生活垃圾收運(yùn)模式的聚類分析研究及其應(yīng)用——以重慶為例

黃媛媛，彭緒亞，王渝昆，2，何 蕓

（1.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045；2.重慶市環(huán)衛(wèi)控股（集團(tuán)）有限公司，重慶401121）

隨著我國(guó)推進(jìn)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展，城市各區(qū)域發(fā)展速度加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，生活垃圾處理場(chǎng)將越來(lái)越遠(yuǎn)離城市中心區(qū)域，城市生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的服務(wù)范圍將更為廣闊。城市各區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化發(fā)展不盡相同，人口密度、垃圾的收集狀況也相差懸殊。若城市的各區(qū)域在選擇生活垃圾收運(yùn)模式時(shí)，照搬其他模式，將有可能造成投資大、收運(yùn)效率低、二次污染嚴(yán)重等許多不良后果，同時(shí)也會(huì)對(duì)社會(huì)、居民生活環(huán)境等產(chǎn)生深刻影響。

如何根據(jù)城市不同區(qū)域的實(shí)際情況，有針對(duì)性的選擇生活垃圾收運(yùn)模式，是我國(guó)城市生活垃圾綜合管理系統(tǒng)所面臨的一項(xiàng)十分緊迫任務(wù)，對(duì)構(gòu)建大城市生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)也尤為重要。

1 生活垃圾收運(yùn)模式特征指標(biāo)體系的建立

城市生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的建設(shè)和規(guī)劃受到地理地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)狀況、社會(huì)環(huán)境、城市化水平，垃圾的特性以及垃圾處理的目的與要求等多方面因素影響［1］。因此，城市生活垃圾收運(yùn)模式的選擇，也由社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、等諸多因素交互影響。

另外，由于我國(guó)推進(jìn)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌化發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市的不同區(qū)域也發(fā)展迅速。一個(gè)地區(qū)的綜合發(fā)展程度［2－4］即區(qū)域發(fā)展水平不同，則所選擇的生活垃圾收運(yùn)模式也不盡相同。在考慮生活垃圾收運(yùn)模式的選擇時(shí)，反應(yīng)區(qū)域發(fā)展水平的因素，例如：經(jīng)濟(jì)、人口、空間和生活方式等方面的指標(biāo)，也應(yīng)進(jìn)行分析研究。

綜合生活垃圾收運(yùn)模式的影響因素和區(qū)域發(fā)展的評(píng)價(jià)指標(biāo)，影響因素主要有［4－6］：處置設(shè)施的位置、收集密度、經(jīng)濟(jì)可行性、環(huán)境影響、系統(tǒng)接口和交通影響等。其中，處置設(shè)施的位置和收集密度將決定收運(yùn)模式的轉(zhuǎn)運(yùn)方式，可以通過(guò)“垃圾人均產(chǎn)量”和“垃圾收集密度”體現(xiàn)。而后面幾個(gè)因素具有共性，可以通過(guò)“運(yùn)輸距離”集中體現(xiàn)，決定收運(yùn)模式的轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)。再結(jié)合區(qū)域發(fā)展的評(píng)價(jià)指標(biāo)［7］，可以發(fā)現(xiàn)人均GDP、人口密度、區(qū)域建成區(qū)總面積等指標(biāo)將對(duì)區(qū)域生活垃圾收運(yùn)模式的選擇產(chǎn)生一定影響。因此，生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)主要影響因素指標(biāo)體系，構(gòu)建如下表所示。

表1 主要影響因素指標(biāo)體系

2 生活垃圾收運(yùn)模式聚類分析研究

2.1 聚類分析的定義

聚類分析又叫群分析、點(diǎn)群分析或者簇分析，是根據(jù)被觀測(cè)對(duì)象（研究對(duì)象）的個(gè)體特征、內(nèi)在特點(diǎn)和規(guī)律，根據(jù)相似性或親疏關(guān)系原則對(duì)其進(jìn)行分類的一種多元統(tǒng)計(jì)方法。從實(shí)現(xiàn)方法上分，聚類分析方法大致分為四種類型：譜系聚類法、圖論聚類法、基于等價(jià)關(guān)系的聚類方法和基于目標(biāo)函數(shù)的聚類法（即模糊聚類）等。其中，快速聚類法和譜系聚類法，在統(tǒng)計(jì)分析中應(yīng)用較為廣泛［8］。

