利用產能過剩生活垃圾轉運站建設大件垃圾集散設施選址研究*

曹方瓊，陳海濱，苗 雨，呂 露，汪俊時，高章龍，朱 斌，歐陽秀莉，阮 濱，謝宗漢，段盼盼

（1.華中科技大學，湖北 武漢 430074；2.武漢華曦科技發展有限公司，湖北 武漢 430070）

1 引言

垃圾分類收運處理系統的順利運行既需要在源頭對垃圾進行有效分類，也有賴于后續配套完善的收運處理設施［1］。隨著垃圾分類制度的推進以及分類效率的不斷提升，垃圾已由原來的混合垃圾流轉變為分類后的多分支垃圾流，高價值可回收物重新回收利用，有害垃圾、廚余垃圾單獨收運處理。廚余垃圾約占城市生活垃圾總量的40%～60%［2-3］。目前大部分城市采用直收直運的收運處理方式，部分大型城市采用集散轉運的收運處理方式［4］。廚余垃圾轉運設施建設要求較高、選址較難，不便進行較多選址，可在大型轉運站的部分多余坑位進行統一改建。因此，傳統生活垃圾轉運站逐步只需轉運可回收物和其他垃圾，將會面臨嚴重轉運能力過剩的問題，部分轉運站甚至空閑。

隨著社會經濟的迅猛發展，現今社會上“新興垃圾”產生量急劇增加，包括大件垃圾、園林垃圾、裝修垃圾等。受歷史原因的制約，傳統垃圾轉運系統并沒有考慮新興垃圾的收運需求。由于大件垃圾體積和質量較大、整體性強、不易壓縮，故運輸效率較低，需要進行拆解或破碎處理。選擇部分合適的生活垃圾轉運站建設為大件垃圾集散設施是解決傳統生活垃圾轉運站產能過剩問題及其不能適應新的分類發展需求問題的有效途徑。

大件垃圾有“預約+集約直運”和“集散轉運”兩種收運模式?！邦A約+集約直運”指的是大件垃圾產生者電話或網上預約后，由收運公司直接將大件垃圾統一運往大件垃圾處理廠?！凹⑥D運”是指通過產生者自運、預約或定時定點收集將大件垃圾運輸至大件垃圾集散設施，經簡單拆解后統一運往大件垃圾處理廠。這兩種大件垃圾收運模式如圖1 所示。

圖1 大件垃圾收運模式

本研究從經濟、環境和社會3 個方面著手建立多目標模型，采用層次分析法和專家打分法確定各單目標權重，著力解決將產能過剩的傳統生活垃圾轉運站建設為大件垃圾集散設施的選址問題。

2 選址方案模型構建

2.1 模型建立

2.1.1 模型變量及參數描述

I：大件垃圾集散設施備選點i 的集合（i∈I，i=1，2，…，n）。

J：大件垃圾處理設施集合（j∈J）。

n：大件垃圾集散設施備選點的個數。

q：選中的大件垃圾集散設施的個數，q≤n。

mi：第i 個大件垃圾集散設施所配備的集散轉運車輛數。

pi：第i 個大件垃圾集散設施所有車輛單日累計運輸次數。

Ui：第i 個大件垃圾集散設施設計規模。

V：每輛轉運車單次運輸量。

Uin：收集到該地區大件垃圾集散設施的總垃圾量。

Lij：第i 個大件垃圾集散設施至第j 個大件垃圾處理設施間的距離。

LCi：第i 個大件垃圾集散設施的土地成本，由集散設施的面積大小和土地價格綜合確定。

EC：處理單位大件垃圾設施設備成本，一般僅考慮拆解功能，不考慮破碎功能。

OC：處理單位大件垃圾運行成本，包括設施設備維修保養費用、工作人員薪酬、水電費等。

TC：將大件垃圾從集散設施運輸至處理設施的單位運輸成本。單位運輸成本與運輸車輛的性能、司機薪資、車輛折舊、油費有關，在運輸大件垃圾車型相同的情況下，單位運輸成本為定值。

