垃圾焚烧厂C题.doc
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1、垃圾焚烧厂的经济补偿问题摘要随着时代的不断发展、人类不断的进步,以至于人类的需要越来越大。其中造成的主要问题是产生垃圾无法立即解决,致使出现“垃圾围城”问题。亟待人们去解决。因此,垃圾焚烧成为其主要解决手段。但由于其垃圾焚烧监管不严与大量污染排放,对其附近居住的人民有很大的危害。即需要建立令人民民众信服的一套全方位垃圾焚烧厂环境监控体系,并根据其污染程度,对其受到污染的群众进行经济补偿。在问题1中,首先,把污染物对居民的危害程度转化为污染物浓度,通过对其浓度的测量,可知,其危害程度。其次,建立7种污染物多元的高斯烟羽扩散模型,把该垃圾焚烧厂烟筒定位起点。同时,考虑到该地区的四季温度、风、降雨量
2、与大气稳定度对其污染物扩散的影响,分别计算其扩散因子。最后,把其高斯坐标转化为地理坐标,并建立污染物浓度等值线。然而需要对附近居民进行经济补偿,本文通过把7种污染物的影响进行分权叠加,算出所选节点总值(统称为污染程度)。综合考虑居民离其污染远的距离、家庭人口数量、周边环境与居住面积等方面,进行经济补偿。在问题2中,首先,在该垃圾焚烧厂附近,建立5个固定监测点。采用5点取样法,算出所选节点的污染物浓度值。并根据其附件2的参数,可判断出除尘装置是否正常工作。当所测值显示其装置正常工作时,监控体系与经济补偿同问题1一样;当所测值显示其装置出现故障时,选取垃圾焚烧厂烟筒为扩散原点,东北、西南方向为主轴
3、建立主要向东南、西北两个方向的扩散模型,进而完成动态选择监控体系的构建。并对其污染物浓度进行等值区域划分。可有效地解决除尘装置故障时,对居民补偿的问题。进而完善了全方位垃圾焚烧厂的环境监控体系。关键词:高斯烟羽模型;权重叠加;扩散方程;经济补偿方案问题重述随着时代的不断发展,科技水平的不断提高与人们的生活质量不断改善,导致垃圾不断增长。现今“垃圾围城”问题已成世界性难题,其中我国数据显示,目前我国三分之二以上的城市面临“垃圾围城”的问题。因此,垃圾焚烧成为主要处理垃圾的手段之一。但是由于政府监管不严、投资者节约成本,致使我国各地垃圾焚烧厂周围环境出现严重的污染问题。事实上垃圾焚烧厂对环境的污
4、染风险与建设投资规模、运行监管力度有着直接关系。根据建设投资规模分为小型与大型垃圾焚烧厂。由于小型投资垃圾焚烧厂,污染排放严重、难以达到国家标准。故选用大型垃圾焚烧厂来处理“垃圾围城”问题,其中大型垃圾焚烧厂需要考虑垃圾运输成本、道路建设成本、建设地点与建设规模等方面,从而有效处理“垃圾围城”问题。同时需要我们建立对其测量监控系统,从周边环境考虑的外围动态监控,从而达到民众信服的水平。现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)。考虑垃圾焚烧厂对周围环境的污染以及其他危害因素(例如焚烧垃圾
5、排放量、距垃圾焚烧厂的距离、风向和风力以及地形地貌等),在科学计量分析的基础上,构建出环境动态监控体系,并根据其潜在污染风险对居民的合理经济补偿的需求出发,制定出合理的经济补偿方案。要求通过建模来完成以下任务:(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
