垃圾焚烧厂的经济补偿问题

杨莹

摘要：“垃圾围城”是世界性难题，在今天的中国显得尤为突出。因此，垃圾焚烧正逐步成为中国垃圾处理的主要手段之一。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。

本文根据当垃圾焚烧厂排放符合国家标准时，垃圾焚烧发电厂排放污染物的浓度变化规律，设计了污染区域内环境监测方法，并对不同污染程度的区域给出了不同的经济补偿方案。

关键词：高斯烟羽模型；模拟仿真；Logistic生长曲线；支付意愿模型；

1.模型的假设

1.1 假设垃圾焚烧厂设在深圳市经纬度为（22.686033，114.097586）处，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；

1.2 不考虑垃圾焚烧厂三个焚烧炉排烟口之间的距离，将排烟口看做一个质点；

1.3 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。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；

1.4 泄漏气体是理想气体，遵守理想气体状态方程；

1.5 取x轴为平均风速方向，整个扩散过程中风速的大小、方向保持不变，不随地点、时间变化而变化；

1.6 地面对泄漏气体起全反射作用，不发生吸收或吸附作用；

1.7 居民对良好的环境和补偿金额的偏好相同。

2.模型的建立与求解

2.1 模型一：污染气体扩散模型

2.1.1 模型建立

建立高斯烟羽模型，通过建立三维坐标系模拟计算污染气体扩散区域及其浓度，进而得到不同区域的污染程度。

建立以原点为垃圾焚烧厂烟囱在地面上的投影点，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，烟囱顶端出口的坐标为（0，0，80）烟流中心线或烟流中心线在xoy面的投影与X轴重合，由正态分布假设可以导出下风向任意一点X（x，y，z）处泄漏气体浓度的函数为：

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，采用像源法处理如图2，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；一部分是地面反射作用增加的泄漏物浓度。该处的泄漏物浓度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之和。

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/m3；Q为源强，单位为kg/s；u为平均风速，单位为m/s；σy为水平扩散参数，单位为m；σz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。

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/m3；令y=0，则可以得到下风向中心线上的浓度分布。

泄漏源有效高度是指泄漏气体形成的气云基本上变成水平状的时候气云中心的离地高度，等于泄漏源几何高度加泄漏烟云抬升高度。

有效源高：H=HS+ΔH，HS为泄漏源几何架高；H=HS+ΔH为烟云抬升高度。

2.1.2 模型的求解

2.1.2.1 源强Q

当焚烧炉的燃烧排放符合国家的排放标准时，三种主要污染物颗粒物、SO2、NOx的源强分别为9027.78 mg/s，14831.35 mg/s，19345.24mg/s。

2.1.2.2 风速和风向

通过查阅目标地点的相关风速和风向的资料，可以做出风速的柱状图，平均风速为u=2.6892m/s

，依据目标地的风向记录资料全年主导风向可知目标地常年主导风向为西南风。

2.1.2.3 扩散系数（σy，σz）

通过Google地图观察垃圾焚烧厂周围地形，主导风向下游以森林为主，可将其大气稳定度定位为D，（σy，σz）为：

2.1.2.4 烟云有效高度H

有效高度H是由两部分组成，一是排烟口距地面的有效高度HS；二是在实际扩散中气团从烟口排出时，由于受到热力抬升和本身的动量，产生一个抬升高度ΔH。因而H=HS+ΔH，选用霍兰德（Holland）公式计算如下：

ΔH=vsDu（1.5+2.7Ts-TaTsD）=1u（1.5vsD+9.6×10-3QH）

u：排烟口出口处的平均风速，m/s；vs：烟囱顶端出口排烟速度，m/s；D：排烟口顶端的内径，m；QH：排烟口的热排放功率，kw。烟囱出口处的风速可使用幂指数法，通过与地面的风速对比得U=U0（HH0）p；U/U0：分别为H和H0高度处的平均风速，m/s；p：风速高度指数。分析该发电厂周围地形并结合该发电厂实况，确定p=0.16，H=80，H0=10。计算得烟囱出口出平均风速u=3.7509 m/s

，烟囱的热排放率公式QH=CpV0（Ts-Ta）

，Cp指标况下的烟气平均比定压热容，取Cp=1.38kg/m3K；V0为标准状态下的烟气排放量，m3/s；Ts/Ta分别为出烟口气体温度和当地平均温度。根据当地烟气排放数据可得V0=81.86，Ts=150，计算得QH=14685.68kw。综上，可得ΔH=48.3837m，有效高度H=Hs+ΔH=128.3837m。

