深圳杯垃圾焚烧厂的经济补偿问题.docx
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深圳杯垃圾焚烧厂的经济补偿问题
垃圾焚烧厂的经济补偿问题
摘要
“垃圾围城”是世界性的难题，在今天的中国显得尤为突出。
本文将针对深圳市的垃圾焚烧厂的环境动态监控以及附近居民补偿机制进行建模对其进行科学的定量评估。
对于环境动态影响监控，本文采用了高斯烟羽模型进行评估。
对于经济补偿方案，本文参照了《关于进一步加强生物质发电项目环境影响评价管理工作的通知》并且结合计算出的数据进行综合评估。
模型一是解决环境动态监控较有优势的高斯烟羽模型，在高斯烟羽模型中，通过高斯烟羽扩散以及正态分布，可以较准确的计算出污染物的污染范围以及范围内的污染物浓度。
通过计算出的数据确立最优的附近居民经济补偿方案。
最终通过上述模型分析的结果可以得出结论。
在正常排污的情况下，可以采用直接补偿与间接补偿相结合的方案。
在除尘装置损坏或出现故障的情况下，对附近居民可以采用间接补偿的方案。
关键词：
环境动态监控MATLAB软件高斯烟羽模型直接补偿间接补偿
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．问题分析与建模思路
问题一：
问题一要求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。
并用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。
附件1．污染物排放新标准
颗粒物20mg/m3（日均），30mg/m3（时均）
HCL50mg/m3（日均），60mg/m3（时均）
SO280mg/m3（日均），100mg/m3（时均）
NOx250mg/m3（日均），350mg/m3（时均）
汞0.1mg/m3
铅1.0mg/m3
二恶英0.1ngTEQ/m3
本文将引入高斯烟羽模型进行求解。
记x轴正向为风速方向，y轴在水平面上垂直x轴，正向在x轴左侧，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。
由题目要求可知，要考虑有风无风两种状态下的周围环境影响动态监控。
根据高斯烟羽模型中的正态分布可推导出公式在风向一定下任意一点X（x,y,z）处泄漏气体浓度的函数为—X（x,y,z）=A（x）e^（-ay^2）e^（-bz^2）。
根据问题阐述与实际分析建立此模型，并借助数学软件MATLAB进行求解。
经济补偿方案：
根据环境监控确定污染物落地范围及浓度，再依照《关于进一步加强生物质发电项目环境影响评价管理工作的通知》规定确定采用直接补偿还是间接补偿的方案。
问题二：
问题二要求考虑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。
考虑故障发生概率的情况下修正已经设计的监测方法和补偿方案。
3．基本假设与符号说明
3.1基本假设
1.假设泄漏气体均为理想气体
2.假设污染源排除废气时连续且均匀
3.假设地面对泄漏气体起全反射作用，且不发生吸收与吸附作用
4.假设整个过程泄漏气体不发生任何化学反应
5.假设当地无风或者风向匀速且定向
6.假设温度一定
3.2符号说明
1.z为泄漏气体在y、z方向分布的标准差
2.X为任一点处泄漏气体的浓度
3.u为平均风速
4.Q为源（即泄漏速度）
5.
为水平扩散参数
6.
为垂直扩散参数
7.t为泄漏后是时间
8.H为泄漏源有效高度
9.y为横向距离
10.z为垂直方向距离
四．模型的建立与求解
4.1问题一：
动态环境影响监控—高斯烟羽模型
4.1.1模型建立
根据问题一分析确立函数为:
X（x,y,z）=A（x）e-ay2e-bz2
满足条件：
1.污染物在y,z轴上是正态分布的。
2.污染源的源强是连续且均匀的，初始时刻云团内部的浓度，温度呈均匀分布。
3.泄漏气体是理想气体。
4.地面对泄漏气体起全反射作用，不发生吸收或吸附作用。
5.整个过程中泄漏气体不发生沉降，分解，不发生任何化学反应。
注：
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。
4.1.2模型求解
由概率统计理论可以写出方差的表达式：
由满足条件可以写出源强的积分公式：
式中：
、z为泄漏气体在y、z方向分布的标准差，单位为m；X（x,y,z）为任一点处泄漏气体的浓度，单位为kg/m3；u为平均风速，单位为m/s；Q为源（即泄漏速度），单位为kg/s；
上述积分可得：
上式为无界空间连续点源扩散的高斯模型公式，然而在实际中，由于地面的存在，烟羽的扩散是有界的。