譜系聚類法即系統(tǒng)聚類法，又稱層次聚類法、分層聚類法，其實(shí)質(zhì)是關(guān)系密切的聚合到一個(gè)小的分類，關(guān)系疏遠(yuǎn)的聚合到一個(gè)大的分類，直到把所有的樣本（或變量）都聚合完畢，把不同的類型一一劃分并繪制譜系圖的一種逐次聚類的方法［9］。層次聚類分析中，對(duì)樣本的各種特征進(jìn)行分類的，為Q型聚類；根據(jù)對(duì)象某一方面特點(diǎn)的變量進(jìn)行分類的，R型聚類。

2.2 聚類分析方法的選擇

本論文的聚類分析思路是：根據(jù)生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)主要影響因素，而確定的垃圾收運(yùn)模式特征指標(biāo)體系，對(duì)城市的不同區(qū)域進(jìn)行聚類分析，從而為其選擇合適的收運(yùn)模式。

具體來(lái)說(shuō)，本論文將根據(jù)變量組合（即指標(biāo)體系），對(duì)不同樣本（即不同區(qū)域）進(jìn)行聚類分析。因此，應(yīng)采用Q型聚類法。

另外，考慮到需要進(jìn)行分類的區(qū)域，其聚類類別數(shù)未知，區(qū)域數(shù)目較小，對(duì)相似性度量中，距離的選擇要求較多；因此，應(yīng)該采用層次聚類分析法。

2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

在進(jìn)行垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)模式的聚類分析時(shí)，將需要進(jìn)行聚類分析的區(qū)域，定義為樣本（即個(gè)案），設(shè)有j個(gè)樣本；而收運(yùn)模式特征指標(biāo)體系中的指標(biāo)，定義為變量，設(shè)有i個(gè)指標(biāo)變量。指標(biāo)和樣本的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，匯總見(jiàn)表2。

表2 指標(biāo)和樣本基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯總表

（1）人口密度［10－12］：是指單位土地面積上所擁有的人口數(shù)，是反映人口地理分布的一項(xiàng)基本指標(biāo)，說(shuō)明了該區(qū)域的人口疏密、人口分布等情況。計(jì)算公式為：

（2）建成區(qū)面積：指行政區(qū)范圍內(nèi)，由征用的土地和實(shí)際建設(shè)從而發(fā)展起來(lái)的非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地段，它包括城市市區(qū)集中連片的部分和分散在近郊區(qū)同城市有著密切聯(lián)系的，并具備基本完善的市政公用設(shè)施的城市建設(shè)用地。

（3）運(yùn)輸距離：指生活垃圾從區(qū)域內(nèi)各收集點(diǎn)，轉(zhuǎn)運(yùn)至最近的生活垃圾處理場(chǎng)的平均距離。為了便于測(cè)量和計(jì)算，在本論文的聚類分析中，考慮的是區(qū)域內(nèi)各收集點(diǎn)與生活垃圾處理場(chǎng)的最小距離。

（4）人均GDP：即人均地區(qū)生產(chǎn)總值，是指一個(gè)核算期內(nèi)（通常是一年），區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的生產(chǎn)總值與該區(qū)域的常住人口（目前使用戶籍人口）相比的值。計(jì)算公式為：

（5）垃圾收集密度：是指單位土地面積上垃圾的收運(yùn)質(zhì)量。計(jì)算公式為：

2.4 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

考慮到垃圾收運(yùn)模式主要影響因素指標(biāo)體系中，各項(xiàng)指標(biāo)涉及范圍較廣，且各自計(jì)量單位和數(shù)量級(jí)不同，故各指標(biāo)不具有代表性，不能直接進(jìn)行綜合分析。因此，必須對(duì)各指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，解決其數(shù)值不可綜合分析的問(wèn)題，消除其量綱的影響［13］。

