深圳市垃圾焚烧厂建模

1、 深圳市垃圾焚烧厂环境指标监控及其经济补偿建模1、姓名： 邓慧芳 学院： 电气与控制工程学院 专业班级 ： 自动化1205班 电话：2、姓名： 刘珍珍 学院：电气与控制工程学院 专业班级 ： 自动化1205班 电话：3、姓名： 宋文波 学院：电气与控制工程学院 专业班级： 自动化1206班 电话：指导老师： 深圳市垃圾焚烧厂的环境指标监控及其经济补偿建模 摘要 本文以垃圾焚烧厂的环境污染问题为背景，以深圳市为例探讨了垃圾焚烧厂的环境监控和经济补偿问题。着重分析了垃圾焚烧炉的废气排放量、风力风向及降雨、地形地貌和建筑物

2、的遮挡程度等方面对焚烧厂周边环境的影响，分别建立了焚烧厂正常排放废气时的环境污染预测模型和故障时的污染预测模型，较好的反映出深圳垃圾焚烧厂的污染排放趋势，并给出了合理的经济补偿方案。首先，根据文章所提供的材料，针对深圳垃圾焚烧厂的谷歌地理位置，分析并进而推算出当地居民区不同地貌的污染程度。得出了焚烧厂东面和东北面的污染较严重的结论。其中，通过假设污染物扩散时，温度变化不会影响污染物的扩散、 不考虑海拔对污染物浓度的影响、 将烟尘的扩散与污染气体的扩散做类似处理等将问题简化处理，得出相关浓度信息，进而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。再通过计算不同风向占的天数计算污染程度，

3、然后将污染程度划分为几个等级，根据不同等级来确定经济补偿方案。建立高斯扩散模型和进入污染物地表后的污染扩散情况分析，得出污染物扩散模型。并结合当地实际情况给出了焚烧炉动态监控方案体系，提出了较为合理的经济补偿方案。 关键词：焚烧厂、高斯扩散模型、监控方案、经济补偿一、问题的背景及重述1.1问题的背景“垃圾围城”是全球性难题，在中国尤为突出。垃圾焚烧是一种较古老的垃圾处理方法，也是现今各国城市处理垃圾的主要途径之一。城市垃圾经过分类处理，剔除可回收垃圾和有害垃圾将剩余垃圾在焚烧炉中焚烧处理，便可有效缓解垃圾侵占大量土地的压力，还可以将焚烧时产生的热量用于发电，产生可观的经济效应。现代的垃圾焚烧炉

4、配有良好的烟尘净化装置，可以将垃圾焚烧产生的污染物达标排放。但是，由于国内政府监管方面不严、投资者追求片面的自身利益、焚烧厂处理设施建设难等原因，导致焚烧厂的污染排放量超标，使得焚烧厂周边的居民深受其害。民众对此也普遍担忧。许多城市新建垃圾焚烧厂选址因居民反对而难以落地。因此，根据已有资料，运用数学建模的方法，对垃圾焚烧厂周边环境进行监测和分析是一个重要的问题。1.2问题的重述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、并根据潜在的污染风险对周围居民进行合理经济补偿

5、的需求出发，有关部门希望能综合考虑垃圾焚烧厂对周围环境带来的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，并针对潜在的环境风险制定出合理的经济补偿方案。 2、 模型的假设2.1假设预测期间当地气象和人口分布状况等环境因素比较稳定，即使有变化，也是比较有规律的；2.2假设所有污染物的扩散均以气体污染物扩散的形式向外扩散。污染源为高架点源，污染物在扩散时不发生沉降及化学反应。 2.3假设温度变化不会影响污染物的扩散；2.4

6、假设预测用的焚烧炉污染物的排放量、风向风速、地形地貌及建筑物分布等与实际相近，比较准确。3、 符号说明 ： 平均风速 Q ： 源强 H ： 有效烟囱高度 ： 侧向扩散参数，污染物在 y 方向分布的标准 偏差 ： 竖向扩散参数，污染物在 z 方向分布的标准 偏差 a ： 清除系数 C ： 污染物浓度 ： 污染源在x方向上的扩散系数 ： 污染源在y方向上的扩散系数 ： 污染源在z方向上的扩散系数 m ： 污染物质排放总量4、 问题分析4.1 问题要求在收集相关资料的基础上考虑：（1）假定焚烧炉的排放符合国家新的污染物排放标准，根据垃圾焚烧厂周边环境设计一种环境指标监测方法，实现对垃圾焚烧厂实现对垃