根据假设可以把地面看做一镜面，对泄漏气体起全反射作用，并采用像源法处理，原理如图2.2所示。
可以把任一点p处的浓度看做两部分的贡献之和：
一部分是不存在地面时所造成的泄漏物浓度；一部分是由于地面反射作用增加的泄漏物浓度。
该处的泄漏物浓度即相当于不存在地面时由位于（0,0,H）的实源和位于（0,0,-H）的像源在P点处所造成的泄漏物浓度。
其中，实源的贡献为：
其中，像源的贡献为：
则该处的实际浓度为：
由以上条件公式可得到高架连续点源扩散的高斯烟羽模型公式为：
其中：
X（x,y,z）为下风向x米、横向y米、地面上方z米处的扩散的气体浓度，单位为kg/m
；Q为源强（即源释放速率），单位为kg/s；u为平均风速，单位为m/s；
为水平扩散参数，单位为m；
为垂直扩散参数，单位为m；t为泄漏后是时间，单位为s；H为泄漏源有效高度，单位为m；y为横向距离，单位为m；z为垂直方向距离，单位为m。
如：
式中，令z=0，即可得到地面气体浓度计算公式：
令y=z=0，即可得到地面轴线气体浓度计算公式：
其中，X（x,y,0）为下风向x米、横向y米处的地面扩散气体浓度，单位为kg/m
；若令y=0，则可以得到下风向中心线上的浓度分布。
4.2问题一：
风险承担经济补偿方案—直接补偿或间接补偿
4.2.1方案确立
垃圾焚烧项目的污染源主要来自如下几个方面:
垃圾焚烧过程中产生的烟气;垃圾堆放产生的渗沥液及生产、生活排出的废水;垃圾焚烧产生的炉渣、烟气处理收集的灰渣等;垃圾堆放产生的恶臭及厂内机械动力设备产生的噪声;另外,由未有效利用的热能从烟囱、冷却系统、热力设备和管道等向大量废热而造成的热污染以及因电晕现象和电场效应引起的电磁辐射污染。
为了减少污染物对周边居民及环境的危害,垃圾焚烧项目一般立项选址、环评、设计、建设和运营过程中按照国家相关法规和标准,加强对环境污染因子的监测分析和防治控制,虽然通过各种处理措施后,垃圾焚烧项目的各项污染物指标均符合或优于规定的标准,还是会增加周边的环境负荷,综合考虑焚烧发电的负面影响,弥补和抚慰影响区域的居民及企事业单位,建立和谐社会,须建立环境补偿机制。
4.2.2方案求解
直接补偿包括按人口补偿、土地补偿和垃圾处理量补偿3种方式。
按人口补偿:
对人口的补偿首先通过当地政府（街道或社区）核准统计补偿范围内受影响的人数,补偿的对象原则上以上年末登记在册的原居民为标准,然后结合当地经济发展水平确定每人补偿若干元,在环卫设施的运营期间内,从运营单位收入（主要是垃圾处理费收入）或政府财政中支付给当地受影响的社区,同时设监管部门监督,由社区自行决定分配方式,该费用随人员的增减而变化,可根据物价变化做相应调整。
该方式补偿标准明确,居民对补偿的感受度良好,但是利用这种补偿方式与项目运营效果的关联度不高,流动人口没有收益。
此外,当地政府统计人口有些困难,需要不断核准人数。
2）按土地补偿:
对于土地的补偿包括两部分,一部分是用地红线内征用的土地,除了正常拆迁补偿外,为便于项目的顺利推进所给予的额外补偿;另一部分是用地红线范围外使用价值和经营性收入受影响的土地,也应进行补偿。
确定补偿范围的土地后,结合当地经济发展水平确定每亩地补偿若干元,在环卫设施的运营期间内,从运营单位收入（主要是垃圾处理费收入）或政府财政中补偿给土地所有者。
此外,土地的补偿也可按照相同面积进行土地置换的办法。
对受影响土地进行经济补偿方法标准明确,计算简便,居民对补偿的感受度良好。
由于土地资源紧缺,土地置换方法可行性不高。
3）按垃圾处理量补偿:
划定环境补偿范围后,结合项目规模和当地经济发展水平确定每吨补偿若干元,从运营单位收入（主要是垃圾处理费收入）或政府财政中补偿给当地受影响的社区,同时设监管部门监督,由社区自行决定分配方式。
该方式补偿标准明确,居民对补偿的感受度良好,与项目运营效果的关联度高,简单易行,不受人员的增减而变化。
但费用的分配方式不明确。
间接补偿方法包括以下几种方式:
垃圾处理副产品回馈（包括灰渣、废铁、电、汽、热）;公共设施共享;发包工程、采购、用工的优先;实行部分税收减免;经营收入下降的补偿以及其他间接补偿方式（包括免费体检、扶贫、助学等）。
基于以上分析,推荐采用直接补偿和间接补偿相结合的方式对当地居民进行补偿。
直接补偿推荐按人口和土地进行补偿,即对补偿范围内的居民和土地按一定标准进行长期补偿。
该方式一方面可使受影响的居民个体直接受益,另一方面也弥补了项目周边补偿范围内土地利用价值降低而减少的经济收入,居民感受度良好。
间接补偿推荐按照公用设施共享的方法进行补偿,该补偿方式不仅使当地居民受益,也使焚烧厂的职工受益。
