基于GIS和AHP的垃圾中轉(zhuǎn)站選址評估與優(yōu)化研究

朱超平，潘方杰，姚秉偉

城市垃圾收集處理問題一直是城市環(huán)衛(wèi)的重點(diǎn)，也是樹立城市良好形象的重要工程。其中，中轉(zhuǎn)站選址評估與優(yōu)化是解決這一問題的重要手段之一，也是城市規(guī)劃與分析的重點(diǎn)內(nèi)容。近年來，眾多學(xué)者對中轉(zhuǎn)站選址問題進(jìn)行了大量相關(guān)研究。從節(jié)省收集成本的角度，對垃圾中轉(zhuǎn)站選址的限制因素、選址理論、選址模型及其算法等幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討[1]；基于不同的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和相關(guān)規(guī)劃選址理念，建立中轉(zhuǎn)站優(yōu)化選址的模型，最終計(jì)算出最優(yōu)選址方案[2-4]；在對現(xiàn)有中轉(zhuǎn)站分布及其具體情況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查基礎(chǔ)上，指出了城市老城區(qū)的中轉(zhuǎn)站存在的問題，并對新城區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站的建設(shè)提出建議[5]；基于DEA(Data Envebpment Analysis)模型及其改進(jìn)算法，對垃圾中轉(zhuǎn)站運(yùn)行效率進(jìn)行評價(jià)，并對影響轉(zhuǎn)運(yùn)效率的外部因素進(jìn)行研究[6-7]；借助于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)算法如智能算法、遺傳算法等構(gòu)建優(yōu)化模型，對中轉(zhuǎn)站選址問題進(jìn)行研究[8-9]；將綠色建筑設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于垃圾中轉(zhuǎn)站選址、平面功能布局、豎向規(guī)劃、建筑選材及水電設(shè)計(jì)中[10]。綜上所述，垃圾中轉(zhuǎn)站選址及優(yōu)化的研究方法主要包括集合覆蓋模型法、模糊綜合評判法、線性與非線性規(guī)劃法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。層次分析法（AHP，Analytical Hierarchy Process）在選址評估中具有一定的優(yōu)勢，但基于層次分析法進(jìn)行垃圾中轉(zhuǎn)站優(yōu)化選址的研究比較少[11]，而將層次分析法與GIS(Geographic Information System)空間分析技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行垃圾中轉(zhuǎn)站選址評估與優(yōu)化研究更是比較缺乏。因此，以安徽省安慶市城區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站分布為例，基于AHP，在影響因子選擇的基礎(chǔ)上確定權(quán)重，進(jìn)而結(jié)合GIS空間分析技術(shù)，對安慶市現(xiàn)有的垃圾中轉(zhuǎn)站分布情況進(jìn)行評估，以期為基于AHP的區(qū)位選址問題做出一些有益探索。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)主要來源于《2010年安慶市統(tǒng)計(jì)年鑒》，人口數(shù)據(jù)來自安慶市區(qū)各街道辦事處所轄區(qū)域的人口數(shù)量，以及其他社會(huì)統(tǒng)計(jì)信息，通過調(diào)查問卷獲得“具體內(nèi)容”。從安慶市規(guī)劃局可以收集到安慶市總體規(guī)劃的相關(guān)資料以及一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具體為安慶市2010年總體規(guī)劃、安慶市行政區(qū)劃圖（1：50 000）、河流水系圖、主要公路鐵路圖、城鎮(zhèn)用地圖、重點(diǎn)水源保護(hù)區(qū)和湖泊圖以及包括垃圾中轉(zhuǎn)站在內(nèi)的與垃圾中轉(zhuǎn)相關(guān)性強(qiáng)的重點(diǎn)地物等。將收集到的各種相關(guān)圖件，通過坐標(biāo)配準(zhǔn)、投影轉(zhuǎn)換、自動(dòng)與手工矢量化相結(jié)合等轉(zhuǎn)為ArcGIS支持的矢量（.shp）文件，并將矢量化的空間數(shù)據(jù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口等屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，建立空間數(shù)據(jù)庫，用于安慶市垃圾中轉(zhuǎn)站選址評估與優(yōu)化研究。

