劉佳敏,梁致遠(yuǎn),李月詩,肖 彬,焦繼宗*
(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)
由于經(jīng)濟(jì)、人口的增長與快速城市化,導(dǎo)致了環(huán)境污染和垃圾生產(chǎn)的急劇上升.填埋是當(dāng)前我國最常用的垃圾處置方式[1],而選址工作是防止產(chǎn)生垃圾滲濾液和其他污染物以及由此引起的健康和環(huán)境問題中至關(guān)重要的一步.蘭州市作為“兩山夾一河”的河谷型城市,地處黃土高原西端的半干旱區(qū),用地矛盾突出,人地關(guān)系緊張[2],合理的填埋場選址有助于蘭州市的可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境保護(hù).
垃圾填埋場選址方法多樣,層次分析法(Analytical Hierarchy Process, AHP)以其對復(fù)雜決策問題系統(tǒng)的處理優(yōu)勢,得到了廣泛的應(yīng)用[3].Sumathi等[4]2008年發(fā)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)也是一種非常實(shí)用的垃圾填埋場選址工具,能夠?qū)崿F(xiàn)對地理數(shù)據(jù)的空間分析,在選址的量化程度、結(jié)果精度和可視化強(qiáng)度方面都有一定優(yōu)勢.研究表明在過去的10年間AHP與GIS的集成框架是填埋場選址中最常用的[5].但AHP采用兩兩對比形成判斷矩陣,計算權(quán)重時主觀性較強(qiáng)[6].模糊邏輯采用模糊隸屬函數(shù)可進(jìn)一步降低AHP的主觀性,提升選址的可靠性[7].胡玲燕等[8]基于模糊邏輯與AHP對城市生活垃圾處理模式進(jìn)行了分析.此外,國內(nèi)現(xiàn)有研究中,評價因子的采集較為局限,綜合自然地理、氣象環(huán)境、水文地質(zhì)和社會經(jīng)濟(jì)等多源數(shù)據(jù)的研究鮮見報道.基于密度的聚類算法包括DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise),HDBSCAN(Hierarchical Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)和OPTICS(Ordering Points to Identify the Clustering Structure),OPTICS算法時間復(fù)雜度是DBSCAN算法的1.6倍,但它克服了臨近域半徑內(nèi)低密度簇包裹高密度簇的缺點(diǎn),也不像HDBSCAN算法完全以數(shù)據(jù)為驅(qū)動,分析按照一定規(guī)律分布的地物時,優(yōu)勢明顯[9].
文中著眼于蘭州市獨(dú)特的本底條件,建立多層次評價指標(biāo)體系,構(gòu)建基于GIS的FAHP適宜性選址模型,得到垃圾填埋場選址結(jié)果,并采用聚類算法分析其特征.
蘭州市位于甘肅省中部,為甘肅省省會,總面積13 085.6 km2,主要地貌類型為石質(zhì)山地和黃土丘陵,平均海拔1 520 m[9].蘭州屬溫帶大陸性氣候,四季分明,晝夜溫差大,年平均氣溫10.3 ℃,年平均降水量327 mm[11].蘭州市境內(nèi)主要為黃河水系,地表水資源總量323.25×108m3[12],地下淡水資源比較缺乏.2018年度,蘭州市工業(yè)固廢產(chǎn)生量40.2×105t,城市生活垃圾96.27×104t(《蘭州統(tǒng)計年鑒2019》).
文中使用的空間數(shù)據(jù)主要分為3類:① 網(wǎng)站數(shù)據(jù).植被指數(shù)、平均氣溫、年降水量、人口與GDP密度數(shù)據(jù)均來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/).居民區(qū)、機(jī)場、軍事區(qū)等邊界數(shù)據(jù)來自于OpenStreetMap等開源空間數(shù)據(jù)網(wǎng)站.自然保護(hù)區(qū)范圍來源于甘肅省林草局(http://lycy.gansu.gov.cn/).② 矢量化編輯數(shù)據(jù).地下水埋藏介質(zhì)為《甘肅省水文地質(zhì)圖》矢量化而來.③ 統(tǒng)計年鑒.地下水水質(zhì)與埋深、其他社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于統(tǒng)計年鑒.
2.2.1 層次分析法(AHP) AHP模型主要由以下幾個步驟構(gòu)建:
1)建立多層次評價指標(biāo)體系.
