基于GIS和AHP的垃圾中转站选址评估与优化研究

朱超平，潘方杰，姚秉伟

城市垃圾收集处理问题一直是城市环卫的重点，也是树立城市良好形象的重要工程。其中，中转站选址评估与优化是解决这一问题的重要手段之一，也是城市规划与分析的重点内容。近年来，众多学者对中转站选址问题进行了大量相关研究。从节省收集成本的角度，对垃圾中转站选址的限制因素、选址理论、选址模型及其算法等几个方面进行了详细的分析和探讨[1]；基于不同的数学基础和相关规划选址理念，建立中转站优化选址的模型，最终计算出最优选址方案[2-4]；在对现有中转站分布及其具体情况进行了详细的调查基础上，指出了城市老城区的中转站存在的问题，并对新城区垃圾中转站的建设提出建议[5]；基于DEA(Data Envebpment Analysis)模型及其改进算法，对垃圾中转站运行效率进行评价，并对影响转运效率的外部因素进行研究[6-7]；借助于人工神经网络的改进算法如智能算法、遗传算法等构建优化模型，对中转站选址问题进行研究[8-9]；将绿色建筑设计理念应用于垃圾中转站选址、平面功能布局、竖向规划、建筑选材及水电设计中[10]。综上所述，垃圾中转站选址及优化的研究方法主要包括集合覆盖模型法、模糊综合评判法、线性与非线性规划法以及人工神经网络法等。层次分析法（AHP，Analytical Hierarchy Process）在选址评估中具有一定的优势，但基于层次分析法进行垃圾中转站优化选址的研究比较少[11]，而将层次分析法与GIS(Geographic Information System)空间分析技术相结合进行垃圾中转站选址评估与优化研究更是比较缺乏。因此，以安徽省安庆市城区垃圾中转站分布为例，基于AHP，在影响因子选择的基础上确定权重，进而结合GIS空间分析技术，对安庆市现有的垃圾中转站分布情况进行评估，以期为基于AHP的区位选址问题做出一些有益探索。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源与预处理

社会经济的数据主要来源于《2010年安庆市统计年鉴》，人口数据来自安庆市区各街道办事处所辖区域的人口数量，以及其他社会统计信息，通过调查问卷获得“具体内容”。从安庆市规划局可以收集到安庆市总体规划的相关资料以及一些基础数据，具体为安庆市2010年总体规划、安庆市行政区划图（1：50 000）、河流水系图、主要公路铁路图、城镇用地图、重点水源保护区和湖泊图以及包括垃圾中转站在内的与垃圾中转相关性强的重点地物等。将收集到的各种相关图件，通过坐标配准、投影转换、自动与手工矢量化相结合等转为ArcGIS支持的矢量（.shp）文件，并将矢量化的空间数据与社会经济、人口等属性数据进行连接，建立空间数据库，用于安庆市垃圾中转站选址评估与优化研究。

1.2 研究方法

1.2.1 层次分析法

美国运筹学家T.L.Saaty于20世纪70年代提出的AHP决策分析法是一种定性与定量相结合的决策分析方法[12]。AHP在环境保护、环境评价等方面有着广泛应用，该方法将复杂问题分解为特定层次和特定因素，通过各因素之间的计算和比较，进而得出不同方案重要性程度的权重，最终为最佳的选址提供依据[13-15]。基本步骤：（1）影响因素的确定，只有全面分析其影响因素，才能得出趋于正确合理的结论；（2）递阶层次结构模型的建立，要把问题条理化、层次化，构造出一个有目标层、准则层和方案层的结构模型；（3）构造判断矩阵，分别评定各层次中相对重要性状况，并给出判断矩阵数值；（4）层次单排序；（5）层次总排序；（6）一致性检验，评价层次计算结果的一致性。其中，层次分析法权重向量计算方法有几何平均法、算术平均法、特征向量法和最小二乘法4种[16]，应根据研究需要确定具体的计算方法，本研究采用几何平均法即方根法确定权重。

1.2.2 GIS空间分析方法

GIS是通过一系列相关的空间分析手段，对原始数据进行相应变换和处理，生成新的信息，以便为决策者决策提供支持。在影响选址因素确定的基础上建立图形数据库，通过缓冲区分析剔除不适宜建设区域，进而借助于叠置分析和泰森多边形分析选择候选场址，通过网络分析进行路径优化。一般情况下，累加指数越高，越适宜建立垃圾中转站。

