基于GIS和AHP的垃圾中轉站選址評估與優化研究

朱超平，潘方杰，姚秉偉

城市垃圾收集處理問題一直是城市環衛的重點，也是樹立城市良好形象的重要工程。其中，中轉站選址評估與優化是解決這一問題的重要手段之一，也是城市規劃與分析的重點內容。近年來，眾多學者對中轉站選址問題進行了大量相關研究。從節省收集成本的角度，對垃圾中轉站選址的限制因素、選址理論、選址模型及其算法等幾個方面進行了詳細的分析和探討[1]；基于不同的數學基礎和相關規劃選址理念，建立中轉站優化選址的模型，最終計算出最優選址方案[2-4]；在對現有中轉站分布及其具體情況進行了詳細的調查基礎上，指出了城市老城區的中轉站存在的問題，并對新城區垃圾中轉站的建設提出建議[5]；基于DEA(Data Envebpment Analysis)模型及其改進算法，對垃圾中轉站運行效率進行評價，并對影響轉運效率的外部因素進行研究[6-7]；借助于人工神經網絡的改進算法如智能算法、遺傳算法等構建優化模型，對中轉站選址問題進行研究[8-9]；將綠色建筑設計理念應用于垃圾中轉站選址、平面功能布局、豎向規劃、建筑選材及水電設計中[10]。綜上所述，垃圾中轉站選址及優化的研究方法主要包括集合覆蓋模型法、模糊綜合評判法、線性與非線性規劃法以及人工神經網絡法等。層次分析法（AHP，Analytical Hierarchy Process）在選址評估中具有一定的優勢，但基于層次分析法進行垃圾中轉站優化選址的研究比較少[11]，而將層次分析法與GIS(Geographic Information System)空間分析技術相結合進行垃圾中轉站選址評估與優化研究更是比較缺乏。因此，以安徽省安慶市城區垃圾中轉站分布為例，基于AHP，在影響因子選擇的基礎上確定權重，進而結合GIS空間分析技術，對安慶市現有的垃圾中轉站分布情況進行評估，以期為基于AHP的區位選址問題做出一些有益探索。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源與預處理

社會經濟的數據主要來源于《2010年安慶市統計年鑒》，人口數據來自安慶市區各街道辦事處所轄區域的人口數量，以及其他社會統計信息，通過調查問卷獲得“具體內容”。從安慶市規劃局可以收集到安慶市總體規劃的相關資料以及一些基礎數據，具體為安慶市2010年總體規劃、安慶市行政區劃圖（1：50 000）、河流水系圖、主要公路鐵路圖、城鎮用地圖、重點水源保護區和湖泊圖以及包括垃圾中轉站在內的與垃圾中轉相關性強的重點地物等。將收集到的各種相關圖件，通過坐標配準、投影轉換、自動與手工矢量化相結合等轉為ArcGIS支持的矢量（.shp）文件，并將矢量化的空間數據與社會經濟、人口等屬性數據進行連接，建立空間數據庫，用于安慶市垃圾中轉站選址評估與優化研究。

1.2 研究方法

1.2.1 層次分析法

美國運籌學家T.L.Saaty于20世紀70年代提出的AHP決策分析法是一種定性與定量相結合的決策分析方法[12]。AHP在環境保護、環境評價等方面有著廣泛應用，該方法將復雜問題分解為特定層次和特定因素，通過各因素之間的計算和比較，進而得出不同方案重要性程度的權重，最終為最佳的選址提供依據[13-15]。基本步驟：（1）影響因素的確定，只有全面分析其影響因素，才能得出趨于正確合理的結論；（2）遞階層次結構模型的建立，要把問題條理化、層次化，構造出一個有目標層、準則層和方案層的結構模型；（3）構造判斷矩陣，分別評定各層次中相對重要性狀況，并給出判斷矩陣數值；（4）層次單排序；（5）層次總排序；（6）一致性檢驗，評價層次計算結果的一致性。其中，層次分析法權重向量計算方法有幾何平均法、算術平均法、特征向量法和最小二乘法4種[16]，應根據研究需要確定具體的計算方法，本研究采用幾何平均法即方根法確定權重。

1.2.2 GIS空間分析方法

GIS是通過一系列相關的空間分析手段，對原始數據進行相應變換和處理，生成新的信息，以便為決策者決策提供支持。在影響選址因素確定的基礎上建立圖形數據庫，通過緩沖區分析剔除不適宜建設區域，進而借助于疊置分析和泰森多邊形分析選擇候選場址，通過網絡分析進行路徑優化。一般情況下，累加指數越高，越適宜建立垃圾中轉站。

