基于GIS-AHP 的建筑廢棄物消納場選址優(yōu)化研究
——以廣州市番禺區(qū)為例

劉景礦，馬 沖

（廣州大學(xué) 管理學(xué)院，廣東 廣州 510006，E-mail：ljkgowell@163.com）

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐加快，以及城市舊城區(qū)、城中村改造項目的開展，產(chǎn)生了大量的建筑廢棄物。巨量的建筑廢棄物（包括混凝土、磚塊、工程棄土、木屑、玻璃、塑料和廢棄金屬等）不可避免地會對環(huán)境產(chǎn)生一系列負面影響，包括公共衛(wèi)生惡化、空氣污染加劇、水和土壤的進一步污染、自然資源的浪費等。建筑廢棄物處理應(yīng)重點考慮消納場綜合利用，如果消納場選址不合理，廢棄物消納場分揀出的可回收建材離建材市場距離較遠，導(dǎo)致運輸成本過高，會加大建筑廢棄物的非法傾倒，造成資源上的浪費。同時，也會對環(huán)境產(chǎn)生更加不利的影響[1]，甚至引發(fā)嚴重的安全事故，如2015 年12 月的深圳光明新區(qū)消納場坍塌事件[2]。

通常選擇一個合適的地點來建造廢棄物消納場非常復(fù)雜，要確定一個能夠滿足所有建設(shè)和運營要求的地點十分困難[3]。所以，消納場的選址需要考慮到眾多因素，國內(nèi)外學(xué)者主要考慮環(huán)境、社會和經(jīng)濟等三方面因素。Wang 等[4]用層次分析法研究了北京地區(qū)的城市固體廢棄物消納場，考慮到了經(jīng)濟因素和環(huán)境因素。Spigolon 等[5]對巴西的城市固體廢棄物消納場選址時，使用整數(shù)規(guī)劃方法最小化了運輸成本。Ojha 等[6]在研究印度廢棄物消納場選址時，使用了模糊邏輯和計分系統(tǒng)對現(xiàn)有廢棄物消納場進行了打分、排序，評估了現(xiàn)有廢棄物消納場的適用性。Habibi 等[7]提出了一個多目標(biāo)魯棒優(yōu)化模型，該模型通過最小化總成本，同時考慮到了該系統(tǒng)中的環(huán)境因素，如溫室氣體排放，幫助決策者確定出了城市生活垃圾消納場的最佳位置。部分學(xué)者將環(huán)境、社會和經(jīng)濟等相關(guān)因素分類為層次分析法（AHP）中要考慮的變量，以及結(jié)合GIS、實地調(diào)查來進行最終決策[8]。

以上研究廢棄物消納場更多考慮的是城市固體廢物，如生活垃圾方面的消納場選址。由于建筑廢棄物和城市其他固體廢棄物的組成不同、處理方式也不同，因此考慮的因素也有所不同。本文借鑒已有研究經(jīng)驗，將GIS 與整數(shù)規(guī)劃兩種方法結(jié)合起來，從環(huán)境、社會和經(jīng)濟的角度選取建筑廢棄物消納場備選區(qū)域，再結(jié)合廣州市番禺區(qū)案例中實際情況，比如廢棄物產(chǎn)生源、建材市場的位置、消納場的各項成本等，選擇出消納場的最優(yōu)位置。

1 研究范圍和方法

1.1 研究范圍

本文以廣州市番禺區(qū)為研究對象，番禺區(qū)位于廣州市中部以南，總面積約530km2，轄6 鎮(zhèn)10 街，在番禺居住、工作、生活的人超過了300 萬。廣州市在2018 年入選我國建筑廢棄物治理試點城市之一，根據(jù)廣州城市礦產(chǎn)協(xié)會初步統(tǒng)計，廣州各類工程所產(chǎn)生的建筑廢棄物年產(chǎn)約3000 萬m3，如何合理地處置產(chǎn)生的建筑廢棄物是廣州市亟待解決的問題，在地域遼闊的番禺區(qū)為建筑廢棄物消納場選擇最優(yōu)的位置尤為重要[9]。