2 影响因子的选定与权重计算

2.1 垃圾中转站选址的限制因素

自然因素。虽然城市垃圾在中转站中的滞留时间不算太长，但由于其自身的特殊性，对周边环境的影响却不容忽视。合理的中转站选址重要前提条件是最大程度地确保整个区域的大气、地表水、地下水及土壤环境等不受或少受污染。因此，垃圾中转站的选址应该在保证具有良好的地理和地质条件基础上，尽量布置在城市主导风向的下风向、远离水源、地下水位较深的地方。

城市总体规划和城市环境卫生行业规划、辐射区的环境卫生、人口密度、垃圾产量与位置分布、交通运输状况、市政公共设施和相关政策法律法规等都是影响中转站选址的重要社会经济因素[17]。具体而言，在中转站的选址中应满足以下条件：首先，中转站的选址不得与城市建设的总体规划相违背，即不能因选址不当而影响城市建设用地布局，更不能阻碍城市的社会、经济和文化发展。其次，垃圾中转站作为垃圾产生地与垃圾处理场之间的运输结合点，中转站的选址应与处理场的距离适中。从经济效益上考虑，尽量缩短中转距离，一般希望垃圾源产生地距大中型中转站的距离平均不超过5 km[18]，从而对降低垃圾处理费用起到十分显著作用。再次，中转站的选址应减少对居住环境的影响，应尽量避开人口密度大以及对社会环境产生明显不良影响的地点。最后保证垃圾中转站的建设实现生态效益、经济效益和社会效益的有机统一，既不会给城市面貌带来不良影响，又能真正发挥为城市服务的功能[19]。

2.2 影响因子的选定

有机垃圾会在很短的时间内发生好氧和厌氧反应，会产生有毒气体和有机物含量很高的污水，而且垃圾中转站会滋生蚊虫和细菌，在一定程度上影响邻近居民身心健康。总体来说中转站区位的确定，应尽量选择在地理和地质条件较好的地方，远离水源、人口密度较小的点。同时，对于垃圾中转站作为服务设施来讲，其选址最终目标就是要实现服务功能最大化和经济效益最优化。因此，结合安庆市具体情况和数据可获得性，影响因子的选定主要考虑城市道路类型、土地利用类型、垃圾量密度和区域避让4个方面。垃圾中转站不宜分布在商业用地和绿地上，但可以分布在住宅用地或工业用地上。本文将“城市道路类型”及“土地利用类型”两个因子作为垃圾中转站分布的定量因子，不计算之间的权重；而将“垃圾量密度”“区域避让”作为影响因子，并将“区域避让”细分为“医疗机构、中小学校、政府机关、公园绿地、水系”。通过运用“多因素统计法”获取其权重，建立层次结构。

2.3 影响因子权重的确定

运用“多因素统计法”获取垃圾中转站各影响因子的权重，具体方法如下：

(1)制作调查问卷表，包括先设计好一些问卷问题，对影响垃圾中转站分布的一些因子作简单说明；然后将“垃圾量密度”“区域避让”做一个表格，将“医疗机构”“中小学校”“政府机关”“公园绿地”“水系”再做一个表格，以极端重要、很重要、重要、一般重要、一般五等级分别对应9，7，5，3，1，而2，4，6，8表示相邻判断的中值，采用专家打分法，请专家进行打分；最后，将结果数据汇总平均后得到“医疗机构”为6.38，“中小学校”为5.42，“政府机关”为 4.00，“公园绿地”为 3.38，“水系”为7.00。

(2)将两层次得到的关于这些项的初步结果分别彼此相除得到彼此的相对重要值rij。

(3)将相除得到的相对重要值建立判断矩阵R，进行统计计算，以计算出来的排序指数Wi的大小来确定相对权重系数的大小。

(4)采用方根法，求出各个影响因子的相对权重，并以此作为空间叠加分析的权重。

具体计算公式为Mi=ri1ri2…rin，

其中，Mi为判断矩阵每i行元素的乘积，Pi为Mi的n次方根，Wi为影响因子的权重。

对上述判断矩阵进行计算，得到“垃圾量密度”“区域避让”因子的相对权重矩阵（表1）和“区域避让”因子之间的相对权重矩阵（表2）。

表1 垃圾量密度和区域避让因子的相对重要值（矩阵）

表2 区域避让中各子因子的相对重要值（矩阵）

3 数据处理与分析

3.1 中转站的可选区域

根据城市道路等级将道路分为骨干道路和二级道路。道路是以线的形式表现出来，而实际中道路具有一定的宽度，且垃圾中转站的布点也应距道路边界有一定距离，但为了方便运输也不应距离道路过远，所以给骨干道路和二级道路做一定距离的缓冲区，并将这两个缓冲区进行叠加合并得到道路缓冲区。