PC：集散設施單位大件垃圾環境污染處理成本，包括粉塵和噪音污染處理成本。

δdu：粉塵污染轉化系數。

δnoi：噪音污染轉化系數。

RC：治理單位大件垃圾道路運輸過程中產生污染物的成本。

RE：第i 個大件垃圾集散設施單個轉運車輛主要污染物排放因子總和。機動車尾氣排放因子指的是機動車正常行駛過程中單位行駛距離的污染物排放量，單位為g/km。

ρip：第i 個大件垃圾集散設施附近的人口密度。

ρir：第i 個大件垃圾集散設施至大件垃圾處理設施道路附近的人口密度。

θp：集散設施受到社會影響的人員范圍。

θr：運輸受到社會影響的人員范圍。

ζp：大件垃圾集散設施社會當量影響系數。

ζr：運輸路徑社會當量影響系數。

κp：大件垃圾集散設施社會污染影響系數。

κr：運輸路徑社會污染影響系數。

2.1.2 確定目標函數

1） 模型經濟目標包括土地成本、設施設備成本、集散設施運行成本和運輸成本，可表示為：

2） 模型環境目標通過環境污染治理成本來衡量［5］。模型環境目標包括大件垃圾集散設施自身環境影響和大件垃圾集散設施到大件垃圾處理設施運輸路徑上所產生的環境影響。后者參考COPERT IV 模型，主要考慮運輸車輛排放尾氣中的有害成分，本研究以分擔率較高的CO、NOx、HC 和PM為標準衡量有害程度。模型環境目標可以表示為：

3） 模型社會目標包括大件垃圾集散設施和大件垃圾集散設施到大件垃圾處理設施運輸路徑上社會影響所造成的居民負面情緒。該模型社會目標可以表示為：

4） 本研究引入權重系數ωec、ωen和ωso來表示3 個目標的重要性，引入社會目標量綱轉換因子μ對社會目標進行數學轉化，消除數據量綱不一致的影響［6］。根據大件垃圾社會影響程度取μ 為30，將大件垃圾集散設施選址多目標模型轉化為單目標模型，轉換后的綜合目標最小模型如下：

2.1.3 確定約束條件

其中，式（5） 表示第i 個大件垃圾集散設施的垃圾只能運往第j 個大件垃圾處理設施；式（6）表示第i 個生活垃圾轉運站最多只能建設1 個大件垃圾集散設施，可不在此處建設；式（7） 表示收集到該地區的大件垃圾集散設施的總垃圾量與各集散設施集散轉運至大件垃圾處理設施的垃圾量一致；式（8） 表示收集到該地區大件垃圾集散設施的總垃圾量不超過該地區大件垃圾總集散轉運設計量；式（9） 和式（10） 表示第i 個大件垃圾集散設施產生的粉塵、噪音污染應小于該集散設施的粉塵污染治理能力（PTCidu） 和噪音污染治理能力（PTEinoi）；式（11） 表示選中的大件垃圾集散設施個數小于大件垃圾集散設施備選點的個數。

2.2 求解算法

本研究采用禁忌搜索算法對垃圾轉運設施布局重構研究中大件垃圾集散設施多目標選址模型進行求解，具體操作步驟如下所示。

1） 編碼及初始解的確定。在符合約束條件的基礎上，初始解隨機產生。本文采用0-1 編碼，1表示該垃圾轉運站被選中，0 表示該垃圾轉運站未被選中。例如，從4 個生活垃圾轉運站中選取2 個建設為大件垃圾集散設施，｛0 1 0 1｝ 表示選取第2個和第4 個，而第1 個和第3 個未被選取。

2） 適應度函數的確定。適應度函數是確定當前解的重要依據，將目標函數（4） 作為該模型的適應度函數，適應度函數值越低，所選擇的最優解越符合模型需求。

3） 鄰域的構造。在移動確定鄰域對象時采用兩兩交換方式，在確定一個當前解后，放棄當前解選取的隨機一個大件垃圾集散設施，同時隨機選取一個原來未被選取的大件垃圾集散設施備選點作為交換，如｛0 1 0 1｝ 的鄰域為｛0 1 1 0｝、｛1 1 0 0｝、｛1 0 0 1｝、｛0 0 1 1｝。一個當前解有q（n-q） 個鄰域。

4） 禁忌對象和禁忌長度。禁忌對象是在搜索過程中被禁忌的對象，禁忌長度指的是禁忌表最長移動次數，即對象最多不被選中的次數。如｛0 1 0 1｝ 的新解為｛0 1 1 0｝，表示第3 個大件垃圾集散設施被選取，第4 個大件垃圾集散設施被禁忌成為禁忌對象，除符合特赦準則之外禁忌對象在禁忌長度的移動次數范圍內不會被解禁。禁忌長度沒有特定要求，需要根據模型的實際情況進行設定。