鉴于直接采用以上方式补偿时补偿费用与项目运营关联度不高,建议实施补偿时按垃圾处理量补偿方法操作,核算补偿标准时按照对人口和土地的补偿以及公用设施建设运营费用进行计算,再折算为每吨垃圾处理的补偿费。
该办法操作简便,与项目建设和运行关联度高,可保障项目建设进程和平稳运营,有利于和谐稳定。
根据问题一第一问求解得知，应采用直接补偿与间接补偿相结合的方法对当地居民进行补偿。
4.3问题二：
动态环境监控—高斯烟雨模型
4.3.1模型建立
根据问题一分析确立函数为:
X（x,y,z）=A（x）e-ay2e-bz2
满足条件：
1.污染物在y,z轴上是正态分布的。
2.污染源的源强是连续且均匀的，初始时刻云团内部的浓度，温度呈均匀分布。
3.泄漏气体是理想气体。
4.地面对泄漏气体起全反射作用，不发生吸收或吸附作用。
5.整个过程中泄漏气体不发生沉降，分解，不发生任何化学反应。
注：
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；当焚烧炉损坏时，污染源的云团浓度会增加，温度仍然均匀分布。
4.3.2模型求解
由概率统计理论可以写出方差的表达式：
由满足条件可以写出源强的积分公式：
式中：
、z为泄漏气体在y、z方向分布的标准差，单位为m；X（x,y,z）为任一点处泄漏气体的浓度，单位为kg/m3；u为平均风速，单位为m/s；Q为源（即泄漏速度），单位为kg/s；
上述积分可得：
上式为无界空间连续点源扩散的高斯模型公式，然而在实际中，由于地面的存在，烟羽的扩散是有界的。
根据假设可以把地面看做一镜面，对泄漏气体起全反射作用，并采用像源法处理，原理如图2.2所示。
可以把任一点p处的浓度看做两部分的贡献之和：
一部分是不存在地面时所造成的泄漏物浓度；一部分是由于地面反射作用增加的泄漏物浓度。
该处的泄漏物浓度即相当于不存在地面时由位于（0,0,H）的实源和位于（0,0,-H）的像源在P点处所造成的泄漏物浓度。
其中，实源的贡献为：
其中，像源的贡献为：
则该处的实际浓度为：
由以上条件公式可得到高架连续点源扩散的高斯烟羽模型公式为：
其中：
X（x,y,z）为下风向x米、横向y米、地面上方z米处的扩散的气体浓度，单位为kg/m
；Q为源强（即源释放速率），单位为kg/s；u为平均风速，单位为m/s；
为水平扩散参数，单位为m；
为垂直扩散参数，单位为m；t为泄漏后是时间，单位为s；H为泄漏源有效高度，单位为m；y为横向距离，单位为m；z为垂直方向距离，单位为m。
如：
式中，令z=0，即可得到地面气体浓度计算公式：
令y=z=0，即可得到地面轴线气体浓度计算公式：
其中，X（x,y,0）为下风向x米、横向y米处的地面扩散气体浓度，单位为kg/m
；若令y=0，则可以得到下风向中心线上的浓度分布。
通过借助数学软件MATLAB可以算出浓度污染范围扩散至1000m。
4.4问题二：
环境补偿问题
4.4.1补偿机制确立
垃圾焚烧项目的污染源主要来自如下几个方面:
垃圾焚烧过程中产生的烟气;垃圾堆放产生的渗沥液及生产、生活排出的废水;垃圾焚烧产生的炉渣、烟气处理收集的灰渣等;垃圾堆放产生的恶臭及厂内机械动力设备产生的噪声;另外,由未有效利用的热能从烟囱、冷却系统、热力设备和管道等向大量废热而造成的热污染以及因电晕现象和电场效应引起的电磁辐射污染。
为了减少污染物对周边居民及环境的危害,垃圾焚烧项目一般立项选址、环评、设计、建设和运营过程中按照国家相关法规和标准,加强对环境污染因子的监测分析和防治控制,虽然通过各种处理措施后,垃圾焚烧项目的各项污染物指标均符合或优于规定的标准,还是会增加周边的环境负荷,综合考虑焚烧发电的负面影响,弥补和抚慰影响区域的居民及企事业单位,建立和谐社会,须建立环境补偿机制。
4.4.2方案求解
由问题二第一问数据可知，应采用间接补偿的方案。
国内某垃圾焚烧厂采用了直接补偿的办法,对厂址土地持有人的居民,在运营期内,每人每月补贴150元,受惠人数约3300人,年补偿金额为594万元;对受影响的居民,在运营期内,每人每月补贴120元,受惠人数约1700人,年补偿金额24418万元;以上两项每年补偿的总费用为83818万元,折算以后的垃圾处理补偿费为每吨41194元。
可以见得，直接补偿方案损失很大，因此应采用间接补偿的方案。
5．模型的评价与推广
5.1优点
采用高斯烟羽模型作为动态环境监控优化方法的应用基础，结合相关的影响因素，能很好的解决实际问题。
本文涉及到的算法，效率高，精度高，解决实际问题方便快捷。
5.2缺点
本文考虑的影响因素不够全面，导致补偿方案的确立不是最优解。
5.3模型推广
本模型不仅适用于垃圾焚烧厂，还可以广泛的应用于化工厂，冶金厂等相应的补偿方案。
6．附录
烟气排放连续监测日均月报表
排放源名称：
排放源编号：
监测日期：
2014
年
时间