7、圾焚烧厂烟气排放及相关环境影响状况的动态监控。并以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损坏或发生其他故障导致污染物的排放增加，致使相关各项指标严重超标。要求在考虑故障发生概率的情况下修正上述监测方法和补偿方案。4.2 我们在就解决上述问题的思路上分三大模块首先，根据题目中给出的焚烧厂谷歌地理经纬度，对焚烧厂周边环境进行调查和污染扩散趋势及其分布分析，建立扩散趋势模型;其次，以材料中所给的焚烧炉污染物排放量为数据，通过建立焚烧厂污染物的大气扩散模型，综合前面的扩散趋势模型，确定出焚烧厂周边各地区污染物的污染程度；最后

8、，根据各地区污染程度，给出了合理的经济补偿方案。五、模型的建立与求解（一）焚烧厂周边环境各要素分析题目给出焚烧厂的谷歌地图经纬度为（22.686033，114.097586），需要考虑的要素是以待建焚烧厂为中心的地形地貌、气象、居民区居民分布 。1、 地形地貌分析焚烧厂周边环境地势正西、西北、西南面较高， 正西和西北方向有明显障碍物，而正北、东北、 正东方向障碍物较少且较低，土地形态大部分为低山、平缓台地和阶地丘陵。 在考虑污染物的扩散时，我们可以近似的认为正北、东北、 正东这三个方向无障碍物。2、气象分析 深圳市一年的风向风力、年平均气温、年平均降水统计数据整理成图表 如下： 由上图可以看出

9、，一年中西风和西南风的天数最多，焚烧厂东面和东北面受到的污染较为严重。一年中 1-4 级的风速占大部分，所以考虑焚烧厂污染物的扩散时必须考虑到风速对污染物扩散的影响。 整体来说，深圳市的气温变化趋势不是很大。 下图是我们调查到的深圳冬春季气温与污染指数关系图。从图中可以看出，两者的相关性不大，为了简化问题，可以忽略温度对污染的影响。 降水在一定程度范围内对排入大气中的污染物有冲淡及稀释的作用。在此引入湿沉积的概念。湿沉积是指大气污染物因降水而减少其在空气中浓度的过程。假设污染物的初始源强Q（0）因降水随下风距离x成指数衰减，则 Q（x）=Q（0）exp（ax/u）式中，x是指接收点的下风距离，

10、u代表烟囱出口处的风速，a是清除系数。令J为降水强度，根据实验结果可确定相应参数。下图为深圳市某一年的年降水图。3、 居民区居民分布 从地形地貌图可以看出，该地居民大多集中在东北方向。而这恰恰也是受焚烧厂污染物排放扩散的影响最严重的地方。着重对焚烧厂东面和东北面污染程度进行考察，并着重对焚烧厂东面和东北面的居民进行经济补偿。 4、污染物在居民区的扩散趋势及其分布分析综合上述资料，在考虑吹南风、西南风以及西风时，可忽略障碍物对污染物扩散的影响。南、西南方向因为有高山阻隔且离居住区较远，所以不考虑吹 北、东北风时污染物对在此方向居住的居民的影响。因为此地地势分布为西南高，东北低， 此地风向为西南和

11、西风居最多，且东北方向居民较多，容易受到污染，故重点考虑污染物排放对东北区居民的影响。可燃性及毒性气体在障碍物附近的扩散有如下性质:(1) 有障碍物存在时, 风场结构发生很大变化,此时危险气体的扩散主要 受限于风流的状态、结构及特征。(2) 若危险气体的泄漏源出现在障碍物的空腔区内,由于空腔区内风场的回流结构,危险气体不易向下风向扩散,在空腔区内积聚起来,浓度较高。大部分的危险气体聚集在1倍障碍物高度以下、下风向3倍障碍物高度以内的区域,此区域正是障碍物引起的空腔区的位置。5、居民区污染物扩散趋势模型(1) 焚烧厂所排污染物在大气中的扩散考虑排放大量污染物的烟囱，对周围地区的污染扩散空间较广，