2)構(gòu)造判斷矩陣.判斷矩陣兩兩對比確定其相互關(guān)系,如表1.其中,bij表示因子Bi對Bj的相對重要性的判斷值.bij可取1,3,5,7,9等5個等級標(biāo)度,2,4,6,8作為相鄰判斷的中值.
表1 判斷矩陣
基于判斷矩陣,可以求得每個因子的相對權(quán)重,而計算相對權(quán)重本質(zhì)上計算滿足(1)式的特征根λ和特征向量W[3]36:
BW=λmaxW.
(1)
3)檢驗(yàn)一致性.計算一致性指標(biāo)IC[3]37:
(2)
當(dāng)λmax=n時,表示該矩陣具有完全一致性.
計算一致性比例RC[3]37:
(3)
其中,IR為平均隨機(jī)一致性指標(biāo).當(dāng)RC<0.1時,表示該矩陣通過一致性檢驗(yàn);當(dāng)RC≥0.1時,表示該矩陣需要調(diào)整.
2.2.2 模糊邏輯 三角隸屬度函數(shù)是FAHP最常用的隸屬函數(shù),本研究用其來確定隸屬度.三角隸屬度函數(shù)的公式為[13]485
其中,μ(x)為隸屬度函數(shù),其越接近1,表示x屬于μ的程度越高;μ1,μ2,μ3分別表示不適宜、較不適宜和適宜.
2.2.3 GIS空間分析 GIS中主要有2種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù).① 在ArcGIS中將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一投影坐標(biāo)系,分辨率重采樣為30 m.② 對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖區(qū)處理,并將其轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù).③ 根據(jù)模糊隸屬度歸一化評價因子圖層,將其進(jìn)行加權(quán)疊加與鄰域平滑得到填埋場選址結(jié)果.
垃圾填埋場選址涉及的影響因素較多,根據(jù)填埋場選址國家標(biāo)準(zhǔn)與區(qū)域特點(diǎn)確定了22個二級因子,可分為自然地理、氣象環(huán)境、水文地質(zhì)和社會經(jīng)濟(jì)4類.表2為評價因子的屬性及對應(yīng)適宜性區(qū)間,參照的國家標(biāo)準(zhǔn)有《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn) GB 16889—2008》《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術(shù)規(guī)范 GB 50869—2013》《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn) 建標(biāo)124—2009》等.
3.1.1 自然地理因子 研究區(qū)地處隴西黃土高原西緣,境內(nèi)大部分為黃土覆蓋的丘陵和山地,地形破碎、水土流失嚴(yán)重,生產(chǎn)生活主要集中在以蘭州盆地為代表的河流切穿谷地內(nèi).自然地理特征決定垃圾填埋場的建設(shè)施工條件[14],結(jié)合蘭州市特征,文中選取高程、坡度、地貌類型、植被指數(shù)、土壤類型來表征自然地理因子.高程和坡度影響填埋場庫容、洪澇風(fēng)險等因素[15],地貌類型制約填埋場的使用年限、處理效能,植被和土壤對地理要素的空間分異特征指示性較好,能夠影響防滲成本和污染風(fēng)險[16].
表2 評價因子的屬性及對應(yīng)適宜性區(qū)間
3.1.2 氣象環(huán)境因子 研究區(qū)地處西北半干旱區(qū),降水量少而蒸發(fā)量大.氣候環(huán)境因子是影響填埋衍生物的主要因素,其中降水和地表徑流是滲濾液的主要來源之一[17],而溫度影響填埋氣體的產(chǎn)生,風(fēng)向決定可能泄露的填埋氣體擴(kuò)散方向,自然保護(hù)區(qū)周圍需嚴(yán)格控制建設(shè)開發(fā).
3.1.3 水文地質(zhì)因子 研究區(qū)地下淡水資源比較缺乏,地下水量及水質(zhì)有明顯的地帶差異,且由于黃土滲透系數(shù)大,透水性強(qiáng),地下水易受到污染[18].以地下水埋深與水質(zhì)、含水層富水性為代表的地下水蘊(yùn)存情況,是填埋場建設(shè)可承受度的重要指征;而以斷層、歷史地震點(diǎn)為代表的地質(zhì)活動條件,直接影響著規(guī)劃建設(shè)的穩(wěn)定性[19].