1.2 研究方法

1.2.1 層次分析法

美國運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty于20世紀(jì)70年代提出的AHP決策分析法是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法[12]。AHP在環(huán)境保護(hù)、環(huán)境評價(jià)等方面有著廣泛應(yīng)用，該方法將復(fù)雜問題分解為特定層次和特定因素，通過各因素之間的計(jì)算和比較，進(jìn)而得出不同方案重要性程度的權(quán)重，最終為最佳的選址提供依據(jù)[13-15]?；静襟E：（1）影響因素的確定，只有全面分析其影響因素，才能得出趨于正確合理的結(jié)論；（2）遞階層次結(jié)構(gòu)模型的建立，要把問題條理化、層次化，構(gòu)造出一個(gè)有目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層的結(jié)構(gòu)模型；（3）構(gòu)造判斷矩陣，分別評定各層次中相對重要性狀況，并給出判斷矩陣數(shù)值；（4）層次單排序；（5）層次總排序；（6）一致性檢驗(yàn)，評價(jià)層次計(jì)算結(jié)果的一致性。其中，層次分析法權(quán)重向量計(jì)算方法有幾何平均法、算術(shù)平均法、特征向量法和最小二乘法4種[16]，應(yīng)根據(jù)研究需要確定具體的計(jì)算方法，本研究采用幾何平均法即方根法確定權(quán)重。

1.2.2 GIS空間分析方法

GIS是通過一系列相關(guān)的空間分析手段，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)變換和處理，生成新的信息，以便為決策者決策提供支持。在影響選址因素確定的基礎(chǔ)上建立圖形數(shù)據(jù)庫，通過緩沖區(qū)分析剔除不適宜建設(shè)區(qū)域，進(jìn)而借助于疊置分析和泰森多邊形分析選擇候選場址，通過網(wǎng)絡(luò)分析進(jìn)行路徑優(yōu)化。一般情況下，累加指數(shù)越高，越適宜建立垃圾中轉(zhuǎn)站。

2 影響因子的選定與權(quán)重計(jì)算

2.1 垃圾中轉(zhuǎn)站選址的限制因素

自然因素。雖然城市垃圾在中轉(zhuǎn)站中的滯留時(shí)間不算太長，但由于其自身的特殊性，對周邊環(huán)境的影響卻不容忽視。合理的中轉(zhuǎn)站選址重要前提條件是最大程度地確保整個(gè)區(qū)域的大氣、地表水、地下水及土壤環(huán)境等不受或少受污染。因此，垃圾中轉(zhuǎn)站的選址應(yīng)該在保證具有良好的地理和地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，盡量布置在城市主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向、遠(yuǎn)離水源、地下水位較深的地方。

城市總體規(guī)劃和城市環(huán)境衛(wèi)生行業(yè)規(guī)劃、輻射區(qū)的環(huán)境衛(wèi)生、人口密度、垃圾產(chǎn)量與位置分布、交通運(yùn)輸狀況、市政公共設(shè)施和相關(guān)政策法律法規(guī)等都是影響中轉(zhuǎn)站選址的重要社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素[17]。具體而言，在中轉(zhuǎn)站的選址中應(yīng)滿足以下條件：首先，中轉(zhuǎn)站的選址不得與城市建設(shè)的總體規(guī)劃相違背，即不能因選址不當(dāng)而影響城市建設(shè)用地布局，更不能阻礙城市的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)展。其次，垃圾中轉(zhuǎn)站作為垃圾產(chǎn)生地與垃圾處理場之間的運(yùn)輸結(jié)合點(diǎn)，中轉(zhuǎn)站的選址應(yīng)與處理場的距離適中。從經(jīng)濟(jì)效益上考慮，盡量縮短中轉(zhuǎn)距離，一般希望垃圾源產(chǎn)生地距大中型中轉(zhuǎn)站的距離平均不超過5 km[18]，從而對降低垃圾處理費(fèi)用起到十分顯著作用。再次，中轉(zhuǎn)站的選址應(yīng)減少對居住環(huán)境的影響，應(yīng)盡量避開人口密度大以及對社會(huì)環(huán)境產(chǎn)生明顯不良影響的地點(diǎn)。最后保證垃圾中轉(zhuǎn)站的建設(shè)實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的有機(jī)統(tǒng)一，既不會(huì)給城市面貌帶來不良影響，又能真正發(fā)揮為城市服務(wù)的功能[19]。