2 影響因子的選定與權重計算

2.1 垃圾中轉站選址的限制因素

自然因素。雖然城市垃圾在中轉站中的滯留時間不算太長，但由于其自身的特殊性，對周邊環境的影響卻不容忽視。合理的中轉站選址重要前提條件是最大程度地確保整個區域的大氣、地表水、地下水及土壤環境等不受或少受污染。因此，垃圾中轉站的選址應該在保證具有良好的地理和地質條件基礎上，盡量布置在城市主導風向的下風向、遠離水源、地下水位較深的地方。

城市總體規劃和城市環境衛生行業規劃、輻射區的環境衛生、人口密度、垃圾產量與位置分布、交通運輸狀況、市政公共設施和相關政策法律法規等都是影響中轉站選址的重要社會經濟因素[17]。具體而言，在中轉站的選址中應滿足以下條件：首先，中轉站的選址不得與城市建設的總體規劃相違背，即不能因選址不當而影響城市建設用地布局，更不能阻礙城市的社會、經濟和文化發展。其次，垃圾中轉站作為垃圾產生地與垃圾處理場之間的運輸結合點，中轉站的選址應與處理場的距離適中。從經濟效益上考慮，盡量縮短中轉距離，一般希望垃圾源產生地距大中型中轉站的距離平均不超過5 km[18]，從而對降低垃圾處理費用起到十分顯著作用。再次，中轉站的選址應減少對居住環境的影響，應盡量避開人口密度大以及對社會環境產生明顯不良影響的地點。最后保證垃圾中轉站的建設實現生態效益、經濟效益和社會效益的有機統一，既不會給城市面貌帶來不良影響，又能真正發揮為城市服務的功能[19]。

2.2 影響因子的選定

有機垃圾會在很短的時間內發生好氧和厭氧反應，會產生有毒氣體和有機物含量很高的污水，而且垃圾中轉站會滋生蚊蟲和細菌，在一定程度上影響鄰近居民身心健康。總體來說中轉站區位的確定，應盡量選擇在地理和地質條件較好的地方，遠離水源、人口密度較小的點。同時，對于垃圾中轉站作為服務設施來講，其選址最終目標就是要實現服務功能最大化和經濟效益最優化。因此，結合安慶市具體情況和數據可獲得性，影響因子的選定主要考慮城市道路類型、土地利用類型、垃圾量密度和區域避讓4個方面。垃圾中轉站不宜分布在商業用地和綠地上，但可以分布在住宅用地或工業用地上。本文將“城市道路類型”及“土地利用類型”兩個因子作為垃圾中轉站分布的定量因子，不計算之間的權重；而將“垃圾量密度”“區域避讓”作為影響因子，并將“區域避讓”細分為“醫療機構、中小學校、政府機關、公園綠地、水系”。通過運用“多因素統計法”獲取其權重，建立層次結構。

2.3 影響因子權重的確定

運用“多因素統計法”獲取垃圾中轉站各影響因子的權重，具體方法如下：

(1)制作調查問卷表，包括先設計好一些問卷問題，對影響垃圾中轉站分布的一些因子作簡單說明；然后將“垃圾量密度”“區域避讓”做一個表格，將“醫療機構”“中小學校”“政府機關”“公園綠地”“水系”再做一個表格，以極端重要、很重要、重要、一般重要、一般五等級分別對應9，7，5，3，1，而2，4，6，8表示相鄰判斷的中值，采用專家打分法，請專家進行打分；最后，將結果數據匯總平均后得到“醫療機構”為6.38，“中小學校”為5.42，“政府機關”為 4.00，“公園綠地”為 3.38，“水系”為7.00。

(2)將兩層次得到的關于這些項的初步結果分別彼此相除得到彼此的相對重要值rij。

(3)將相除得到的相對重要值建立判斷矩陣R，進行統計計算，以計算出來的排序指數Wi的大小來確定相對權重系數的大小。

(4)采用方根法，求出各個影響因子的相對權重，并以此作為空間疊加分析的權重。

具體計算公式為Mi=ri1ri2…rin，

其中，Mi為判斷矩陣每i行元素的乘積，Pi為Mi的n次方根，Wi為影響因子的權重。

對上述判斷矩陣進行計算，得到“垃圾量密度”“區域避讓”因子的相對權重矩陣（表1）和“區域避讓”因子之間的相對權重矩陣（表2）。

表1 垃圾量密度和區域避讓因子的相對重要值（矩陣）

表2 區域避讓中各子因子的相對重要值（矩陣）

3 數據處理與分析

3.1 中轉站的可選區域

根據城市道路等級將道路分為骨干道路和二級道路。道路是以線的形式表現出來，而實際中道路具有一定的寬度，且垃圾中轉站的布點也應距道路邊界有一定距離，但為了方便運輸也不應距離道路過遠，所以給骨干道路和二級道路做一定距離的緩沖區，并將這兩個緩沖區進行疊加合并得到道路緩沖區。