6、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。问题分析1. 问题1首先,根据垃圾梵烧厂的气候条件(风力、风向与气温等因素),结合深圳市该地垃圾焚烧厂的地理位置、地形地貌,建立多元(颗粒物、汞、铅、二恶英等污染源)的大气点源高斯烟羽扩散模型。其中大气点源高斯烟羽扩散模型需要我们知道该该垃圾焚烧厂烟筒的高度、污染源距离居民居住点的距离以及有无阻挡的建筑物,利于我们绘制出污染源扩散的三维图形。目的把污染物对居民的危害程度转化为该地居民居住点的污染物浓度。
7、可知直观反映其对居民与环境的影响。其次,我们确定以垃圾焚烧厂排放污染源的烟筒为起点,按照右手定则建立高斯坐标系,并通过坐标转化为地理坐标;用扇形图形对下风区域进行筛选计算筛选计算点;并采用克里金插值法,计算任一点的污染浓度值;最终,建立对周围环境扩散影响范围生成等值线4。运用附件1中焚烧炉的排放符合国家新的污染物排放标准,判断其浓度是否超标。并借鉴重庆松藻煤矿区生态环境经济补偿研究2的经济补偿方案,建立深圳市该地区(经纬度为22.686033,114.097586)对居民的经济补偿方案。2. 问题2根据题目要求,我们需要考虑到除尘机械的工作状态(工作或故障)时,对污染物排放量的影响以及对周边居
8、民的害程度的影响。首先,在该垃圾焚烧厂附近,建立5个固定监测点。采用5点取样法,算出所选节点的污染物浓度值。并根据其附件2的参数,可判断出除尘装置是否正常工作。当所测值显示其装置正常工作时,监控体系与经济补偿同问题1一样;当所测值显示其装置出现故障时,选取垃圾焚烧厂烟筒为扩散原点,东北、西南方向为主轴,建立主要向东南、西北两个方向的扩散模型,进而完成动态选择监控体系的构建。并对其污染物浓度进行等值区域划分。可有效地解决除尘装置故障时,对居民补偿的问题。进而完善了全方位垃圾焚烧厂环境监控体系。模型假设1. 假设污染物浓度呈正态模型分布;2. 假设该地区气候处于稳定状态,不存在突发型状况(如暴风、
9、急雨以及海啸等);3. 假设受当地地形影响较小,可以忽略不计;4. 假设题目所给数据真实可靠;5. 假设在整个空间中风速是均匀、稳定的;6. 假设在扩散过程中污染物质是守恒的;7. 假设源强是连续均匀的;8. 假设垃圾焚烧厂近期内条件稳定,污染源元素的变化属于正常更替。符号定义与说明符号符号意义符号符号意义时间,单位为秒风场,取平均值浓度,取平均值湍流交换系数拉格朗日自相关关系 横向风向浓度分布的标准差时刻拉格朗日脉动速度坐标为处污染物浓度烟筒有效高度,烟筒排放源强(污染排放量)横向、垂直方向扩散系数代表烟筒出口处平均风速,分别代表主方向、横方向和垂直向的风速矢量值,水平和垂直方向扩散系数,即
10、为污染物在方向上分布的标准差,事故点高度(烟筒高度)被解释变量(即污染源扩散的影响程度)烟筒出口处环境平均风速,烟筒出口处风速,污染释放率,;采样点的浓度烟筒混合层高距排气管下风水平距离()邻近气象站测风仪所在高度(),常为10烟筒出口处高度()横向(向)扩散参数回归系数和回归指数铅向(向)扩散参数回归系数和回归指数;烟气出口温度,;烟气出口流速,环境大气平均温度,去当地近5年平均值烟筒出口处的内径,样点污染源的背景值衰变指数。污染物浓度值采样点到该垃圾焚烧厂烟筒的距离模型建立与求解1. 问题11.1. 建立污染源的高斯烟羽扩散模型由于高斯扩散模式是基于统计理论而建立起来的正态模式,属于相对扩