5） 特赦準則。判斷候選解是否符合特赦準則，當鄰域的所有候選解都被禁忌時，解禁其中的最優解為當前解；當禁忌了優于當前解的最優解時，特赦其為當前解。

6） 終止準則。將最大迭代次數設置為終止準則終止算法，當搜索次數達到最大迭代次數時，輸出搜索后所得到的結果即為最優解。

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禁忌搜索算法具體求解步驟如下：

Step1：輸入參數，隨機確定初始解為當前解a，使禁忌表為空。

Step2：判斷是否符合終止準則，符合則停止算法輸出結果，不符合則進入Step3。

Step3：求出鄰域解，分析解的函數適應度。

Step4：判斷鄰域解是否符合特赦準則，若鄰域被禁忌對象中包含優于當前解的最優解b 則被特赦為當前解a，若不包含則非禁忌的最優解c 設為當前解a。

Step5：根據當前解調整禁忌表，進入Step2。

3 案例分析

以垃圾分類后的?？谑袨檠芯繉ο?，按照收集大件垃圾的70%采用集散轉運的運輸方式，預測2025 年?？谑行阌^、龍華區、瓊山區和美蘭區建成區的大件垃圾收運集散設施需求量分別為12、28、17、28 t/d。

目前，海口市現有小型生活垃圾轉運站74個。通過實地考察，選擇未啟用、轉運垃圾量較少、周圍有多余空地便于后期改擴建的43 個生活垃圾轉運站作為大件垃圾備選點。其中，秀英區選取12 個，龍華區選取13 個，美蘭區選取8 個，瓊山區選取10 個。根據?？谑协h衛設施實際需求，從?？谑邢略O4 個轄區的建成區中各選取3個合適的生活垃圾轉運站建設為大件垃圾集散設施，共12 個。

海口市共規劃3 座大件垃圾處理廠，現有兩座簡易大件垃圾處理場（j1、j2）處理規模均為25 t/d，新建大件垃圾處理廠（j3）處理規模為100 t/d，且位置已知，通過調研定位并按照百度地圖坐標拾取系統轉化的坐標分別為：j1（110.216，20.018）、j2（110.271，19.939）、j3（110.509，19.592）。括號中坐標值依次為定位點的東經和北緯度。模型設定秀英區大件垃圾運往j1大件垃圾處理廠，龍華區大件垃圾運往j2大件垃圾處理廠，瓊山區和美蘭區大件垃圾運往j3大件垃圾處理廠。

3.1 多目標選址指標體系

3.1.1 建立層次結構

為確保層次結構的合理性，在構建層次分析模型時，設置目標層S 為大件垃圾集散設施選址影響因素，準則層A 為一級影響因素，子準則層C 為二級影響因素，方案層F 為選址的經濟目標、環境目標和社會目標。層次結構如圖2 所示。

圖2 大件垃圾集散設施選址層次結構示意

在子準則層C 中，各二級影響因素［7］的含義如下所示。

1） 自然環境條件C1指氣象、地質條件等，大件垃圾集散設施宜建在地勢平坦、下風向、環境干凈、地面無滲水現象的區域。

2） 環境污染情況C2指在大件垃圾運輸過程中排放的汽車尾氣會造成空氣污染，大件垃圾集散設施拆解大件垃圾過程中易產生噪音和粉塵污染。

3） 改造難度C3包括傳統垃圾轉運站現有硬件設施、運行情況，以及轉運站周圍是否有便于改造擴建的多余空地等對改造難度有影響的因素。

4） 固定費用C4包括土建費用、配套設施設備、車輛費用等一次性投入成本。

5） 可變費用C5包括設施設備和車輛的維修費用、工人薪資、水電消耗等運行成本。

6） 運輸距離C6不僅影響著大件垃圾收運的經濟成本，也影響著運輸過程中尾氣的排放量和對行人造成的社會影響。

7） 基礎設施C7包括大件垃圾集散設施附近交通、通訊、水、電等基礎設施條件。

8） 市容適應性C8直接決定了公眾滿意度的高低，大件垃圾集散設施建設過程中應保持原有市容的協調性。

9） 法律法規C9指應符合建設、環境污染防治等相關法律法規。

10） 城市環衛規劃C10指應符合環衛設施用地等相關城市環衛規劃。

3.1.2 確定影響因素權重

所選擇的專家包括環衛管理部門工作人員、生活垃圾轉運站和大件垃圾處理廠作業人員、轉運站附近隨機選擇的調研對象及參加該項科研任務的課題組成員，共12 人。在互不影響的情況下，專家根據各自的工作經驗和切身感受對各指標打分，由專人統計確定綜合權重并反饋給各專家，專家對權重結果進行第二輪打分，直至各專家對綜合權重較為滿意為止。