根據研究區實際情況，將市區土地分為“住宅用地、工業用地、商業用地、綠地”，并增加可利用土地類型值屬性，然后將道路緩沖區的柵格數據與土地利用類型柵格數據進行相乘運算，得到的柵格圖即建造垃圾中轉站可利用區域。

3.2 確定中轉站適宜建設區域

3.2.1 垃圾量密度分析

對人口調查樣本點運用Voronoi多邊形得到人口分布多邊形，以此作為人口調查樣本點所管轄區域范圍。對該多邊形圖層添加垃圾量、人口密度以及垃圾量密度3個屬性字段，根據調查得到安慶市平均每人每天產生垃圾量為1.2kg，得到垃圾量密度分布柵格圖。本文根據數據特點將得到的柵格圖進行重分類，共分為9級，0～100為1級，100～200為2級，200～300為3級，…，800～900為9級。

3.2.2 區域避讓因子柵格分析

對“醫療機構”“中小學校”“政府機關”“公園綠地”“水系”等區域避讓因子進行距離柵格分析后進行重分級分析。將級數全部設為5級，分別為1～5級，不同區域避讓影響因子分級指標如表3所示。

表3 區域避讓中各影響因子分級指標

3.2.3 柵格代數運算

根據重分級得到的結果以及各個影響因子的相對權重值，先對區域避讓各因子進行柵格代數運算，將區域避讓因子柵格分析得到的重分級結果分別乘以相對權重值后相加，得到區域避讓因子柵格圖。然后對垃圾密度重分級結果與區域避讓因子柵格圖進行柵格代數運算，將得到的垃圾密度柵格圖結果和區域避讓因子柵格圖分別乘以相對權重值后相加，得到垃圾中轉站適宜建設區域柵格圖，即區域避讓=0.244*醫療機構+0.207*中小學校+0.153*政府機關+0.129*公園綠地+0.267*水系，適宜建設區域=0.45*垃圾密度重分級+0.55*區域避讓。

3.3 確定中轉站最終可建設區域

將垃圾中轉站可利用區域柵格圖和垃圾中轉站適宜建設區域柵格圖進行柵格代數運算，得到垃圾中轉站的可建設區域柵格圖1。

圖1 垃圾中轉站可利用區域柵格

3.4 垃圾中轉站的評估與優化

3.4.1 垃圾中轉站的評估

安慶市現有張家坡、程良路、宜園路、旺園小區、錫麟街、青少年宮路、華中東路、晴北路8個垃圾中轉站(圖2)。將現有垃圾中轉站放到垃圾中轉站最終可建區域圖層中，發現張家坡、程良路、旺園小區、錫麟街4個中轉站的分布明顯不在適宜區域內，屬于分布不合理的垃圾中轉站。

圖2 安慶市現有垃圾中轉站分布圖

3.4.2垃圾中轉站的優化

對于新的中轉站的分布，在最終可建設區域柵格圖中，站點應該分布于顏色較深區域。同時，考慮到實際情況下該區域不應有拆遷成本高或不適宜拆遷的建筑；轉運垃圾時，大型垃圾車不阻塞交通，盡量選擇交通車流量小的路段；新建垃圾中轉站與現有中轉站間的分布不宜過于集中等，最終提出了安慶市垃圾中轉站新的優化方案，分布情況如圖3所示。

圖3 安慶市垃圾中轉站調整后分布圖

4 結束語

城市垃圾中轉站是環境保護的基礎設施，也是潛在的污染源。本文綜合考慮研究區域的實際情況，將GIS空間分析技術和AHP法相結合用于垃圾中轉站選址評估與優化，取得了較好的效果。其中，利用GIS技術可以更為客觀、快速地對垃圾中轉站的選址進行評估與優化，減少人為因素的干擾；在分析過程中，利用GIS中的緩沖區分析、疊加分析、泰森多邊形、距離柵格分析等原理對現有的垃圾中轉站進行評估分析并提出優化方案。而影響因子的確定和權重的計算對整個分析結果都有關鍵性的影響，故采用AHP方法進行計算較為客觀的接近于分析需求。本方法可為其他城市垃圾中轉站選址提供有益參考。

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