颗粒物（mg/m3）
颗粒物（折算）
颗粒物（t/d）
SO2（mg/m3）
SO2（折算）
SO2（t/d）
NOx（mg/m3）
NOx（折算）
NOx（t/d）
流量（万m3/d）
O2（%）
温度（℃）
水分含量（%）
湿氧（%）
备注
1
26.97
24.87
0.16
33.22
30.63
0.19
53.86
49.65
0.31
883.83
8.35
95.23
0
0
0
2
19.61
29.94
0.09
42.38
64.72
0.19
45.93
70.13
0.2
648.28
13.36
82.11
0
0
0
3
19.13
56.4
0.08
42.39
124.98
0.18
43.65
128.69
0.19
633.07
17.04
81.26
0
0
0
4
19.36
35.44
0.09
42.52
77.84
0.19
44.75
81.92
0.2
640.38
14.63
81.67
0
0
0
5
20.5
18.59
0.1
41.64
37.76
0.19
50.19
45.51
0.23
676.82
8.13
83.7
0
0
0
6
20.93
19.52
0.1
42.07
39.25
0.2
49.29
45.98
0.23
690.49
8.5
84.46
0
0
0
7
20.99
17.93
0.1
41.18
35.18
0.2
44.65
38.15
0.21
692.6
7.34
84.58
0
0
0
8
21
18
0.1
40.43
34.66
0.19
44.7
38.32
0.21
693.01
7.39
84.6
0
0
0
9
20.93
16.94
0.1
38.43
31.1
0.18
44.41
35.95
0.21
690.71
6.59
84.47
0
0
0
10
20.9
18.53
0.1
37.5
33.24
0.18
44.27
39.25
0.21
689.58
7.84
84.41
0
0
0
11
21.6
20.1
0.11
38.28
35.6
0.19
47.14
43.85
0.23
712.2
8.46
85.67
0
0
0
12
22.52
20.56
0.11
40.8
37.23
0.2
50.88
46.44
0.25
741.62
8.22
87.31
0
0
0
13
23.41
20.9
0.12
41.89
37.39
0.21
54.47
48.63
0.28
769.9
7.93
88.88
0
0
0
14
24.01
21.39
0.12
39.92
35.58
0.21
56.9
50.71
0.29
789
7.91
89.95
0
0
0
15
24.47
23.16
0.13
39.01
36.93
0.2
58.77
55.63
0.31
803.75
8.68
90.77
0
0
0
16
25.13
24.75
0.13
39.74
39.14
0.21
61.46
60.54
0.33
824.91
9.16
91.95
0
0
0
17
26.77
25.8
0.15
43.3
41.72
0.24
57.43
55.34
0.32
877.41
8.89
94.87
0
0
0
18
28.6
27.54
0.17
49.33
47.5
0.29
58.14
55.98
0.35
936.04
8.88
98.14
0
0
0
19
29.74
27.66
0.18
51.73
48.1
0.32
61.7
57.38
0.38
972.49
8.45
100.17
0
0
0
20
29.86
30.31
0.18
50.6
51.37
0.31
62.05
63
0.38
976.06
9.51
100.37
0
0
0
21
27.64
29.21
0.16
38.04
40.19
0.22
55.14
58.25
0.32
905.33
9.96
96.43
0
0
0
22
27.21
28.2
0.16
35.59
36.88
0.2
53.79
55.73
0.31
891.52
9.74
95.66
0
0
0
23
28.68
30.09
0.17
40.13
42.11
0.24
58.36
61.24
0.35
938.34
9.88
98.27
0
0
0
24
29.83
32.95
0.19
44.67
49.35
0.28
61.96
68.45
0.39
975.19
10.44
100.32
0
0
0
25
33.72
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