12、可将其视为点源来研究。我们在查阅了大量资料后，最终确定使用高斯的高架点源扩散模型来模拟焚烧厂所排污染物在大气中的扩散。高架点源扩散模型：在点源的实际扩散中，污染物可能受到地面阻碍物的阻挡，故应当考虑地面对污染物扩散的影响。我们假定污染物在扩散过程中的质量不变，到达地面时不发生化学沉降和化学反应而全部反射，或者假设污染物没有被反射而全部被吸收。实际上的扩散情形介于这两者之间。将点源在地面上的投影点 o 作为坐标原点，以东西方向为x轴，南北方向为y轴，竖直方向为z轴。烟囱污染排放源位于 z 轴上某点， zH。高架有效源的高度由两部分组成，即 Hh h (1-1)其中 h 为排放口的有效高度， h

13、是热烟流的浮升力和烟气以一定速度竖直离开排放口的冲力使烟流抬升一个附加高度，如图（1.1）所示： 图1.1高架点源地面浓度公式如下： (1-2) 高架源地面最大浓度及出现距离 (1-3) 假定 ， (1-4)代入上式，求 (1-5) 有 (1-6) (1-7)从式 （ 1-3 ） 和式 （ 1-4 ） 可以看出： (1-8) 稳定时，d较小，高烟囱落地最大，浓度远。 (1-9)高烟囱地面浓度低。有利于局地环境保护。取 的值为 2.99m ， 的值为 10.15m ，将焚烧炉排放的污染数据数据代入计算可知：焚烧炉正常排放烟气二氧化硫最大一次落地浓度为8.3ug每立方米，最大占标率为1.66%，对

14、应的距离为1010米。NO2最大一次落地浓度为19.6419ug每立方米，最大占标率为8.18%，对应的距离为1010米。二噁英最大一次落地浓度为1.31×10-8ug每立方米，最大占标率为2.18%，对应的距离为1010米。HCL最大一次落地浓度为2.21ug每立方米，最大占标率为4.43%，对应的距离为1010米。CO最大一次落地浓度为19.64ug每立方米，最大占标率为0.2%，对应的距离为1010米。（2）污染物到达大地土壤中的扩散当污染物泄露开始进入地下后，一方面受地下水流动和自身重力的影响，向水流方向和重力方向移动，另一方面受土壤的吸收影响及分子热运动，还会向各个方向扩散

15、。污染物的浓度c（x,y,z,t）应满足下面带对流项的扩散方程(1-10) 其中，c=c(x ,y ,z ,t)为t时刻（x，y，z）点上的污染物浓度。 为衰减系数， Rd 为延迟因子， Qc 为污染物总量， 为实际空隙率。又所要检测的区域很大且与其接壤的地区土壤的特性没有很大的区别，故可认为是一个无界区域问题，即假定土壤的性质，地下水的流速等在检测区域内不随时间和位置改变而改变，土壤各方向的扩散参数相同，使问题简化。此时，有 DL=Dr=Dz=D(常数) 考虑到污染发生之前，由于土壤的吸收作用，污染物浓度在各点处趋于均匀， C(x,y,z,t0)=c0(常数) 问题简化为(1-11)项目营运

16、期间焚烧炉烟气排放各指标经净化处理后经80米的烟囱外排，满足国家污染排放控制标准。根据相关规定焚烧厂需设置至少300米的防护距离。 环境污染监测除了各项常规监测外，要在全年主导风向下风向最敏感的地区及污染物最大落地浓度处各设一监测点进行大气中二噁英的监测，在其上下风向各设一个土壤中二噁英监测点。下表为我组拟建的项目环境质量监测计划表。项目环境质量监测计划表环境要素监测项目监测点位监测频率焚烧炉烟气烟气量、烟尘、CO、SO2焚烧炉排气筒经净化后的烟气在线监测，HCL每季度一次，二噁英每年一次NOxHCL、二噁英、重金属污水处理系统COD、氨氮、重金属污水处理系统进出口每天一次厂区噪声等效声级东西