2.1.3 基于高斯烟羽模型的污染物浓度扩散的仿真图

基于以上模型，将各参数代入到模型中，运用MATLAB软件对垃圾焚烧厂附近的污染物浓度进行模拟扩散，此处以颗粒物为例：

由图可知，颗粒物的主要沿主导风向轴扩散，参考国家《环境空气质量标准》，空气中颗粒物的浓度限值为50ug/m3，得主导风向下游颗粒物污染区域为2000m；依据此方法依次可得SO2的浓度限值为80ug/m3，主导风向下游污染区域为3000m；NOx的浓度限值为50ug/m3，主导风向下游污染区为4000m。

2.1.4 垃圾焚烧厂周围监测点的选取

由污染物浓度模拟图可知，污染物受主导风向的作用，主要向垃圾焚烧厂西南方向扩散，且三种污染物的扩散范围存在差异。以国家《环境空气质量标准》为依据，分别在垃圾焚烧厂附近污染物浓度高的区域、距离较远的接近污染物浓度限值的区域、居民区所在地设置监测点，本着节约成本原则，对垃圾焚烧厂周围空气状况进行检测，下图是在垃圾焚烧厂周围设置的监测点：

2.2 模型二：经济补偿模型

2.2.1 模型的建立分析

2.2.1.1 经济补偿的原则

按照“谁受益，谁补偿，谁投入”的原则，建立补偿机制。一是“受益补偿”。垃圾焚烧发电厂为深圳市垃圾处理和电力供应起到很大作用，全体群众都会受益。二是“区别补偿”。居住在焚烧厂附近的居民会受到较严重的烟气污染，较居民受污染少，不同区域的群众的补偿机制不同。三是“公平与效率”。根据受污染的程度确定补偿机制。

2.2.1.2 生态价值理论

生态价值随着经济发展和生活水平的提高而显现出来，人们对生态价值的重视度以及为此支付的意愿随之变化。当生存占主导，人们为生态环境支付的意愿小，支付能力低。经济水平较高时，人们对其重视程度就提高。

2.2.2 模型的建立

2.2.2.1 支付意愿模型

根据以上两个理论，使用logistic生长曲线进行描述，对生态价值的认识变化以及为之支付意愿的变化特征可以用S型生长曲线甲乙描述。Logistic生长曲线简化模型为：

y表示社会生态价值的支付意愿；k为y的最大值；a，b为人民生活水平所处的阶段；e为常数；为自然对数的底。将上式与人民的生活水平结合，确定人们的支付意愿。引入恩格尔系数（

Engels）的倒数来代表时间t。令T=t+3，做相应转换，再根据深圳市的恩格尔系数Eni、生态价值支付意愿模型来确定各受益对象的支付意愿W：

2.2.2.2 生态损失模型

由于垃圾焚烧厂排出的有害物质给居民带来极大的影响。对居民的补偿分为直接经济损失补偿Vα和风险承担损失补偿Vβ两个部分。综合支付意愿模型，得到实际赔偿额为：

2.2.3 模型的求解

2.2.3.1 直接补偿部分Vα

依据不同区域污染物浓度相对于国家标准的比率实现“区别补偿”，得到

K为补偿系数；Xi（x，y，0）为第i种污染物在（x，y，0）位置的浓度；Xi为第i种污染物的国家空气质量标准。针对颗粒物、SO2和NOx三种主要污染物，在某一地点，补偿金额取决于超标程度Xi（x，y，0）Xi-1，Vα是三种污染物赔偿金额总和。

2.2.3.2 风险承担补偿部分Vβ

考虑污染物对居民身体健康造成危害的风险，结合肺心病、慢支和肺癌这三种主要疾病的患病率以及治疗费用估算得

PARi为第i种疾病归因于大气污染的百分比；Ei为第i种疾病治疗的平均费用；pi为第i种疾病的患病概率。通过查找资料，得下表

考虑到方案的可操作性，将垃圾焚烧厂周围地区划分为三个补偿区来补偿。距离垃圾焚烧厂较近的区域，污染物浓度相对较高，应得到较多的经济补偿；反之经济补偿相对较少。依据此原则将垃圾焚烧厂周围划分为Ⅰ类补偿区、Ⅱ类补偿区、Ⅲ类补偿区，三个区域距离焚烧厂分别为0-500m、500-1500m、1500-3000m。

通过MATLAB模拟得三类补偿区颗粒物平均浓度为94ug/m3；SO2平均浓度为154ug/m3；NOx平均浓度为202ug/m3。将数据代入经济补偿模型中，得第Ⅰ类补偿区补偿金额4178元。同理，得出第Ⅱ类补偿区和第Ⅲ类补偿区的补偿金额分别为1870元和349元。

参考文献：

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