2014年全国大学生数学建模竞赛深圳杯C题

-1-
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。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。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。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，固而难以 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。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，我们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 合理的经济补偿档案。 根据附件所提供的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 为八个方向来给出：东、东南、南、西南、西、西北、北、东北，风速为十分钟平均风 速，单位为米/秒。需要我们考虑在假定焚烧炉的排放符号国家新的污染物排放标准时 （参照附件 1） ， 根据垃圾焚烧厂周边坏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测。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。另外，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，或相关各项指 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，通过给出的一台可处理垃圾 350 吨 /天的焚烧炉正常运作时的在线排放监测 记录） 。考虑故障发生概率的情况下修正设计的监测方法和补偿方案。
2014 河南科技大学第十一届大学生数学建模竞赛
承 诺 书
我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则。 我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网 上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。 我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的 资料（包括网上查到的资料） ，必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参 考文献中明确列出。 我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规 则的行为，我们将受到严肃处理。 我们参赛选择的题号是（从题目编号中选择一项填写） ： C 题目： 参赛队员： 姓名 专业班级 所在学院 电话（手机） 是否报名全国竞赛 队长 1 陈良松
四、问题分析
由上述条形图中可以得知：一年中风速主要为 1-4 级。
-3-
由上述条形图可以得知：一年中风向主要为西风和西南风，因此焚烧厂东北部地区受污 染最为严重，东部地区次之。
-4-
上图为谷歌地图纬卫星图。
污染物排放新标准： 颗粒物：20mg/m3（日均）,39mg/m3（时均） HCL: 50mg/m3 (日均)，60mg/m3（时均） SO2: 80mg/m3（日均） ，100mg/m3（时均） NOX: 250mg/m3（日均） ，350（mg/m3 时均） 汞: 0.1mg/m3 铅: 1.0mg/m3 二恶英: 0.1ngTEQ/m3 问题一分析：假定焚烧炉的排放符合国家新的污染物排放标准， 从垃圾焚烧厂排 放出来的污染气体，经过风向风速和温度、降雨等气象条件，沉降，消解等，污染物浓 度降低， 有效影响范围是 2000m 左右。 结合焚烧厂周围地理环境， 焚烧炉污染物排放量， 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条件得出该焚烧厂对该 地区不同居民区的污染程度，进而设计合理的周围居民风险承担经济补偿方案。焚烧厂 对某一地区污染程度与该地区的污染物浓度有着密切的关系，而污染物的浓度与风速， 降雨，地形地貌和污染地距焚烧厂的距离有关，可结合湍流扩散理论采用高斯扩散模型 来粗略计算。由上述卫星图可以看出该地区西南地区地势高于东北地区，所以风向以西 风和西南风为主，与此同时，南部西部地区多为山区，对污染物的扩散有阻隔作用，而 北部和东部地区地势较为平坦，多为居民区，且根据等高线分析该地区地形高度低于烟 囱的海拔高度，所以可以忽略建筑物对污染物扩散的阻碍作用。最后结合风向风速以及 污染物距焚烧厂的距离，我们应重点分析污染物对东部和北部地区的污染情况。利用高 斯扩散模式来模拟污染物浓度与污染地距焚烧厂的距离之间的关系得出有关浓度关系， 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。最后根据一年之中风 向比例分布来分析计算污染程度，根据具体的污染程度确定经济补偿方案。 问题二分析：在实际运行中，由于各种因素焚烧炉的除尘装置损坏或出现其他故障 将导致污染物的排放增加，致使相关各项指标将严重超标。当根据附件二表格中所给 350t/d 垃圾场三月烟气日报表，通过数据处理得出该垃圾场标准烟气排放中污染物浓 度：烟气排放中 SO2 的日排放量为 120mg/m3（日均） ，颗粒物的日排放量为 38mg/m3（日 均） ，NOX 的日排放量为 300mg/m3（日均）
空气质量分指数的计算方法