3.1.4 社會經(jīng)濟(jì)因子 研究區(qū)建設(shè)用地緊張,經(jīng)濟(jì)發(fā)展集聚在盆地內(nèi),空間分異明顯.土地利用類型反映地表利用情況與填埋場建設(shè)的協(xié)調(diào)性;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值、人口密度、GDP從3個角度描繪了經(jīng)濟(jì)發(fā)展分異,對填埋場建設(shè)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義;與居民點(diǎn)距離主要是基于“鄰避效應(yīng)”的考慮[20],減小對居民生活環(huán)境的影響;與城鎮(zhèn)邊界的距離和與道路的距離極大影響垃圾處理需求以及運(yùn)輸成本[21].
按照AHP模型的步驟,分別建立一級評價因子、二級評價因子的判斷矩陣,最終得到相對權(quán)重和綜合權(quán)重,并對其進(jìn)行一致性檢驗(yàn).
首先確定一級評價因子的相互關(guān)系,建立判斷矩陣,得出權(quán)重值,最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn),從表3可知,該結(jié)果通過了一致性檢驗(yàn).
如表4,同樣的方法對二級評價因子建立判斷矩陣,一致性檢驗(yàn)通過后得到相對權(quán)重和綜合權(quán)重.
表3 一級評價因子權(quán)重計算
表4 二級評價因子權(quán)重計算
垃圾填埋場建設(shè)時需考慮控制性區(qū)域的影響,每一個控制范圍都是剛性的不可建設(shè)區(qū)域.因此,在得到適宜性分布結(jié)果后,需疊加控制性區(qū)域,才能確定最終的垃圾填埋場適宜性候選場址.
根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)及國家標(biāo)準(zhǔn),涉及到控制性區(qū)域整理如表5,需要在ArcGIS中將其剔除.
確定隸屬度函數(shù)后,將所有二級因子的歸一化得分值,按照適宜區(qū)間的隸屬度分層,在ArcGIS平臺上輸出3×22個柵格數(shù)據(jù).利用柵格計算器工具, 將相對權(quán)重Wp作為權(quán)重值, 分別對3個適宜性區(qū)間的二級評價因子加權(quán)求和,得到一級評價因子的隸屬度.同理,將相對權(quán)重WP作為權(quán)重,求出一級評價因子的加權(quán)和,得到每個柵格上各適宜性區(qū)間的隸屬度值,即全局的模糊評價集.按照最大隸屬度原則,比較每個柵格上各適宜性區(qū)間的隸屬度值,得到30 m的垃圾填埋場適宜性結(jié)果.在ArcGIS中使用鄰域分析工具,對疊加控制性區(qū)域后的適宜度柵格進(jìn)行平滑處理,再將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù),將全市劃分為可建設(shè)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)和不可建設(shè)區(qū)(圖1).
表5 控制性需求及其范圍
圖1 蘭州市垃圾填埋場選址
從圖1中可以看出,不同可建設(shè)性的區(qū)劃具有不同的特征.總體來看,蘭州市垃圾填埋場不可建設(shè)區(qū)占全市65.52%,面積約為0.85萬 km2,分布在連城、興隆山等國家級自然保護(hù)區(qū)和研究區(qū)中心城區(qū)周邊,體現(xiàn)了自然保護(hù)區(qū)與建成區(qū)的重要性.限制建設(shè)區(qū)面積約為0.26萬 km2,占全市20.18%,其“島嶼”和“廊道”特征明顯,集中分布在永登縣.主要原因有兩點(diǎn):① 自然條件尚可,但離主要城鎮(zhèn)較遠(yuǎn),處理需求不大;② 雖地價低廉,人口適中,但地形限制大,建場成本較高.可建設(shè)區(qū)占全市的14.30%,面積約為0.19萬 km2,分布特征為地形較為平坦,植被分布較少,距離城區(qū)遠(yuǎn),對居民和水系等影響小.