從準則層開始，把1～9 作為衡量尺度兩兩比較同一層級各因素重要程度構建判斷矩陣。通過計算判斷矩陣的最大特征值得到一致性指標，根據一致性指標和隨機一致性指標之比，得到一致性比率CR 進行一致性檢驗。各層影響因素單層判斷矩陣如表1～5 所示。

表1 S-A 判斷矩陣

表2 A1-C 判斷矩陣

表3 A2-C 判斷矩陣

表4 A3-C 判斷矩陣

表5 A4-C 判斷矩陣

3.1.3 方案層層次總排序

通過專家打分法不斷優化，求得子準則層C層各因素對方案層S 層的影響程度，如表6 所示。

表6 影響因素綜合權重

3.1.4 目標權重確定

在該多目標選址模型中，各目標的權重如表7所示。由表7 可知，經濟目標、環境目標和社會目標的綜合權重因子ωec、ωen、ωso分別為0.402 7、0.294 8、0.302 5。

表7 多目標選址模型權重

3.2 確定模型參數

結合?？谑懈鞯貐^經濟發展狀況、統計年鑒、相關調研數據和經驗數據得出該模型參數。

1） 大件垃圾集散設施及道路運輸相關參數：?？谑薪y一采用中型運輸車運輸大件垃圾，車輛載荷5 t/輛，裝載系數取0.6，故每輛轉運車單次實際最大運輸量V 為3 t。大件垃圾集散設施及道路運輸相關參數如表8 所示。

表8 海口市大件垃圾集散設施備選位置及道路運輸參數

2） 其他參數：①在經濟目標中，5 t 的大件垃圾運輸車輛單價vc 為25 萬元/輛，我國大中型車輛報廢里程為4.0×105km，計算得車輛單位折舊費為0.625 元/km；司機薪資為1.1 元/km，油費為1.0 元/km，可計算得到單位運輸成本TC，各經濟目標參數如表9 所示；②在環境目標中，?？谑写蠹\輸車輛平均行駛速度為30 km/h，各污染物排放因子［8-9］分別確定為RECO=1.306、RENOx=1.427、REHC=0.065、REPM=0.092，各環境目標參數如表10 所示；③在社會目標中，根據大件垃圾在集散設施和運輸過程中的影響范圍內影響概率和影響程度的不同，確定各社會目標參數［10］如表11 所示。

表9 經濟目標參數

表10 環境目標參數

表11 社會目標參數

3.3 求解結果

使用禁忌搜索算法對?？谑邢螺? 個區分別計算，采用Matlab 軟件對模型進行求解，算法運行4 次，設置最大迭代次數為200。求解得秀英區、龍華區、美蘭區、瓊山區4 個區大件垃圾集散設施位置集合分別為I1｛2，4，11｝、I2｛15，20，21｝、I3｛26，30，33｝、I4｛38，40，42｝，其分布如圖3 所示，模型綜合加權目標值及各子目標值如表12 所示。由表8 數據可知，各區模型選取的集散設施處理能力皆能滿足各區大件垃圾處理需求。從綜合目標看，在具備同樣處理能力的情況下，美蘭區的綜合目標值明顯高于龍華區；瓊山區的處理能力不及龍華區，其綜合目標值卻高于龍華區。因大件垃圾運輸車輛承載率較低，且垃圾運輸過程關系到運輸成本、道路污染環境治理成本和道路污染對社會的影響等方方面面，所以造成?？谑?個區目標值差異的原因除了可能與不同區域的土地成本和人口密度有關外，主要與大件垃圾集散設施至大件垃圾處理廠的運輸距離有關。

圖3 海口市建成區大件垃圾集散設施布局

表12 模型綜合加權目標值及各子目標值

4 結論

1） 根據垃圾分類制度推進現狀及發展態勢，明確在傳統生活垃圾轉運系統產能過剩的有利條件下，將生活垃圾轉運站建設為大件垃圾集散設施具有重要的現實意義。

2） 通過層次分析法和專家打分法確定在大件垃圾集散設施多目標選址模型中，經濟目標、環境目標和社會目標的目標權重分別為0.402 7、0.294 8、0.302 5。

3） 模型分別在?？谑邢略O4 個轄區中成功選擇3 個生活垃圾轉運站建設為大件垃圾集散設施，選址結果表明對系統綜合目標值影響較大的因素主要為大件垃圾集散設施至大件垃圾處理廠的運輸距離。