1.2 研究方法

本文采用層次分析法、熵權(quán)法、GIS 技術(shù)與0-1混合整數(shù)規(guī)劃相結(jié)合的方法。首先采用 AHPEntropy 確定各個影響因素的權(quán)重[10]，其次利用GIS技術(shù)繪制出各個影響因素的分析圖，最后應(yīng)用0~1混合整數(shù)規(guī)劃選出最佳位置。具體技術(shù)路線如圖1所示[11]。

圖1 技術(shù)路線

2 AHP-Entr opy 和GIS 模型的構(gòu)建

2.1 AHP-Entropy 模型構(gòu)建

首先確定出廢棄物消納場選址的影響因素；其次收集層次分析法和熵權(quán)法所需要的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)采用對專家問卷調(diào)查的方式獲取（專家人數(shù)25 位，主要為從事工程管理、環(huán)境工程專業(yè)的高級工程師，以及來自高校的學(xué)者、專家）；再次建立分層模型，輸入判斷矩陣，對判斷矩陣進行一致性檢驗，通過YAAHP 軟件來計算出各個因素的最初權(quán)重；最后采用熵權(quán)法對權(quán)重進行優(yōu)化，求出綜合權(quán)重。

（1）確定建筑廢棄物消納場選址的影響因素。包括河網(wǎng)密度、地下水、坡度、地質(zhì)等一系列自然環(huán)境因素，還應(yīng)考慮到社會因素和經(jīng)濟因素，例如土地用途、距離居民點的距離、距離景點的距離、距離道路的距離、土地價格等。本文結(jié)合國家法律法規(guī)、廣州市地方法規(guī)以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確定了潛在影響因素。如表1 所示。

（2）確定權(quán)重。使用YAAHP 軟件計算出初始權(quán)重，再使用Matlab 來計算熵值，得到綜合權(quán)重。如表2 所示。

2.2 GIS 模型構(gòu)建

從中國地理國情監(jiān)測云平臺、天地圖等網(wǎng)絡(luò)平臺以及廣州市規(guī)劃和土地委員會、番禺區(qū)人民政府、中華人民共和國自然資源部等政府部門網(wǎng)站獲取地理信息數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行處理和分析。主要步驟：一是根據(jù)所獲取的數(shù)據(jù)建立多環(huán)緩沖區(qū)；二是對每一環(huán)緩沖區(qū)進行編輯輸入分數(shù)；三是將已經(jīng)建立好緩沖區(qū)的各個圖層進行疊加分析；四是將每個圖層的綜合權(quán)重輸入字段編輯器，得到最終得分，分數(shù)越高表示越適合建立廢棄物消納場。

2.2.1 各個因素分析

根據(jù)各個影響因素的性質(zhì)、類別，按照國家和地方政府頒布的法律法規(guī)、各項條例、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等，在GIS 軟件中建立多環(huán)緩沖區(qū)，對每層緩沖區(qū)進行打分。以1~5 分為評分標(biāo)準(zhǔn)，一些地區(qū)禁止建設(shè)消納場，則對這些地區(qū)打1 分。

（1）與地表水的距離。依據(jù)《中國固體廢物管理法》中規(guī)定消納場與地表水之間的距離不得小于 500m，因此在地表水周圍建立緩沖區(qū)，并按照緩沖區(qū)距離進行打分。本文中，距離地表水小于500m 的緩沖區(qū)得1 分，500~1000m 的緩沖區(qū)得2分，1000~1500m 的緩沖區(qū)得3 分，1500~2000m 的緩沖區(qū)得4 分，2000m 以上的緩沖區(qū)得5 分。

（2）與水源保護區(qū)的距離。根據(jù)《垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，廢棄物消納場禁止建設(shè)在水源保護區(qū)內(nèi)。因此，水源保護區(qū)內(nèi)得1 分，其他地區(qū)得5 分。

（3）與特殊保護區(qū)的距離。根據(jù)《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》《建筑余泥渣土受納場建設(shè)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定消納場不應(yīng)建設(shè)在自然保護區(qū)內(nèi)，應(yīng)遠離自然保護區(qū)。本文中，分配森林公園、自然保護區(qū)、國家重點文物保護單位、自然與文化遺產(chǎn)保護區(qū)緩沖區(qū)距離小于1000m 得1 分，1000~2000m 的緩沖區(qū)得2 分，2000~3000m 的緩沖區(qū)得3分，3000~4000m 的緩沖區(qū)得4 分，4000m 以上的緩沖區(qū)得5 分。