目前，主要有四大類指標(biāo)無(wú)量綱化處理方法：極值化方法、均值化方法、標(biāo)準(zhǔn)化方法和標(biāo)準(zhǔn)差化方法［14］。而這些方法中，標(biāo)準(zhǔn)化方法是多變量綜合分析中使用最廣泛的一種方法，通常在原始數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布的情況下，利用該方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理是較為合理的。該方法不僅可以消除量綱和數(shù)量級(jí)的影響，還消除了原始數(shù)據(jù)的變異程度的差異，從

（6）垃圾人均產(chǎn)量：反映了各區(qū)域生活垃圾的產(chǎn)生情況。計(jì)算公式為：而將無(wú)量綱化后的兩個(gè)變量同等看待［15］。因此，可以選擇標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2.5 相似性度量的選擇

層次聚糞分析中，度量樣本（或者指標(biāo)）之間的親疏程度是關(guān)鍵。對(duì)于Q型聚類分析，研究時(shí)會(huì)涉及到兩種類型親疏程度的計(jì)算：一種是樣本數(shù)據(jù)之間的親疏程度（即點(diǎn)和點(diǎn)的距離），一種是樣本數(shù)據(jù)與小類、小類與小類之間的親疏程度。這些親疏程度的測(cè)量，主要通過(guò)樣本之間的距離，或者樣本間的相似系數(shù)來(lái)進(jìn)行度量的。

對(duì)于連續(xù)變量的樣本距離的測(cè)量，樣本若有P個(gè)變量，則可以將樣本看成是一個(gè)P維的空間的一個(gè)點(diǎn)，樣本和樣本之間的距離就是P維空間點(diǎn)和點(diǎn)之間的距離，反映了樣本之間的親疏程度；聚類時(shí)，距離相近的樣本屬于一個(gè)類，距離遠(yuǎn)的樣本屬于不同類。測(cè)量距離主要有：歐氏距離、歐氏距離平方、絕對(duì)值距離、切比雪夫距離、明氏距離等。

另外，所謂小類，是指在聚類過(guò)程中根據(jù)樣本之間親疏程度形成的中間類，小類和樣本、小類與小類繼續(xù)聚合，直到最后，將所有樣本都包括在一個(gè)大糞中。在聚類運(yùn)算過(guò)程中，計(jì)算樣本與小類、小類與小類之間的親疏程度，有多種計(jì)算方法，例如：類間平均鏈鎖法、最短距離法、最長(zhǎng)距離法、重心法等。

大量的實(shí)踐證明，類間平均鏈鎖法和歐氏距離平方是非常優(yōu)秀、穩(wěn)健并且運(yùn)用廣泛的方法，因此本次聚類分析使用該方法［16］。

2.6 利用SPSS軟件進(jìn)行聚類分析

SPSS軟件作為世界上應(yīng)用最廣泛的專業(yè)統(tǒng)計(jì)軟件，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)社會(huì)科學(xué)和自然科學(xué)的領(lǐng)域、行業(yè)［17］。本論文選擇了版本較新功能全面的SPSS 13.0標(biāo)淮版作為輔助的統(tǒng)計(jì)分析工具，進(jìn)行了生活垃圾收運(yùn)模式的聚類分析研究［18］。

2.7 聚類結(jié)果的判定

根據(jù)聚類分析的結(jié)果，對(duì)城市不同區(qū)域進(jìn)行分類，從而對(duì)不同區(qū)域選取適合的生活垃圾收運(yùn)模式。根據(jù)生活垃圾收運(yùn)模式的影響因素，以及相應(yīng)的指標(biāo)體系，并結(jié)合城市都市化的發(fā)展模式，可以將城市區(qū)域分成以下4類［5，19－21］，這也是對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行分析的參照分類標(biāo)準(zhǔn)，具體見(jiàn)表3。