2.2 影響因子的選定

有機(jī)垃圾會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生好氧和厭氧反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生有毒氣體和有機(jī)物含量很高的污水，而且垃圾中轉(zhuǎn)站會(huì)滋生蚊蟲和細(xì)菌，在一定程度上影響鄰近居民身心健康?？傮w來說中轉(zhuǎn)站區(qū)位的確定，應(yīng)盡量選擇在地理和地質(zhì)條件較好的地方，遠(yuǎn)離水源、人口密度較小的點(diǎn)。同時(shí)，對于垃圾中轉(zhuǎn)站作為服務(wù)設(shè)施來講，其選址最終目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)服務(wù)功能最大化和經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)化。因此，結(jié)合安慶市具體情況和數(shù)據(jù)可獲得性，影響因子的選定主要考慮城市道路類型、土地利用類型、垃圾量密度和區(qū)域避讓4個(gè)方面。垃圾中轉(zhuǎn)站不宜分布在商業(yè)用地和綠地上，但可以分布在住宅用地或工業(yè)用地上。本文將“城市道路類型”及“土地利用類型”兩個(gè)因子作為垃圾中轉(zhuǎn)站分布的定量因子，不計(jì)算之間的權(quán)重；而將“垃圾量密度”“區(qū)域避讓”作為影響因子，并將“區(qū)域避讓”細(xì)分為“醫(yī)療機(jī)構(gòu)、中小學(xué)校、政府機(jī)關(guān)、公園綠地、水系”。通過運(yùn)用“多因素統(tǒng)計(jì)法”獲取其權(quán)重，建立層次結(jié)構(gòu)。

2.3 影響因子權(quán)重的確定

運(yùn)用“多因素統(tǒng)計(jì)法”獲取垃圾中轉(zhuǎn)站各影響因子的權(quán)重，具體方法如下：

(1)制作調(diào)查問卷表，包括先設(shè)計(jì)好一些問卷問題，對影響垃圾中轉(zhuǎn)站分布的一些因子作簡單說明；然后將“垃圾量密度”“區(qū)域避讓”做一個(gè)表格，將“醫(yī)療機(jī)構(gòu)”“中小學(xué)?！薄罢畽C(jī)關(guān)”“公園綠地”“水系”再做一個(gè)表格，以極端重要、很重要、重要、一般重要、一般五等級(jí)分別對應(yīng)9，7，5，3，1，而2，4，6，8表示相鄰判斷的中值，采用專家打分法，請專家進(jìn)行打分；最后，將結(jié)果數(shù)據(jù)匯總平均后得到“醫(yī)療機(jī)構(gòu)”為6.38，“中小學(xué)校”為5.42，“政府機(jī)關(guān)”為 4.00，“公園綠地”為 3.38，“水系”為7.00。

(2)將兩層次得到的關(guān)于這些項(xiàng)的初步結(jié)果分別彼此相除得到彼此的相對重要值rij。

(3)將相除得到的相對重要值建立判斷矩陣R，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，以計(jì)算出來的排序指數(shù)Wi的大小來確定相對權(quán)重系數(shù)的大小。