（4）生態(tài)敏感及脆弱區(qū)。分配生態(tài)敏感及脆弱區(qū)緩沖區(qū)距離小于500m 得1 分，500~1000m 的緩沖區(qū)得2 分，1000~1500m 的緩沖區(qū)得3 分，1500~2000m 的緩沖區(qū)得4 分，2000m 以上的緩沖區(qū)得5 分。

（5）基本農(nóng)田保護區(qū)。根據(jù)《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，禁止將廢棄物消納場建設(shè)在基本農(nóng)田保護區(qū)內(nèi)。因此，基本農(nóng)田保護區(qū)內(nèi)得1 分，其余地區(qū)得5 分。

（6）海拔和坡度。坡度越大，建設(shè)成本就越高，根據(jù)《全國土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，分配坡度大于25°的區(qū)域得1 分，15°~25°的區(qū)域得2分，6°~15°的區(qū)域得3 分，2°到6°的區(qū)域得4 分，坡度小于2°的區(qū)域得5 分。同樣將海拔從低到高分為5 級，從最高到最低得分分別為1 分、2 分、3分、4 分、5 分。

同理，其他因素如與景點的距離、與居民的距離、與主要公路的距離、土地價格，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，制定了1~5 分的打分分值。

2.2.2 適宜性分析

在GIS 軟件的支持下，綜合考慮各個影響因素的權(quán)重，進行疊加分析，計算出了最適合建立建筑廢棄物消納場的區(qū)域。最適宜區(qū)域面積為2048 萬m2，占番禺區(qū)總面積的3.8642%。在對適宜區(qū)域的交通道路條件、周圍建筑狀況等因素進行實地考察之后，篩選出符合要求的消納場備選場址，一共4處，對應(yīng)的編號及坐標(biāo)分別為M1（113.446453，23.070223）、M2（113.44582，22.935908）、M3（113.295864，22.92762）、M4（113.439617，23.007483）。備選場址位置如圖2 所示。

表1 建筑廢棄物消納場選址的潛在影響因素

表2 各個影響因素的綜合權(quán)重

3 整數(shù)規(guī)劃模型構(gòu)建

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的確定

根據(jù)番禺區(qū)行政區(qū)劃，番禺區(qū)共有6 鎮(zhèn)10 街，依據(jù)建設(shè)工程的建筑規(guī)模、竣工面積和拆除面積估算出2018 年各個鎮(zhèn)、街道建筑廢棄物年產(chǎn)量。根據(jù)對建筑廢棄物產(chǎn)量的估計，整個番禺區(qū)預(yù)計年產(chǎn)量將超過100 萬t。本文參考王秋菲[12]的預(yù)測方法，番禺各行政區(qū)建筑廢棄物年產(chǎn)量預(yù)計值如表3 所示。

根據(jù)廣州市城管委發(fā)布的《廣州市建筑廢棄物填埋場布局規(guī)劃》，番禺目前已有一處建筑廢棄物處理廠，位于番禺區(qū)化龍鎮(zhèn)廣汽智聯(lián)新能源汽車產(chǎn)業(yè)園地塊二期。

圖2 備選場址位置

3.2 模型假設(shè)

本文建筑廢棄物消納場選址問題是在一個確定區(qū)域內(nèi)，從備選地址中選出最合適的一處，達到各消納場與各物流節(jié)點之間形成的總費用最小的目的。

表3 番禺區(qū)各鎮(zhèn)、街道建筑廢棄物年產(chǎn)量預(yù)計值

假設(shè)1：消納場到廢棄物處理場、建材市場、廢棄物產(chǎn)生源的單位運輸價格和運輸距離為已知。

假設(shè)2：各廢棄物產(chǎn)生源所產(chǎn)生的量已知，且所有產(chǎn)生的廢棄物均被運輸至消納場。

假設(shè)3：各消納場的數(shù)量和容量是有限的。

假設(shè)4：建筑廢棄物處理場的年需求能力已知。

假設(shè)5：各消納場的固定成本、運營費用已知。

假設(shè)6：本文各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不再單獨計算除建設(shè)成本、回收成本、存儲成本、運輸成本、銷售成本之外的其他成本。

