基于AHP的福州市垃圾中轉(zhuǎn)站空間布局分析與評價

陳熠民，江輝仙，駱泳婷，葉福偉，賴春雨

（福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007）

近年來，福州市大力實施“東進南下、福州向?！钡陌l(fā)展戰(zhàn)略，社會經(jīng)濟快速發(fā)展，但城市垃圾中轉(zhuǎn)站的布局存在一定滯后，原有的垃圾中轉(zhuǎn)站布局不能很好地適應(yīng)不斷擴大的城市建成區(qū)面積和日益增長的人口數(shù)量。許多新建的商圈、小區(qū)缺乏垃圾轉(zhuǎn)運配套設(shè)施，城市垃圾產(chǎn)生量的迅速增加與垃圾轉(zhuǎn)運設(shè)施布局不合理之間的矛盾越來越突出[1]，受到社會各界的廣泛關(guān)注，若能優(yōu)化當(dāng)前的垃圾中轉(zhuǎn)站布局，將有助于消弭這一矛盾。

垃圾轉(zhuǎn)運是生活垃圾管理的重要環(huán)節(jié)，直接影響著垃圾管理系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率。在垃圾轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)中，中轉(zhuǎn)站具有舉足輕重的地位，不當(dāng)?shù)闹修D(zhuǎn)站選址不僅會大大增加生活垃圾運輸費用，而且會影響城市建設(shè)格局，破壞城市景觀。國外對城市生活垃圾轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的研究起步較早，通過運用數(shù)學(xué)模型加運籌學(xué)物理理論等對其進行優(yōu)化管理，取得了許多研究成果。Bratly等于1983年創(chuàng)建了模擬模型，用計算機模擬轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，得到了最優(yōu)的轉(zhuǎn)運方案[2]。1985 年，Yurteri 和Siber 就垃圾轉(zhuǎn)運站選址問題建立了具體的線性方程模型[3]。1988年，Kirca 建立了更加精確的數(shù)學(xué)模型，提出轉(zhuǎn)運站位置的確定方案，而且解決了轉(zhuǎn)運站的數(shù)量問題[4]。20世紀(jì)90年代，Chang和Wang突破傳統(tǒng)模型中只考慮經(jīng)濟收益的問題，在固體廢物管理的選址分配模型中綜合考慮了環(huán)境因素，建立的“混合整數(shù)線性規(guī)劃模型”最具代表性和影響力，并且在現(xiàn)實中得到應(yīng)用[5]。進入21世紀(jì)，國外學(xué)者的關(guān)注點更多側(cè)重于如何以最低能源消耗實現(xiàn)垃圾收集運輸。國內(nèi)起步相對較晚，但充分利用了現(xiàn)有資源，并結(jié)合GIS和建模仿真等新興的科學(xué)方法，研究進展可觀。目前，GIS技術(shù)在實現(xiàn)垃圾收運路線確定及垃圾中轉(zhuǎn)站的選址優(yōu)化中發(fā)揮的作用愈發(fā)顯著。陳朱蕾采用線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型來描述轉(zhuǎn)運站垃圾調(diào)運及選址問題[6]。呂新福等從系統(tǒng)研究的角度出發(fā)，同時研究固體廢棄物回收中轉(zhuǎn)站的選址和廢棄物運輸路線的安排，建立了垃圾轉(zhuǎn)運站選址路徑規(guī)劃問題的PLRP-IF 模型，對垃圾轉(zhuǎn)運站的選址和路徑問題進行優(yōu)化[7]。賈傳興等首先應(yīng)用集合覆蓋模型確定垃圾中轉(zhuǎn)站的待選點，再用整數(shù)規(guī)劃模型從待選點中選出垃圾中轉(zhuǎn)站的最優(yōu)組合[8]。馬艷等采用目標(biāo)滿意度算法，針對具體候選垃圾壓縮站選址問題進行定性和定量相結(jié)合的決策分析[9]。張向和和彭緒亞利用Hotelling 線性城市模型和Bertrand博弈分析了垃圾處理場的選址與定價決策[10]。陳璇璇等、王金華等從自然環(huán)境和社會影響等方面綜合分析了影響垃圾填埋場選址的因素[11-12]。王利娟等結(jié)合垃圾收運模式和地下物流特征建立混合整數(shù)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型用于垃圾中轉(zhuǎn)站選址[13]。楊帆等建立基于Minisum（經(jīng)濟成本最小化）和Maximin（生態(tài)質(zhì)量最大化）二重標(biāo)準(zhǔn)分析的垃圾中轉(zhuǎn)站選址評價體系并提出優(yōu)化建議[14]。衡婷利用模糊德爾菲法對城市生活垃圾分類轉(zhuǎn)運站選址指標(biāo)體系進行了選擇[15]。