11、散范畴。通常我们被危害的人们所接受到的某一瞬时的烟团的浓度,只考虑烟团本身宽度招生的烟雾浓度大小,而不应把烟团摆动的效应包括进来,因此这是相对扩散所决定的。这种扩散是由尺度小于烟团,或者尺度小于烟羽宽度的小尺度湍流引起的。它的浓度显然要比绝对扩散理论所预测的浓度要大,与实际烟团、烟雾浓度相符。可以有效反映出污染物扩散形势。 (1)式中:代表风场,取平均值; 代表浓度,取平均值; 为湍流交换系数;而泰勒统计模型预测的是绝对扩散的稀释过程,这种稀释过程当然速度比较快,按这种稀释过程预测出的临界危害距离就比较小。 (2) (3)式中:是拉格朗日自相关关系; 是横向风向浓度分布的标准差; 是时刻拉格朗
12、日脉动速度。我们根据污染和气象场的不同,高斯扩散模型有多种形势。并依据风向、风速、污染源排放量、烟筒的高度以及温度的影响,建议如下两种点源扩散模式:(1) 有界、高架连续点源扩散模式,在考虑地面反射条件下,其浓度的空间分布为: (4)式中:坐标为处污染物浓度; -烟筒有效高度,; -烟筒排放源强(污染排放量); -横向、垂直方向扩散系数; 代表烟筒出口处平均风速,。(2) 无界瞬时点源模式(也成烟团模式,其中参数的含义与连续源相同),空间点处的浓度分布为: (5) -烟筒有效高度,; -烟筒排放源强(污染排放量); -横向、垂直方向扩散系数; 代表烟筒出口处平均风速,。其中由于深圳市该垃圾焚烧
13、厂为平原地区、下风距离在10km以内的低架源,预测结果与实际值比较接近,具有较好的实用价值。因此,我们采用高斯烟羽扩散模型。首先,考虑到污染源高斯扩散形势,受当地地形的影响。我们根据附件4所给信息,利用google地图查找到焚烧厂地点(22.686033,114097586)位置,观测到该周围环境地貌。如图1所示:图1 垃圾焚烧厂地貌图我们主要对颗粒物、汞、铅、二恶英等污染源进行研究,其污染物主要受风、温度、降雨量与大气稳定度等影响。而风恰好是污染物扩散的主要动力。风,是一个矢量,用风向、风速等描述气质特征。风向,即风吹的方向,常用16个方向表示。一般我们把垃圾焚烧厂建立在居民区的下风向,有助
14、于减少对居民的危害程度。风速,为风的强弱,会影响近地面的污染物的扩散速度。污染物在大气中排放的浓度与总排放量成正比,而与平均风速成反比。我们对附件四的风向和风速数据进行处理,把2011年4月13日-2012年3月31日共有12个月份(数据如下表1)。在每一个月份里去掉其风速最高值与最低值,筛选出每月刮风风向前三个最多的数据,求出该风向的风速其平均值。同时把12个月份的数据汇总。每年分为4个季节,春季为3-5月、夏季为6-8月、秋季为9-11月与冬季为12-2月。筛选出每个季节的刮风最多的风向,并求出其季节每天风速的平均值(数据如下表2)。 表1 2011年4月-2012年3月的风速风向统计表月
15、份风速南风速西西南西北北东北东南东4月2.39(7)0.33(2)1.95(2)5月1.78(4)2.56(7)1.9(7)2.3(7)1.23(3)1.5(2)3(1)6月3.33(3)2.45(2)4.23(6)3.1(8)1.95(6)1.68(5)7月1.33(3)1.67(3)2.5(2)2(4)0.75(2)1.43(7)1.7(7)0.87(3)8月1.45(2)1.67(3)2.5(2)2(4)0.75(2)2.37(3)1.74(7)0.83(3)9月2.1(1)3.13(11)2.8(13)1.1(2)1.35(2)0.4(1)10月4.3(6)2.79(23)11月1.8