(4)采用方根法，求出各個(gè)影響因子的相對權(quán)重，并以此作為空間疊加分析的權(quán)重。

具體計(jì)算公式為Mi=ri1ri2…rin，

其中，Mi為判斷矩陣每i行元素的乘積，Pi為Mi的n次方根，Wi為影響因子的權(quán)重。

對上述判斷矩陣進(jìn)行計(jì)算，得到“垃圾量密度”“區(qū)域避讓”因子的相對權(quán)重矩陣（表1）和“區(qū)域避讓”因子之間的相對權(quán)重矩陣（表2）。

表1 垃圾量密度和區(qū)域避讓因子的相對重要值（矩陣）

表2 區(qū)域避讓中各子因子的相對重要值（矩陣）

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 中轉(zhuǎn)站的可選區(qū)域

根據(jù)城市道路等級(jí)將道路分為骨干道路和二級(jí)道路。道路是以線的形式表現(xiàn)出來，而實(shí)際中道路具有一定的寬度，且垃圾中轉(zhuǎn)站的布點(diǎn)也應(yīng)距道路邊界有一定距離，但為了方便運(yùn)輸也不應(yīng)距離道路過遠(yuǎn)，所以給骨干道路和二級(jí)道路做一定距離的緩沖區(qū)，并將這兩個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)行疊加合并得到道路緩沖區(qū)。

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，將市區(qū)土地分為“住宅用地、工業(yè)用地、商業(yè)用地、綠地”，并增加可利用土地類型值屬性，然后將道路緩沖區(qū)的柵格數(shù)據(jù)與土地利用類型柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘運(yùn)算，得到的柵格圖即建造垃圾中轉(zhuǎn)站可利用區(qū)域。

3.2 確定中轉(zhuǎn)站適宜建設(shè)區(qū)域

3.2.1 垃圾量密度分析

對人口調(diào)查樣本點(diǎn)運(yùn)用Voronoi多邊形得到人口分布多邊形，以此作為人口調(diào)查樣本點(diǎn)所管轄區(qū)域范圍。對該多邊形圖層添加垃圾量、人口密度以及垃圾量密度3個(gè)屬性字段，根據(jù)調(diào)查得到安慶市平均每人每天產(chǎn)生垃圾量為1.2kg，得到垃圾量密度分布柵格圖。本文根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)將得到的柵格圖進(jìn)行重分類，共分為9級(jí)，0～100為1級(jí)，100～200為2級(jí)，200～300為3級(jí)，…，800～900為9級(jí)。

3.2.2 區(qū)域避讓因子?xùn)鸥穹治?/p>

對“醫(yī)療機(jī)構(gòu)”“中小學(xué)?！薄罢畽C(jī)關(guān)”“公園綠地”“水系”等區(qū)域避讓因子進(jìn)行距離柵格分析后進(jìn)行重分級(jí)分析。將級(jí)數(shù)全部設(shè)為5級(jí)，分別為1～5級(jí)，不同區(qū)域避讓影響因子分級(jí)指標(biāo)如表3所示。

表3 區(qū)域避讓中各影響因子分級(jí)指標(biāo)

3.2.3 柵格代數(shù)運(yùn)算

根據(jù)重分級(jí)得到的結(jié)果以及各個(gè)影響因子的相對權(quán)重值，先對區(qū)域避讓各因子進(jìn)行柵格代數(shù)運(yùn)算，將區(qū)域避讓因子?xùn)鸥穹治龅玫降闹胤旨?jí)結(jié)果分別乘以相對權(quán)重值后相加，得到區(qū)域避讓因子?xùn)鸥駡D。然后對垃圾密度重分級(jí)結(jié)果與區(qū)域避讓因子?xùn)鸥駡D進(jìn)行柵格代數(shù)運(yùn)算，將得到的垃圾密度柵格圖結(jié)果和區(qū)域避讓因子?xùn)鸥駡D分別乘以相對權(quán)重值后相加，得到垃圾中轉(zhuǎn)站適宜建設(shè)區(qū)域柵格圖，即區(qū)域避讓=0.244*醫(yī)療機(jī)構(gòu)+0.207*中小學(xué)校+0.153*政府機(jī)關(guān)+0.129*公園綠地+0.267*水系，適宜建設(shè)區(qū)域=0.45*垃圾密度重分級(jí)+0.55*區(qū)域避讓。