假設(shè)7：廢棄物的運費與運距簡化為線性關(guān)系。

3.3 參數(shù)設(shè)置

（1）費用界定。各個環(huán)節(jié)的費用考慮以下4種：回收費用即從廢棄物產(chǎn)生源將廢棄物回收到各消納場的費用；運輸費用即從各消納場運輸?shù)綇U棄物處理場的費用；銷售費用即從各消納場銷售到各建材銷售市場的費用；放置費用即各消納場暫時放置建筑廢棄物所產(chǎn)生的費用?？傎M用主要包括回收費用、運輸費用、銷售費用、放置費用四部分。

（2）規(guī)范變量。A：回收費用；B：運輸費用；C：銷售費用；D：放置費用；Xij：廢棄物產(chǎn)生源Wi運至各消納場Fj所產(chǎn)生的單位運輸費用；Pij：廢棄物產(chǎn)生源Wi運至各消納場Fj的廢棄物數(shù)量；Tjq：從各消納場Fj銷售至建材銷售市場Vq的單位銷售費用；Ljq：從各消納場Fj銷售至建材銷售市場Vq的廢棄物數(shù)量；Yjk：從各消納場Fj運至廢棄物處理場Rk的單位運輸費用；Qjk：各消納場Fj運至廢棄物處理場Rk的廢棄物數(shù)量；Sj：各消納場Fj的單位放置成本；Hj：新建消納場Fj需要的固定成本。

（3）建立模型。通過上述定義，結(jié)合0~1 整數(shù)規(guī)劃模型建立如下的模型。

約束條件：

各廢棄物產(chǎn)生源（Wi）運出的最低廢棄物量（Ti）。

各廢棄物產(chǎn)生源（Wi）運至各消納場（Fj）廢棄物量不應(yīng)大于其存儲能力（Uj）。

運至各廢棄物處理廠（Rk）的廢棄物總量必須小于或等于其處理能力（Ek）。

從各消納場（Fj）運輸進來的可回收建材應(yīng)當(dāng)小于或等于銷售市場（Vq）的需求總量（Mq）。

各消納場（Fj）運輸出去的廢棄物總量等于運進的廢棄物總量。

進行優(yōu)化后，其中消納場中轉(zhuǎn)的廢棄物總量等于零的應(yīng)舍棄，而選中的消納場廢棄物中轉(zhuǎn)數(shù)量應(yīng)大于零。

備選消納場Fj被選中時，Zj=1；備選消納場Fj被舍棄，Zj=0，其中上面式子里的G 是一個非常大的正數(shù)。因為Pij廢棄物運輸量是一個非負數(shù)，所以Zj=0 時，Pij=0 是指消納場Fj被舍棄；Zj=1 時，因為G×Zj為一個非常大的正數(shù)，所以Pij是有限數(shù)值，表示Fj。

將式（7）中的函數(shù)和各項約束條件式（8）~式（13）輸入LINGO 軟件進行求解。

3.4 模型結(jié)果分析

（1）目標(biāo)函數(shù)分析。LINGO 運算出的最優(yōu)解函數(shù)值為47983.8，迭代次數(shù)為343 次。從運算結(jié)果中可以看出M3 被選中。

（2）松弛變量和對偶變量分析。通過對模型進行優(yōu)化計算，對各街道、鎮(zhèn)的松弛變量和對偶變量分析，確定對物流回收網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生顯著影響的地區(qū)。這些地區(qū)對物流網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的控制及評價決策方案時都十分重要。各個街道的松弛變量和對偶變量如表4 所示。

表4 各個街道松弛變量和對偶變量

由表4 可以看出，廣州市番禺區(qū)各個街道、鎮(zhèn)廢棄物產(chǎn)生源的松弛變量全部等于0，對偶變量全部小于0，這表示當(dāng)各個街道、鎮(zhèn)廢棄物產(chǎn)生量增加時，處理建筑廢棄物所產(chǎn)生的費用同時會相應(yīng)增加?？梢钥吹绞诮值?、鐘村街道、大龍街道轄區(qū)對偶變量值相對較大，說明如果這些區(qū)域廢棄物產(chǎn)生量發(fā)生微小的變動，就會直接影響到廣州市番禺區(qū)廢棄物處理的相關(guān)費用，所以要密切關(guān)注和控制這些區(qū)域廢棄物的產(chǎn)生量。