式中： IAQIP——污染物项目 P 的空气质量分指数； CP——污染物项目 P 的质量浓度值； BPHi——相应地区的空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表中与 CP 相近的污染 物浓度限值的高位值； BPLo——相应地区的空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表中与 CP 相近的污染 物浓度限值的低位值； IAQIHi——相应地区的空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表中与 BPHi 对应的 空气质量分指数；
IAQIP——污染物项目 P 的空气质量分指数； CP——污染物项目 P 的质量浓度值； BPHi——相应地区的空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表中与 CP 相近的污染 物浓度限值的高位值； BPLo——相应地区的空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表中与 CP 相近的污染 物浓度限值的低位值； IAQIHi——相应地区的空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表中与 BPHi 对应的 空气质量分指数；
-6-
1、IAQILo——相应地区的空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表中与 BPLo 对应的空气质量分指数。 2、选择有代表性的项目排放的特征污染物，根据评价因子而定 。 本题中，垃圾焚烧厂环境影响范围内预测因子为：颗粒物、HCL 、SO2 、NOx 汞、铅和二恶英等。 结合湍流理论分析风速风向对焚烧厂下风向某一位置污染物浓度的影响。 湍流扩散是指湍流运动导致大气或水体中的污染物质或其他物质与周围清洁流体 的混合， 主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减之间的关系。 扩散的要素： 风， 平流输送为主，风大则湍流大；湍流，扩散比分子扩散快 105-106 倍；风，湍流是决定 污染物在大气中稀释扩散的最直接因素。湍流是大气的无规则运动，分风速的脉动和风 向的摆动。对于污染物浓度的分析我们采用应用最为广泛的高斯模式。首先建立右手坐 标系（食指—X 轴，中指—Y 轴，拇指—Z 轴） ：原点：为无界点源或地面源的排放点， 或者高架源排放点在地面上的投影点；X 为主风向，Y 为横风向，Z 为垂直风向。[4]
车辆 124 班 车辆 124 班 车辆 123 班 车辆与交通工 程学院 车辆与交通工 程学院 车辆与交通工 程学院 15670336921 是
队员 2
刘悦
18637974416
是
队员 3
贾琛
15638746320
是
垃圾焚烧厂的经济补偿问题研究
摘要
从垃圾处理历史来讲，垃圾填埋是处理垃圾的一种传统方法。如今随着焚烧炉在各 国的相继建成，垃圾焚烧发电已逐渐成为城市垃圾处理的一个重要方法。现代的垃圾焚 烧炉皆配备有良好的烟尘净化装置，将垃圾焚烧处理后，不仅减少了土地占用量而且减 少了有毒有害物质的排放。然而，近年来由于政府监管不力、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。本论文针对此问题在进行 科学定量分析的基础上，确定了一套可行的垃圾焚烧厂环境影响动态监测评估方法，并 针对潜在环境风险制定出合理的经济补偿方案。 首先，针对第一个问题，我们根据题目给出的焚烧厂地点为 Google 地图经纬度 （22.686033,114.097586）确定周边的地理环境，在符合国家排放量标准时，综合风速 风向、降雨等气象条件、地形地貌及建筑物遮挡程度等确定焚烧厂对该地区不同居民区 的污染程度。污染物浓度根据风向风速和污染地与焚烧厂的距离来确定。主要采用高斯 扩散模型。由上述卫星图可以看出该地区西南地区地势高于东北地区，所以风向以西风 和西南风为主，与此同时，南部西部地区多为山区，对污染物的扩散有阻隔作用，而北 部和东部地区地势较为平坦，多为居民区，且根据等高线分析该地区地形高度低于烟囱 的海拔高度，所以可以忽略建筑物对污染物扩散的阻碍作用。最后结合风向风速以及污 染物距焚烧厂的距离，我们应重点分析污染物对东部和北部地区的污染情况。课题以大 气运动理论、污染物扩散理论和数值计算理论为基础，对大气的风场、温度场以及大气 污染物的浓度场进行了数值计算。 污染物扩散模型采用对流扩散方程。 将大气动力方程、 能量方程、和扩散方程相互耦合，对大气的风场、温度场以及大气污染物的浓度场进行 了数值计算。其中在分析污染物扩散时，我们假设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、将烟尘扩散与污染物气体的扩散做类似处理，得出浓度 的有关信息，从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，进而制 定出合理的经济补偿方案。 针对第二个问题，要求在考虑故障发生概率的情况下修正设计的监测方法和补偿方 案，对此我们讨论设计了智能传感器在线监控系统。在垃圾场周围取点处设置智能气敏 传感器，全天候检测气体污染物浓度。该智能传感器在线检测系统是一个集成了自动监 控仪器技术、计算机技术和网络通信技术的综合系统，它能够对主要污染因子浓度指标 实现连续自动监测，并将采集监测数据与高斯模型预测出的污染因子标准浓度进行对 比。若是测量浓度高于标准浓度，则系统进入预警模式，并且把数据传输给垃圾场服务 部门，及时对污染源进行处理，并且适当调整赔偿方案。 关键词：微分方程 高斯扩散模式 灰色理论 湍流理论 智能传感器在线监控系统