的扩散状况的基本模型，也是一种用来测定各监测点每种污染物最大落地浓度的可靠方法。

由于此题中从题目附件和相关资料均无法获得污染源有效高度、烟囱直径之类的数据，所以将题目中提供的烟囱高度加上抬升的高符号 定义i P 第i 个监测点的权重比值总W 焚烧厂赔偿的总金额i W 焚烧厂给第i 个监测点的赔偿金额i K 第i 个监测点的风频y σ 污染气体在y 方向分布的标准差，单位为：m/sz σ 污染气体在z 方向分布的标准差，单位为：m/sX 任一点污染物的浓度，单位为：3/m kgQ 强源（）即源释放速度，单位为：kg/sH 污染源有效高度，单位为：mJ污染物超标的概率度视为污染源的有效高度。

综上所述，焚烧垃圾所产生的污染物扩散方式符合高斯烟羽模型的一般适用情况，因此用该模型计算出各监测点各类污染物的落地浓度，进而对周边污染物进行合理的动态监测。

5.1.1关于气象条件数据的分析——风向风速上世纪80年代，研究学者对生活垃圾焚烧厂周围大气中污染物浓度的分布研究发现，生活垃圾焚烧厂烟气排放、2SO 、x NO 和气候条件有直接相关。

垃圾焚烧厂所在地的气象数据由深圳市气象站提供，气象预报的风向和风速指的是距地面10m 高处在一定时间内观测到的平均风速。

通过对垃圾焚烧厂所在区域一年的风向风速资料进行统计处理，绘制出如下统计图（图5-1），从图中可以清晰明了地看出该地区一年内的风向风速情况。

图5-1 年平均风速图从图中可以看出该地区南风的平均风速比较大，达到3.1/ms ，西南风、西风以及西北风的风速都比较接近于3/ms 的风速，而北、东北、东、东南各方向的风速都在在1.7/ms 左右。

为更加直观地反映该地的主导风向、风速的具体情况，我们用宜宾市气象局气候服务中心制的风玫瑰图绘制工具做出该地的风向玫瑰图5-2。

图5-2 风向玫瑰图从图中可以得出当地主导风向为西南风以及各个方向风的出现频率。

5.1.2 焚烧厂周边污染物监测点的选取选择环境动态监测点在设计监测方法中至关重要，它直接影响到所设计的环境动态监测体系是否合理适用，所以通过以上对垃圾焚烧厂地形地貌及气象条件数据的分析，结合《环境影响评价技术导则-大气环境》中所指出的：“各个监测点要有代表性，环境监测值应能够反应各环境敏感区域、各环境功能区的质量，以及预计受项目影响的高浓度区的环境质量。

”[8]我们决定在垃圾焚烧厂周边5km之内敏感区域选择了极具代表性的9个监测点，分别为：平湖生态园、铁岗水库、平湖镇（龙口水库）、观澜镇、甘坑水库、布吉镇（仙湖植物园）、深圳市（梅林、银湖水库）、石岗镇、公明镇（大顶岭山林公园）。

5.1.3用高斯烟羽模型测定各监测点污染物的最大落地浓度高斯烟羽模型的坐标系如图5-3所示，原点为排放点，x轴正向为风速方向，y轴在水平面上垂直于x轴，正向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面xoy，向上为正向。

在此坐标系下烟流中心线或烟流中心线在xoy面的投影与x轴重合。