各個消納場松弛變量和對偶變量如表5 所示。

表5 各個消納場松弛變量和對偶變量

表5 中的松弛變量表示的是這4 個備選消納場存儲能力在最優(yōu)解的條件下是否還有余量，其中M3 消納場松弛變量為9.48，對偶變量為5.799535，證明M3 消納場得到了充分的利用，剩余存儲容量僅為9.48 萬t，且其存儲能力變化會對番禺區(qū)整個建筑廢棄物回收系統(tǒng)造成很大影響。如果適當(dāng)減少其容量，會使處理廢棄物所產(chǎn)生相關(guān)的費用進一步減少。M1、M2、M4等備選消納場的松弛變量和其存儲能力相等，而且對偶變量等于0，表示其有大量儲存量剩余，沒有得到充分利用，從長遠的規(guī)劃分析，沒有在這些區(qū)域建設(shè)廢棄物消納場的必要。

4 探討

在環(huán)境因素上，本文考慮到了地表水、水源保護區(qū)、森林公園、自然保護區(qū)、國家重點文物保護單位、自然與文化遺產(chǎn)保護區(qū)、熱帶雨林、重要濕地、珍惜動物棲息地、基本農(nóng)田保護區(qū)、海拔、坡度，由表2 可知，其中占比最高的因素為與水源保護區(qū)的距離，權(quán)重達到了0.1980，之后是與基本農(nóng)田保護區(qū)的距離，權(quán)重達到了0.1799。建設(shè)廢棄物消納場首先應(yīng)考慮到附近的水源保護區(qū)，而且在建設(shè)時不能侵占農(nóng)田保護區(qū)。

在社會因素上，本文考慮到了人文景點（占比0.0001）、自然景點（占比0.0005）、歷史文物（占比0.0003）、城市居民（占比0.1202）、農(nóng)村居民（占比0.0207）。但是，在社會因素方面還應(yīng)該考慮到鄰避效應(yīng)，因為產(chǎn)生鄰避效應(yīng)之后會對消納廠的建設(shè)造成極大的影響，甚至誘發(fā)集眾沖突等惡性事件。

在經(jīng)濟因素上，本文考慮到了與主要公路的距離（占比0.1110）、土地價格（占比0.0328）。廣州番禺區(qū)范圍內(nèi)河流眾多，珠江是其范圍內(nèi)第一大河流，所以在廢棄物運輸方式上同時可以考慮水運。一些建筑廢棄物消納場可以生產(chǎn)各種環(huán)保磚等再生建筑資源，這些收入也可以并入消納場效益。政府部門政策的開放度以及對于生產(chǎn)此類再生資源的補貼也應(yīng)該考慮進經(jīng)濟因素中，比如各地政府建設(shè)廳對于此類項目用地審批手續(xù)應(yīng)有政策傾斜，簡化審批手續(xù)，提供補貼等。

5 結(jié)語

本文以廣州市番禺區(qū)為例，對影響建筑廢棄物消納場選址的因素進行了識別，并采用AHPEntropy計算了各因素的權(quán)重，借助GIS技術(shù)和整數(shù)規(guī)劃，建立了建筑廢棄物消納場選址優(yōu)化模型。研究結(jié)果表明：為確保廢棄物消納場不會設(shè)在諸如水源保護區(qū)、農(nóng)田保護區(qū)、重要濕地等這些敏感地帶，廣州番禺區(qū)建設(shè)廢棄物消納場最適宜區(qū)域的面積為2048萬m2，占番禺區(qū)總面積的3.8642%。使用整數(shù)規(guī)劃模型在現(xiàn)有的建筑廢棄物物流網(wǎng)絡(luò)條件下，綜合考慮建設(shè)成本、回收成本、存儲成本、運輸成本、銷售成本等，確定了建筑廢棄物消納場的理想數(shù)量是建立1座建筑廢棄物消納場，建議容量為100.52萬t。因為建筑廢棄物消納場屬于鄰避型設(shè)施，本文考慮到了當(dāng)?shù)鼐用駥ㄔO(shè)廢棄物消納場的影響，減少了本地居民對于建設(shè)的抵制，以保障項目能夠順利進行，并盡可能減少建設(shè)和運營成本。