17、南北各设一点每天昼夜各一时段空气质量空气质量等级居民区每天一次土壤二噁英、重金属焚烧厂600米外每周一次地表水PH、BOD、氟化物、石油类、挥发酚、重金属项目区水沟下游200米处每月三天灰渣灰渣排放量排渣点每月一次上图为焚烧厂附近地区的污染程度图。以颜色的深浅代表污染的程度。浅色表示受污染较小。其所对应的污染程度如下所示：(2) 焚烧厂附近居民的经济补偿方案对于焚烧厂附近的居民，首先要力图打消居民对焚烧厂可能产生的污染过度紧张的顾虑。严格执行高质量的污染排放标准。可以适当的给予相应的优惠。可以从以下三个方面考虑：a. 垃圾处理收费减免 b用电优惠c安排就业由于深圳东南高，西北低，主导风向为东南

18、风，且东北方居民较多，故主要考虑东北方向上居民的补偿问题。补偿资金来源包括以下两部分：1）垃圾处理费收入2)政府财政。垃圾焚烧处理项目的补偿范围主要根据距离和影响距离来确定。该中型垃圾焚烧厂的日处理计划量为1950吨，同时考虑污染排放限值和周边环境特点，补偿范围应该为970m。深圳人月平均收入为7767元，深圳平均地价为1861.657元/平方米，人口密度为6500人/公里，由此估算得出补偿范围内的人数为6305人。 补偿方案一:直接补偿直接补偿包括人口补偿、土地补偿、垃圾处理量补偿。人口补偿：首先统计补偿范围内受影响的人数，补偿的对象原则上为上年登记在册的原居民为标准，然后结合当地经济发展水

19、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（主要是焚烧厂）或从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，该费用补偿标准明确，居民对补偿的感受良好，但是利用这种分配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，需要不断核对人数。 土地补偿：对于土地的补偿包括两部分，一部分是被征用的土地，另一部分是用地范围外使用价值和经营性受影响的土地。确定补偿范围后，结合当地的经济发展水平确定每亩若干元，此外，土地的补偿也可按照相同面积进行土地置换。该方法标准明确，计算简便，居民对补偿的感受度好，但由于土地资源紧缺，土地置换

20、方法可行性不高。按垃圾处理量补偿:划定补偿范围后，结合项目规模和当地经济发展水平定每吨补偿若干元，从运营单位收取或当地财政中补偿给当地居民，同时设监管部门监督，由社区自行决定分配方式。该分配方式标准明确，居民感受度良好，简单易行，但分配方式不明确。 焚烧厂附近居民经济补偿计算：y=776.7x1+1861.657x2+52.5x3；6350=x1+x2+x3；x1>0;0<x2<6350/3;x3>0;y：目标函数即总的每月垃圾补偿费x1：人口补偿人数x2：土地补偿人数x3：垃圾处理量补偿人数y（333375,11531600）补偿方案二:间接补偿补偿对象为距离焚烧厂9

21、70米以内范围的居民，补偿包括建设健身房、小型游乐中心、球场、温泉浴池等，供当地居民免费使用，将垃圾燃烧后产生的蒸汽免费供给当地居民使用。焚烧厂附近居民经济补偿计算：基础设施造价包括招标管理（前阶段工程造价管理），施工管理（设计阶段工程造价管理），结算管理（实施阶段造价管理）。在方圆970m的范围内，由资料可以推断出总造价为3.13亿元，计划可使用时间为150年。月均支出为173888.8889元。补偿方案三:直接补偿间接补偿相结合分时分区进行补偿，对于垃圾焚烧厂300m范围内的补偿标准适当高于其他地区，同时补偿的经费用于地方公共建设，环境卫生，美化环境，公害检测鉴定及医疗保健，娱乐及民俗活动