表3 城市分區(qū)及其特點(diǎn)

根據(jù)聚類的結(jié)果，對(duì)城市的不同區(qū)域選擇合適的收運(yùn)模式，具體見(jiàn)表4。此表僅是提出的生活垃圾收運(yùn)模式的選擇參考，并不是絕對(duì)的情況，不同區(qū)域可根據(jù)實(shí)際情況作出調(diào)整。

表4 城市區(qū)域生活垃圾收運(yùn)模式選擇參考表

3 重慶市主城區(qū)生活垃圾收運(yùn)模式聚類實(shí)例分析

3.1 聚類分析的結(jié)果

根據(jù)《重慶市統(tǒng)計(jì)年鑒（2010）》以及重慶市GIS中心提供的各區(qū)域面積以及各區(qū)域的常住人口數(shù)（即包含了農(nóng)業(yè)人口數(shù)）等相關(guān)資料，按照聚類分析的要求，整理出了重慶市主城各區(qū)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。

表5 重慶市主城各區(qū)指標(biāo)和樣本基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯總表

3.2 聚類分析的結(jié)果

重慶市主城各區(qū)域生活垃圾收運(yùn)模式的聚類分析，其結(jié)果是由輸出的樹(shù)形圖表示的，此圖可以形象的反應(yīng)各樣本之間的分類情況。當(dāng)將樣本分為四類時(shí)：樣本1為第一類；樣本7、9為第二類；樣本4、6為第三類；樣本2、3、5、8為第四類。結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 聚類分析樹(shù)形圖示意圖

按樹(shù)形圖，將重慶市主城區(qū)可分為4類。

第一類區(qū)域，渝中區(qū)。渝中區(qū)是重慶市主城區(qū)的中心區(qū)域（核心區(qū)）其人口密度高，垃圾產(chǎn)量較大，收集強(qiáng)度大，垃圾收集密度高。該區(qū)域繁華、經(jīng)濟(jì)水平高，商業(yè)街區(qū)較多，對(duì)市容市貌、區(qū)域環(huán)境質(zhì)量要求頗高。

第二類區(qū)域，沙坪壩區(qū)和南岸區(qū)。這兩個(gè)區(qū)域臨近渝中區(qū)，區(qū)域都市化進(jìn)程較快，人口密度較高，垃圾產(chǎn)量較大，收集強(qiáng)度一般，垃圾收集密度較高。這類區(qū)域?qū)儆诔鞘蟹种行模ǜ敝行模?，主要是居住、教育、文化區(qū)，商業(yè)作為附屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平較高。由于該區(qū)域臨近近郊區(qū)域，故與生活垃圾處理場(chǎng)距離較近。

第三類區(qū)域，大渡口區(qū)、江北區(qū)、九龍坡區(qū)和渝北區(qū)。這類地區(qū)應(yīng)屬于近郊地區(qū)，是城市推進(jìn)都市化進(jìn)程的產(chǎn)物，地域廣闊，人口密度離散；但在這類地區(qū)的中心地區(qū)，人口密度較高，垃圾收集密度較大；總的來(lái)說(shuō)，其垃圾收集強(qiáng)度和人口密度的差異性較大。

第四類區(qū)域，北碚區(qū)和巴南區(qū)。這類地區(qū)遠(yuǎn)離都市區(qū)范圍，屬于郊區(qū)，地域廣闊，人口密度離散，人口密度較小，垃圾收集密度也小。該地區(qū)遠(yuǎn)離城市核心和中心區(qū)，城市化進(jìn)程緩慢。

3.3 收運(yùn)模式的選擇

（1）重慶市主城區(qū)的中心區(qū)域

根據(jù)該區(qū)域的特點(diǎn)，應(yīng)選擇一級(jí)或者二級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)收運(yùn)模式。重慶市城市發(fā)展迅速，該區(qū)的部分地區(qū)也建議生活垃圾的收運(yùn)采用者二級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)收運(yùn)模式，總的來(lái)說(shuō)該區(qū)可以選擇采用一級(jí)與二級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)收運(yùn)模式相結(jié)合的方式，作業(yè)流程圖如下：