對可建設(shè)區(qū)按照面積排序(表6),共有13處可選區(qū)域,可知皋蘭縣、永登縣占比最多.大部分位于蘭州新區(qū)東、北兩側(cè),西、南兩側(cè)零星分布;其次是榆中北山,位于金崖鎮(zhèn)以北,沿309國道呈扇形分布.蘭州新區(qū)作為蘭州市新發(fā)展地,城鎮(zhèn)化潛力大,垃圾產(chǎn)生需求成年遞增;榆中縣開展生態(tài)創(chuàng)新城建設(shè),對北山進(jìn)行開發(fā)也很有必要,垃圾填埋場建設(shè)勢在必行.其余各可建設(shè)區(qū)除坪城外,均位于蘭州市城鎮(zhèn)發(fā)展帶上,建場需求大,且符合城市空間管制規(guī)定,建設(shè)阻力?。?/p>
表6 垃圾填埋場可建設(shè)區(qū)面積
文中將OPTICS方法中最小實(shí)體數(shù)設(shè)為500,鄰域半徑設(shè)為3 000 m,聚類敏感度設(shè)為35,進(jìn)行聚類分析并輸出可達(dá)圖(圖2),將距離進(jìn)行排序,顯示點(diǎn)的聚類結(jié)構(gòu).可達(dá)圖中縱坐標(biāo)越低,說明可達(dá)距離越低,即聚類越密集.圖 2中深綠色區(qū)域縱坐標(biāo)最低,對應(yīng)圖 3中為青白石與東川鄉(xiāng)的集聚區(qū),說明2個區(qū)域內(nèi)聚類密集性較高,適宜性較好.同時,可達(dá)圖指示出的粉色區(qū)域、紅色區(qū)域聚類密集性都不低,即說明西柳溝、堿水溝、西津坪、陸家溝適宜性較好.聚類類別按照顏色可分為9類,其中-1類為噪聲點(diǎn).整體來看,類別分布較為適中,不會出現(xiàn)大片為同一類和集聚區(qū)太小太散,無法與實(shí)際情況相對應(yīng)的問題.主要因?yàn)槠渚垲悈?shù)可調(diào)范圍較大,可在已有聚類的基礎(chǔ)上不斷調(diào)整優(yōu)化,得到與實(shí)際情況最為接近的聚類結(jié)果.如圖 4,類別呈現(xiàn)出近似正態(tài)分布的趨勢,印證了其合理性.
圖2 蘭州市垃圾填埋場可達(dá)性
圖3 蘭州市垃圾填埋場聚類類別
圖4 蘭州市垃圾填埋場聚類結(jié)
通過現(xiàn)場調(diào)查收集研究區(qū)所有垃圾填埋場對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明,城關(guān)、七里河、安寧和西固四區(qū)原有垃圾填埋場7處,大部分因不合規(guī)封場、整改,均位于不可建設(shè)區(qū).紅古區(qū)現(xiàn)有垃圾填埋場2處,其中窯街填埋場位于可建設(shè)區(qū)內(nèi),海石灣填埋場位于不可建設(shè)區(qū)內(nèi).永登縣規(guī)劃大同鎮(zhèn)填埋場位于可建設(shè)區(qū)內(nèi).皋蘭縣已投入使用的蘭州新區(qū)生活垃圾填埋場,因管理規(guī)范、條件特殊被設(shè)為“黃土區(qū)生活垃圾填埋場衍生污染場內(nèi)控制技術(shù)研究基地”,位于可建設(shè)區(qū)內(nèi).德龍建筑垃圾場,雖不屬于生活垃圾填埋場,但也位于可建設(shè)區(qū)內(nèi).以上垃圾填埋場現(xiàn)狀說明,本研究結(jié)果具有合理性和可靠性.
1)結(jié)合蘭州市地貌、氣候、區(qū)位等特征,建立了涵蓋22項(xiàng)指標(biāo)的垃圾填埋場建設(shè)評價體系,是對垃圾填埋場影響因素研究的補(bǔ)充,有一定參考價值.
2)基于模糊邏輯集成GIS和AHP,建立垃圾填埋場適宜性選址模型,將大多數(shù)指標(biāo)定量化為連續(xù)數(shù)值,并充分利用模糊邏輯的優(yōu)點(diǎn),降低了選址結(jié)果的主觀性,提升了可靠性.
3)疊加控制性區(qū)域?qū)⒀芯繀^(qū)分為可建設(shè)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)和不可建設(shè)區(qū),并基于聚類算法分析各個區(qū)域的特征,經(jīng)驗(yàn)證符合蘭州市城市發(fā)展需求,也與垃圾處置現(xiàn)狀基本一致,說明了結(jié)果的合理性.