鑒于垃圾中轉(zhuǎn)站選址牽涉到自然環(huán)境、社會經(jīng)濟、臨近設(shè)施影響和城市規(guī)劃布局等多方面因素，本研究在利用GIS空間分析技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合AHP確定多個影響因子的權(quán)重構(gòu)建評價體系，對福州市城區(qū)垃圾轉(zhuǎn)運站的空間布局進行評價與優(yōu)化。

1 研究數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

福州市位于北緯25°15′—26°39′，東經(jīng)118°08′—120°31′，地處中國東南沿海、閩江下游，西靠三明市、南平市，南鄰莆田市，北與寧德市接壤，東與臺灣省隔海相望，是福建省政治、經(jīng)濟和文化中心。研究區(qū)面積為196.8 km2，常住人口為242萬人。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

根據(jù)調(diào)研成果確定垃圾中轉(zhuǎn)站選址的影響因子，獲取人口、道路、坡度、城市綠地、水域和城市總體規(guī)劃等相關(guān)數(shù)據(jù)。利用Python爬蟲腳本獲取高德地圖上有關(guān)福州市城區(qū)的POI數(shù)據(jù)，將垃圾中轉(zhuǎn)站POI數(shù)據(jù)與福州市政務(wù)數(shù)據(jù)開放平臺獲取的現(xiàn)有垃圾中轉(zhuǎn)站一覽表進行整合。對各個渠道獲取的數(shù)據(jù)進行整理，通過數(shù)據(jù)清洗、坐標(biāo)統(tǒng)一、投影轉(zhuǎn)換和數(shù)字化等操作，將其轉(zhuǎn)換為ArcGIS軟件可以讀取的數(shù)據(jù)格式，從而建立空間參考統(tǒng)一的地理數(shù)據(jù)庫，作為后續(xù)區(qū)域避讓分析和適宜性分析的數(shù)據(jù)源。使用到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 本研究使用的相關(guān)數(shù)據(jù)Table 1 Related data used in the present study

1.3 研究方法

1.3.1 層次分析法

層次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）是一種定性和定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法，適用于處理復(fù)雜的決策問題。層次分析法在選址評估中具有一定的優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多類公共基礎(chǔ)設(shè)施選址中，但基于層次分析法進行垃圾中轉(zhuǎn)站優(yōu)化選址的研究比較少，且將層次分析法與GIS（Geographic Information System）空間分析技術(shù)相結(jié)合進行垃圾中轉(zhuǎn)站選址評估與優(yōu)化的研究更為缺乏。因此，本研究利用AHP模型構(gòu)建福州市主城區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站空間布局的評價指標(biāo)體系。

垃圾中轉(zhuǎn)站應(yīng)當(dāng)符合城鄉(xiāng)總體規(guī)劃和環(huán)境衛(wèi)生專項規(guī)劃的要求，綜合考慮服務(wù)區(qū)域、服務(wù)人口、轉(zhuǎn)運能力、轉(zhuǎn)運模式、運輸距離、污染控制和配套條件等因素的影響，應(yīng)設(shè)在交通便利、容易安排清運線路的地方，應(yīng)滿足供水、供電、污水排放和通信等方面的要求。另外，垃圾中轉(zhuǎn)站不宜設(shè)在大型商場、影劇院出入口等繁華地段和鄰近學(xué)校、商場、餐飲店等群眾日常生活聚集場所及其他人流密集區(qū)域。通過文獻分析法，初步確立影響城區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站空間布局的主要因子。依據(jù)《生活垃圾轉(zhuǎn)運站技術(shù)規(guī)范》[16]，結(jié)合線上線下各個渠道所收集到的有關(guān)福州市城區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站實際情況的資料，從自然、社會經(jīng)濟、臨近設(shè)施和交通與城市規(guī)劃四個層面確定影響垃圾中轉(zhuǎn)站空間布局的具體因子。其中，自然層面包括風(fēng)向和坡度2個因子，社會經(jīng)濟層面包括垃圾產(chǎn)量和人流量2個因子，臨近設(shè)施層面包括公園綠地、河川水系、機關(guān)單位、醫(yī)療機構(gòu)、學(xué)校、商業(yè)中心和公共衛(wèi)生間等7個因子，交通、城市規(guī)劃層面包括道路和用地規(guī)劃2個因子。模型構(gòu)建完成后，采用層次分析法對各具體因子的權(quán)重進行計算[17]。構(gòu)建的AHP模型如圖1所示。