22、，其他与环境保护有关事宜，提供就业机会，免费提供使用补偿设施的优先权。焚烧厂附近居民经济补偿计算：由于深圳14月的风较集中且风力为14级，69月降水多，同时考虑到深圳地区的地价较高，建立以下函数来构造目标函数每月需支出给居民的经济补偿：y=y1+y2;y1=776.7x1+1861.657x2+52.5x3;y2=3.13×108×a;6350<x1+x2+x3;a>0;x1>0;0<x2<6350/6;x3>0;y：目标函数即总的每月垃圾补偿费x1：人口补偿人数x2：土地补偿人数x3：垃圾处理量补偿人数a: 基础设施造价和其他补偿事宜百

23、分比 (3) 焚烧炉受损污染非正常排放时的模型校正N1一般情况下，焚烧炉故障，非正常排放污染物的概率是很低的。约为0.05 % 左右。非正常排放常发生在有限时间T内。以瞬间单烟团正态扩散式。对t在有限时间T内积分，经整理后可得非正常排放模式。t为t时刻任一点（x，y，z）的浓度。以式（ 1-2 ）为基础，乘上一个系数N1，得到污染扩散的校正模型：(1-12)六、模型的评价 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、地形地貌以及居民的分布等等 ，在进行科学定量分析的基础上，确立了一套可行的垃圾焚

24、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的补偿方案。 本题给予了焚烧厂选址处的风向、 风速资料， 风向按照焚烧厂地点为中心分为八个方向来风给出：东、东南、南、西南、西、西北、北、东北，重点考虑了西南风和西风的影响。建立了相应的坐标轴和模型。能较好的反应污染物的扩散及其污染程度。同时，给出了三种较实际的补偿方案。由于时间的仓促和能力的有限，忽略了温度对污染物扩散的影响，同时没有考虑污染物间的化学反应和沉降作用。在实际的情形中，污染物的扩散往往更加复杂多变。而且，大气稳定度不单一，风向和风速始终处于动态变化之中，这些问题本模型并没有逐一考虑到。还有待进一步的完善。七、附录一

25、、高斯程序部分代码： C = gaussianPlume(Q, u_ref) sets the wind at 1m to be u_ref C = gaussianPlume(Q, u_ref, h) sets the stack height to h C, z0 = gaussianPlume(.) returns the effective stack height in meters as z0. C = gaussianPlume(Q, u_ref, h, .) allows you to set certain options. Options are set by 'o

26、ption', <option value> pairs except for certain options which require no <option value>. The list of permissible options are listed below: 'h_ref', h_ref Sets the reference height for the wind speed u_ref in meters. Default is 1m. 'stability', 'class' Sets Gui

27、fford-Pasquill stability class to class 'class'. 'class' must be one of 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', or 'F'. Default is 'F'. 'terrain', 't_type' Sets the terrain to one of 'rural' or 'urban'. Default

28、is 'urban' 'p', p Sets the scaling factor for change in wind as a function of altitude to p. Default is 0.4. 'plum_rise_model', 'model' Sets the model to use for calculation of plume rise. 'model' is one of 'none', 'CONCAWE', 'CarlsonMoses&

29、#39;, 'Holland', or 'Briggs'. Default is 'none'. 'mw', mw Sets the molecular weight of the exhaust for plume rise calculations. Specify in atomic mass units. Default is average of air, 30g/mole. 'amb_temp', Ta Sets the ambient temperature in degrees Celsius. D

30、efault is 25C. 'stack_temp', Ts Sets the stack temperature in degrees Celsius. Default is 200C. 'stack_diameter', ds Sets the stack diameter (in meters). Default is 20m. 'specific_heat', Cp Sets the specific heat of the exhaust gas in J/degree Celsius/g. Default is 1.020 (con

31、stant pressure Cp for dry air) 'amb_pres', Pa Sets ambient pressure in millibars. Default is 1010mb. 'stack_pres', Ps Sets stack tip pressure in millibars. Default is 1010mb. 'vs', vs Sets stack exit velocity in m/s. Default is 1m/s. 'eta', eta Sets the lapse rate for stable conditions (class E or F). 'reflection' enables ground reflection (no option value) 'norefle