3.3 確定中轉(zhuǎn)站最終可建設(shè)區(qū)域

將垃圾中轉(zhuǎn)站可利用區(qū)域柵格圖和垃圾中轉(zhuǎn)站適宜建設(shè)區(qū)域柵格圖進(jìn)行柵格代數(shù)運(yùn)算，得到垃圾中轉(zhuǎn)站的可建設(shè)區(qū)域柵格圖1。

圖1 垃圾中轉(zhuǎn)站可利用區(qū)域柵格

3.4 垃圾中轉(zhuǎn)站的評估與優(yōu)化

3.4.1 垃圾中轉(zhuǎn)站的評估

安慶市現(xiàn)有張家坡、程良路、宜園路、旺園小區(qū)、錫麟街、青少年宮路、華中東路、晴北路8個(gè)垃圾中轉(zhuǎn)站(圖2)。將現(xiàn)有垃圾中轉(zhuǎn)站放到垃圾中轉(zhuǎn)站最終可建區(qū)域圖層中，發(fā)現(xiàn)張家坡、程良路、旺園小區(qū)、錫麟街4個(gè)中轉(zhuǎn)站的分布明顯不在適宜區(qū)域內(nèi)，屬于分布不合理的垃圾中轉(zhuǎn)站。

圖2 安慶市現(xiàn)有垃圾中轉(zhuǎn)站分布圖

3.4.2垃圾中轉(zhuǎn)站的優(yōu)化

對于新的中轉(zhuǎn)站的分布，在最終可建設(shè)區(qū)域柵格圖中，站點(diǎn)應(yīng)該分布于顏色較深區(qū)域。同時(shí)，考慮到實(shí)際情況下該區(qū)域不應(yīng)有拆遷成本高或不適宜拆遷的建筑；轉(zhuǎn)運(yùn)垃圾時(shí)，大型垃圾車不阻塞交通，盡量選擇交通車流量小的路段；新建垃圾中轉(zhuǎn)站與現(xiàn)有中轉(zhuǎn)站間的分布不宜過于集中等，最終提出了安慶市垃圾中轉(zhuǎn)站新的優(yōu)化方案，分布情況如圖3所示。

圖3 安慶市垃圾中轉(zhuǎn)站調(diào)整后分布圖

4 結(jié)束語

城市垃圾中轉(zhuǎn)站是環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)設(shè)施，也是潛在的污染源。本文綜合考慮研究區(qū)域的實(shí)際情況，將GIS空間分析技術(shù)和AHP法相結(jié)合用于垃圾中轉(zhuǎn)站選址評估與優(yōu)化，取得了較好的效果。其中，利用GIS技術(shù)可以更為客觀、快速地對垃圾中轉(zhuǎn)站的選址進(jìn)行評估與優(yōu)化，減少人為因素的干擾；在分析過程中，利用GIS中的緩沖區(qū)分析、疊加分析、泰森多邊形、距離柵格分析等原理對現(xiàn)有的垃圾中轉(zhuǎn)站進(jìn)行評估分析并提出優(yōu)化方案。而影響因子的確定和權(quán)重的計(jì)算對整個(gè)分析結(jié)果都有關(guān)鍵性的影響，故采用AHP方法進(jìn)行計(jì)算較為客觀的接近于分析需求。本方法可為其他城市垃圾中轉(zhuǎn)站選址提供有益參考。

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