圖1 構(gòu)建的AHP模型示意圖Figure 1 Schematic diagram of the AHP model

1.3.2 緩沖區(qū)分析、歐氏距離分析等GIS空間分析方法

匯總各個渠道獲取的數(shù)據(jù)，建立地理數(shù)據(jù)庫。將獲取的研究數(shù)據(jù)進行變換和處理，利用緩沖區(qū)分析確定適宜建設(shè)范圍，借助歐氏距離分析確定避讓區(qū)域，建立泰森多邊形確定垃圾量的密度，最后結(jié)合權(quán)重得到最終的適宜性結(jié)果，并作相關(guān)分析與討論。

2 福州市垃圾中轉(zhuǎn)站空間布局分析與評價

2.1 垃圾量密度分析

利用泰森多邊形工具處理人口調(diào)查樣本點數(shù)據(jù)，得到人口分布多邊形。根據(jù)所查詢資料，估算福州市城區(qū)每日每人平均產(chǎn)生1.16 kg垃圾，得到垃圾量密度分布柵格圖。本研究根據(jù)數(shù)據(jù)特點將得到的柵格圖進行重分類，重分類采用自然間斷點法，共分為10類（圖2）。

圖2 福州市垃圾量密度分10級的泰森多邊形圖Figure 2 Thiessen polygon map with 10 levels of waste volume density in the urban area of Fuzhou

2.2 權(quán)重計算

采用專家打分法，邀請多位專家進行打分，采用層次分析軟件的“群決策”功能計算專家問卷的結(jié)果，將各專家排序向量加權(quán)算術(shù)平均，得到“自然”“社會經(jīng)濟”“臨近設(shè)施”“交通、城市規(guī)劃”四個層面各因子的相對權(quán)重。各指標(biāo)的具體權(quán)重值如表2所示。

表2 各指標(biāo)權(quán)重分配表Table 2 The weight distribution list of each index

2.3 允許建設(shè)區(qū)域分析

對道路數(shù)據(jù)進行緩沖區(qū)分析，將分析結(jié)果與提取的住宅區(qū)和工業(yè)區(qū)數(shù)據(jù)作相交處理，得到允許建設(shè)區(qū)域范圍。目前，福州城區(qū)的垃圾中轉(zhuǎn)站面積大多為100～500 m2，基本不超過3 000 m2。將面積開方得到中轉(zhuǎn)站平均長寬小于50 m，故將所有道路緩沖區(qū)距離統(tǒng)一設(shè)為50 m。福州市城區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站允許建設(shè)區(qū)域如圖3所示。

圖3 福州市城區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站允許建設(shè)區(qū)域示意圖Figure 3 Map of permitted construction area of garbage transfer station in the urban area of Fuzhou

2.4 臨近設(shè)施避讓分析

考慮到垃圾中轉(zhuǎn)站應(yīng)與學(xué)校、商場、醫(yī)院、政府機關(guān)、河流、公園綠地等保持一定距離，故對“學(xué)?！薄吧虉觥薄搬t(yī)院”“政府機關(guān)”“公園綠地”“河川水系”等臨近設(shè)施避讓因子進行歐氏距離分析，繼而再進行重分級分析。參照朱超平等提出的分級方法[18]，將級數(shù)全部設(shè)為5級，重分級的間隔如表3所示。根據(jù)各個因子的相對權(quán)重值進行柵格代數(shù)運算，將臨近設(shè)施避讓因子?xùn)鸥穹治龅玫降闹胤旨壗Y(jié)果分別乘以相對權(quán)重值后相加，得到臨近設(shè)施避讓等級圖，如圖4所示。