16、2)2.05(4)2.65(20)12月3.86(11)2.98(4)3.39(15)1月4.3(1)3.53(4)3.53(11)2月4.4(1)2.68(8)3.37(18)2.85(2)3月8.3(1)3.59(15)2.83(12)3.35(3)表2 深圳市季节风向、风速表风向SPD十分钟平均风速(m/s)春季3-5月西风2.85夏季6-8月东北1.92秋季9-11月西南2.75冬季12月-2月西南3.43大气稳定度,也是影响大气稀释能力的一个重要因素。在白天,太阳的辐射使地面温度上升,靠近地面的空气密度闭上空的小,轻的空气在下,容易使上下空气对流扰动。这是大气处于不稳定状态,向空气
17、中排放的污染物就容易稀释。但在夜间则相反,地面发生热量向外辐射,地表冷却,温度下降,靠近地面的温度比上面的空气温度低,成为逆温。这是重的空气在下,轻的空气在上,很难使大气发生上下交换,大气处于稳定状态。这种逆温层的厚度,可达几十米以致几百米。它像一个大盖子笼罩大地,阻止地面气流上升运动,使污染物停滞积累在地面上,加剧大气污染的程度。即需要我们考虑白天与晚上两种扩散方式。气温,温度的高低影响气体扩散速率。温度越高,污染物扩散越快,反之,依然。我们通过查找深圳市气温预测3季度温度值,第一季度平均温为16.9摄氏度;第二季度为25.6摄氏度;第三季度为28.4摄氏度;第四季度为21.4摄氏度。深圳市
18、温度曲线趋势躯体如下图1。图1 深圳市季节温度趋势图降雨量,在降雨过程中,通过雨水的清洁过程,可使空气中的污染物(如颗粒物、粉尘)沉降,减小其扩散速率与扩散范围。其中也会使空气中发生化合反应,减少其污染物排放量,进而减少对居民的危害程度。(如下图2)我们也对深圳市宝安区2011年4月到2012年3月的日降水量进行统计,可知,该垃圾焚烧厂所在区域春季日降水量为2.693mm、夏季7.21mm秋季2.56mm与冬季1.073mm。图2 深圳市季度降水量模型建立污染源高斯烟羽模型以平流-扩散微分方程为依据,在风速及湍流扩散系数为定值条件下,平流-扩散微分方程的解为标准正态分布。所以通常将烟雨模型用来
19、描述空气、河流以及土壤发生污染事故中污染物质量浓度的分布,其表达式为: (6) -为时间,单位为秒,; -污染释放率,; -分别代表主方向、横方向和垂直向的风速矢量值,;-水平和垂直方向扩散系数,即为污染物在方向上分布的标准差,;-为事故点高度(烟筒高度);-为烟筒混合层高。 污染源高斯烟羽模型以烟筒为坐标原点,风向为轴。由于所研究的是受害人群所接收到的莫伊瞬时的烟团的浓度,而人类的垂直高度一般都在2.5米以下,而大量研究表明在该范围内的浓度值与地面上浓度值相差无几。因此可以在二维尺度上展示大气扩散时2.5米以下的浓度值。此外在坐标定义中,轴为主风向,轴为横风向,因此可以令。则方程为: (7)
20、污染物高斯烟羽扩散模式参数设定平均风速的廓线模式平均风速的廓线模式是随着高度变化的,在大气扩散模型中平均风速的廓线模式定义为风速高度变化的曲线。风速的线性数学表达式称为风速廓线模式。在污染物扩散计算中,需要知道烟筒出口和烟筒有效高度处的平均风速,一般气象站只观测地面风(10高处)风速,风速廓线模式可以由地面风速推算不同烟筒高度处的风速,采用幂函数风速廓线模式(其应用性较高)。其计算公式如下:(1)当 (8)(2)当 (9)式中:-烟筒出口处环境平均风速,; -烟筒出口处风速,; -邻近气象站测风仪所在高度(),常为10; -烟筒出口处高度();表3 各种稳定度条件下的风速廓线幂指数值参数(GB
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