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，生活垃圾處理場將越來越遠(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、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，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，同時也會對社會、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，有針對性的選擇生活垃圾收運(yùn)模式，是我國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、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、等諸多因素交互影響。

另外，由于我國推進(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，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)展的評價指標(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“垃圾人均產(chǎn)量”和“垃圾收集密度”體現(xiàn)。而后面幾個因素具有共性，可以通過“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)展的評價指標(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)被觀測對象（研究對象）的個體特征、內(nèi)在特點(diǎn)和規(guī)律，根據(jù)相似性或親疏關(guān)系原則對其進(jìn)行分類的一種多元統(tǒng)計方法。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小的分類，關(guān)系疏遠(yuǎn)的聚合到一個大的分類，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，對樣本的各種特征進(jìn)行分類的，為Q型聚類；根據(jù)對象某一方面特點(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。

具體來說，本論文將根據(jù)變量組合（即指標(biāo)體系），對不同樣本（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，將需要進(jìn)行聚類分析的區(qū)域，定義為樣本（即個案），設(shè)有j個樣本；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個指標(biāo)變量。指標(biāo)和樣本的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，匯總見表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)，說明了該區(qū)域的人口疏密、人口分布等情況。計算公式為：

（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的平均距離。為了便于測量和計算，在本論文的聚類分析中，考慮的是區(qū)域內(nèi)各收集點(diǎn)與生活垃圾處理場的最小距離。

（4）人均GDP：即人均地區(qū)生產(chǎn)總值，是指一個核算期內(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，且各自計量單位和數(shù)量級不同，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題，消除其量綱的影響［13］。

目前，主要有四大類指標(biāo)無量綱化處理方法：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，利用該方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行無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。計算公式為：而將無量綱化后的兩個變量同等看待［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。對于Q型聚類分析，研究時會涉及到兩種類型親疏程度的計算：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。這些親疏程度的測量，主要通過樣本之間的距離，或者樣本間的相似系數(shù)來進(jìn)行度量的。

對于連續(xù)變量的樣本距離的測量，樣本若有P個變量，則可以將樣本看成是一個P維的空間的一個點(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，距離相近的樣本屬于一個類，距離遠(yuǎn)的樣本屬于不同類。測量距離主要有：歐氏距離、歐氏距離平方、絕對值距離、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大糞中。在聚類運(yùn)算過程中，計算樣本與小類、小類與小類之間的親疏程度，有多種計算方法，例如：類間平均鏈鎖法、最短距離法、最長距離法、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)計軟件，被廣泛應(yīng)用于多個社會科學(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，對城市不同區(qū)域進(jìn)行分類，從而對不同區(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］，這也是對聚類結(jié)果進(jìn)行分析的參照分類標(biāo)準(zhǔn)，具體見表3。

表3 城市分區(qū)及其特點(diǎn)

根據(jù)聚類的結(jié)果，對城市的不同區(qū)域選擇合適的收運(yùn)模式，具體見表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：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)果見圖1。

圖1 聚類分析樹形圖示意圖

按樹形圖，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饕蔷幼　⒔逃⑽幕瘏^(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；總的來說，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)選擇一級或者二級轉(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)采用者二級轉(zhuǎn)運(yùn)收運(yùn)模式，總的來說該區(qū)可以選擇采用一級與二級轉(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；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幚韴觥?/p>

（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。

（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。對于近郊區(qū)的中心區(qū)域部分，由于距離垃圾處理場有一定距離，可以采取一級轉(zhuǎn)運(yùn)收運(yùn)模式；而對于近郊區(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。基于重慶市主城區(qū)生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，借助SPSS統(tǒng)計分析軟件，對重慶市主城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。

［1］ 李定龍，王 晉.城市生活垃圾處理模式選擇的影響因素［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2004，12（4）：223－226.

［2］ 司朝霞，陳小素.河南省區(qū)域發(fā)展水平測度研究［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報，2008，9（3）：312－317.

［3］ Lundin，U.Indicators for Measuring the Sustainability of Urban Water Systems－a Life Cycle Approach［D］.PhD Thesis，Department of Environmental Systems Analysis，Chalmers U－niversity of Technology，Gyteborg，Sweden，2003.

［4］ Rajesh Kumar Smgh，H.R.Murty，S.K.Gupta and A.K.Dikshi.An overview of sustainability assessment methodologies［J］.Ecological Indicators.2009，（2）：189－212.

［5］ 陶 淵，黃興華，邱 江.生活垃圾收運(yùn)模式研究［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2003，4（11）：211－213.

［6］ 李 東，何永全.城市生活垃圾清運(yùn)車輛的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程.2000.8（4）：155－156.

［7］ 王桂琴，羅一鳴，等.基于層次分析法的城市生活垃圾收運(yùn)模式優(yōu)選［J］.中國環(huán)境科學(xué).2008，28（9）：838－842.

［8］ 張紅兵，賈來喜，李 潞，等.SPSS寶典［M］，北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［9］ 余建英，何旭宏.數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與SPSS應(yīng)用［M］，北京：人民郵電出版社，2003.

［10］ 金 君，印 潔，等.人口密度推求的技術(shù)方法研究［J］.測繪通報，2002，（5）：58－60.

［11］ Sridhar K S.Density gradients and their determinants：Evidence from India.Regional Science and Urban Economics，2007，37（3）：314－344.

［12］ Bertaud A，Malpezzi S.The spatial distribution of population in 48world cities：Implications for economies in transition.Research Working Paper［M］.University of Wisconsin，Center for Urban Land Economics，2003.

［13］ 韓勝娟.SPSS聚類分析中數(shù)據(jù)無量綱化方法比較［J］.科技廣場，2008，（3）：229－231.

［14］ 張衛(wèi)華，趙銘軍.指標(biāo)無量綱化方法對綜合評價結(jié)果可靠性的影響及其實(shí)證分析［J］.統(tǒng)計與信息論壇，2005（3）：33－36.

［15］ Yu C H，SPSS and Statistic Analasis［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2007.

［16］ 侯景新，尹衛(wèi)紅.區(qū)域經(jīng)濟(jì)分析方法［M］，北京：商務(wù)印書館，2004.

［17］ 蔡建瓊，朱于惠芳，朱志洪，等.SPSS統(tǒng)計分析實(shí)例精選［M］，北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［18］ 余建英，何旭宏.數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與SPSS應(yīng)用［M］，北京：人民郵電出版社，2003.

［19］ 沈佳璐.上海城市生活垃圾處置對策研究及其評價［D］.東華大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

［20］ Rajesh Kumar Singh，H.R.Murty.S.K.Gupta and A.K.Dikshi.An overview of sustainability assessment methodologies［J］.Ecological Indicators，2009，（2）：189－212.

［21］ 馬 丹，莊培章.區(qū)域城市化水平初探［J］.閩西職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，9（3）：11－14.