表3 歐氏距離分析重分級間隔Table 3 Euclidean distance analysis reclassification interval m

2.5 確定最終適宜性結(jié)果

對垃圾量密度重分級結(jié)果與臨近設(shè)施避讓等級結(jié)果進行柵格代數(shù)運算，將二者分別乘以相對權(quán)重值后相加，得到垃圾中轉(zhuǎn)站適宜建設(shè)等級結(jié)果。將其與允許建設(shè)區(qū)域結(jié)合，得到福州市城區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站建設(shè)區(qū)域適宜性分析結(jié)果，如圖5所示。

圖5 福州市城區(qū)垃圾中轉(zhuǎn)站建設(shè)區(qū)域適宜性分析結(jié)果圖Figure 5 Suitability analysis results of garbage transfer station construction in the urban area of Fuzhou

3 應(yīng)用實驗討論

3.1 現(xiàn)有垃圾中轉(zhuǎn)站的評估

福州市城區(qū)現(xiàn)有45個垃圾中轉(zhuǎn)站，如圖6所示。將現(xiàn)有中轉(zhuǎn)站的空間數(shù)據(jù)與適宜性分析結(jié)果進行綜合處理后發(fā)現(xiàn)，陣坂轉(zhuǎn)運站、寧化轉(zhuǎn)運站、南湖轉(zhuǎn)運站、十二橋轉(zhuǎn)運站、紅星轉(zhuǎn)運站和港頭轉(zhuǎn)運站等垃圾中轉(zhuǎn)站處于適宜性等級較低的區(qū)域，屬于位置分布較不適宜的中轉(zhuǎn)站。

圖6 福州市城區(qū)現(xiàn)有垃圾中轉(zhuǎn)站分布圖Figure 6 The distribution map of current garbage transfer stations in the urban area of Fuzhou

3.2 垃圾中轉(zhuǎn)站的優(yōu)化

依據(jù)適宜性分析結(jié)果，建議將位置分布較不適宜的中轉(zhuǎn)站進行遷移，并新建若干垃圾中轉(zhuǎn)站。優(yōu)化后的垃圾中轉(zhuǎn)站分布如圖7所示。新選址所在地交通條件優(yōu)越，不僅能解決原站點垃圾轉(zhuǎn)運車輛進出困難的問題，還能有效改善原站點周邊的環(huán)境，提高居民的生活質(zhì)量。優(yōu)化方案綜合考慮了城市建設(shè)規(guī)劃、建設(shè)新站點可能產(chǎn)生的拆遷成本、新中轉(zhuǎn)站與原有中轉(zhuǎn)站的距離（確定各個中轉(zhuǎn)站的服務(wù)范圍）、道路等級是否方便垃圾車出入等因素，對垃圾處理效率的提高和城市環(huán)境的保護有一定意義。例如，晉安區(qū)六一路洋下新村路段的洋下轉(zhuǎn)運站建于上個世紀(jì)，周邊道路狹窄，垃圾清運車輛通行不便，已給小區(qū)居民帶來了噪音污染和空氣污染等問題，對居民的生活質(zhì)量造成了一定影響，建議將其遷建至距離約3 km的晉安區(qū)浦下路附近。

圖7 福州市城區(qū)優(yōu)化后的垃圾中轉(zhuǎn)站分布圖Figure 7 The optimized distribution map of garbage transfer station in the urban area of Fuzhou

4 結(jié)語

本研究針對垃圾轉(zhuǎn)運系統(tǒng)中的中轉(zhuǎn)站選址問題，考慮研究區(qū)域的實際情況，利用AHP建立模型，與GIS空間分析方法相結(jié)合進行垃圾中轉(zhuǎn)站選址的評估與優(yōu)化。結(jié)果表明，利用AHP能夠更為準(zhǔn)確地確定垃圾中轉(zhuǎn)站選址的影響因子，避免干擾，從而滿足分析需求；利用GIS的空間分析方法能夠?qū)修D(zhuǎn)站選址進行快速評估，并提出優(yōu)化方案。在福州市“東進南下”戰(zhàn)略進一步實施、“十四五”即將開局的當(dāng)下，如何解決好城市不斷擴張帶來的垃圾處理問題十分重要。本研究可為政府有關(guān)決策部門選址新建垃圾中轉(zhuǎn)站及對現(xiàn)有站點進行優(yōu)化提供有益的參考。