圖2 重慶市中心區(qū)域生活垃圾收運(yùn)模式作業(yè)流程圖

主要采用“小型收集點(diǎn)＋壓縮中轉(zhuǎn)站收運(yùn)模式”。生活垃圾的前端收集，可以由居民自行投放到收集點(diǎn)，或者專人收集，再由小型的垃圾運(yùn)輸車輛、送至壓縮中轉(zhuǎn)站，壓縮入集裝箱中，待集裝箱裝滿后，由中型拉臂鉤車、送至垃圾處置場(chǎng)；部分運(yùn)輸距離較大的地區(qū)，可再次轉(zhuǎn)運(yùn)至中型垃圾中轉(zhuǎn)站，經(jīng)壓縮后再由大型垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車輛、統(tǒng)一運(yùn)輸?shù)嚼幚韴?chǎng)。

（2）重慶市主城區(qū)的副中心區(qū)域

根據(jù)該區(qū)域的特點(diǎn)，應(yīng)選擇一級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)收運(yùn)模式，作業(yè)流程圖如下：

圖3 重慶市副中心區(qū)域生活垃圾收運(yùn)模式作業(yè)流程圖

主要采用“小型壓縮收集站／小型收集點(diǎn)＋壓縮中轉(zhuǎn)站收運(yùn)模式”。生活垃圾的前端收集，可以采取送到小型壓縮式收集站內(nèi)，利用站內(nèi)的壓縮機(jī)裝到集裝箱中，再由車廂可卸式垃圾車將集裝箱直接拉走，送至垃圾中轉(zhuǎn)站；也可以采取，在一般收集點(diǎn)由小型車輛轉(zhuǎn)運(yùn)垃圾至中轉(zhuǎn)站，這兩種方式。最后，均由大型垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車（集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)車）運(yùn)送至垃圾處理場(chǎng)。

（3）近郊區(qū)域遠(yuǎn)郊區(qū)域

根據(jù)該區(qū)域的特點(diǎn)，應(yīng)選擇一級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)收運(yùn)模式與直接收運(yùn)模式相結(jié)合的方式。對(duì)于近郊區(qū)的中心區(qū)域部分，由于距離垃圾處理場(chǎng)有一定距離，可以采取一級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)收運(yùn)模式；而對(duì)于近郊區(qū)域的周邊地區(qū)以及遠(yuǎn)郊地區(qū)，由于距離生活垃圾處理場(chǎng)較近，則可以采用直接收運(yùn)模式，作業(yè)流程圖如下：

圖4 重慶市其他區(qū)域生活垃圾收運(yùn)模式作業(yè)流程圖

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)研究生活垃圾收運(yùn)模式的影響因素，構(gòu)建了以人口密度、區(qū)域建成區(qū)總面積、運(yùn)輸距離、人均GDP、垃圾收集密度和垃圾人均產(chǎn)量為主的特征指標(biāo)體系。

（2）運(yùn)用聚類分析中的層次聚類法，對(duì)城市的不同區(qū)域進(jìn)行了聚類，結(jié)果表明，城市可以分為4類區(qū)域：城市中心區(qū)域、城市次中心區(qū)域、近郊區(qū)域和遠(yuǎn)郊區(qū)域。就如何根據(jù)聚類分析的結(jié)果，對(duì)各區(qū)域進(jìn)行生活垃圾收運(yùn)模式的選擇進(jìn)行了分析研究。

（3）利用城市生活垃圾收運(yùn)模式聚類分析方法，對(duì)重慶市主城各區(qū)域生活垃圾收運(yùn)模式的選擇進(jìn)行了實(shí)例分析?；谥貞c市主城區(qū)生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，借助SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)重慶市主城9區(qū)進(jìn)行了分類，將主城區(qū)劃分為了4類區(qū)域，并根據(jù)不同區(qū)域的特點(diǎn)，選擇了合適的生活垃圾收運(yùn)模式。

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