根据研究区实际情况，将市区土地分为“住宅用地、工业用地、商业用地、绿地”，并增加可利用土地类型值属性，然后将道路缓冲区的栅格数据与土地利用类型栅格数据进行相乘运算，得到的栅格图即建造垃圾中转站可利用区域。

3.2 确定中转站适宜建设区域

3.2.1 垃圾量密度分析

对人口调查样本点运用Voronoi多边形得到人口分布多边形，以此作为人口调查样本点所管辖区域范围。对该多边形图层添加垃圾量、人口密度以及垃圾量密度3个属性字段，根据调查得到安庆市平均每人每天产生垃圾量为1.2kg，得到垃圾量密度分布栅格图。本文根据数据特点将得到的栅格图进行重分类，共分为9级，0～100为1级，100～200为2级，200～300为3级，…，800～900为9级。

3.2.2 区域避让因子栅格分析

对“医疗机构”“中小学校”“政府机关”“公园绿地”“水系”等区域避让因子进行距离栅格分析后进行重分级分析。将级数全部设为5级，分别为1～5级，不同区域避让影响因子分级指标如表3所示。

表3 区域避让中各影响因子分级指标

3.2.3 栅格代数运算

根据重分级得到的结果以及各个影响因子的相对权重值，先对区域避让各因子进行栅格代数运算，将区域避让因子栅格分析得到的重分级结果分别乘以相对权重值后相加，得到区域避让因子栅格图。然后对垃圾密度重分级结果与区域避让因子栅格图进行栅格代数运算，将得到的垃圾密度栅格图结果和区域避让因子栅格图分别乘以相对权重值后相加，得到垃圾中转站适宜建设区域栅格图，即区域避让=0.244*医疗机构+0.207*中小学校+0.153*政府机关+0.129*公园绿地+0.267*水系，适宜建设区域=0.45*垃圾密度重分级+0.55*区域避让。

3.3 确定中转站最终可建设区域

将垃圾中转站可利用区域栅格图和垃圾中转站适宜建设区域栅格图进行栅格代数运算，得到垃圾中转站的可建设区域栅格图1。

图1 垃圾中转站可利用区域栅格

3.4 垃圾中转站的评估与优化

3.4.1 垃圾中转站的评估

安庆市现有张家坡、程良路、宜园路、旺园小区、锡麟街、青少年宫路、华中东路、晴北路8个垃圾中转站(图2)。将现有垃圾中转站放到垃圾中转站最终可建区域图层中，发现张家坡、程良路、旺园小区、锡麟街4个中转站的分布明显不在适宜区域内，属于分布不合理的垃圾中转站。

图2 安庆市现有垃圾中转站分布图

3.4.2垃圾中转站的优化

对于新的中转站的分布，在最终可建设区域栅格图中，站点应该分布于颜色较深区域。同时，考虑到实际情况下该区域不应有拆迁成本高或不适宜拆迁的建筑；转运垃圾时，大型垃圾车不阻塞交通，尽量选择交通车流量小的路段；新建垃圾中转站与现有中转站间的分布不宜过于集中等，最终提出了安庆市垃圾中转站新的优化方案，分布情况如图3所示。

图3 安庆市垃圾中转站调整后分布图

4 结束语

城市垃圾中转站是环境保护的基础设施，也是潜在的污染源。本文综合考虑研究区域的实际情况，将GIS空间分析技术和AHP法相结合用于垃圾中转站选址评估与优化，取得了较好的效果。其中，利用GIS技术可以更为客观、快速地对垃圾中转站的选址进行评估与优化，减少人为因素的干扰；在分析过程中，利用GIS中的缓冲区分析、叠加分析、泰森多边形、距离栅格分析等原理对现有的垃圾中转站进行评估分析并提出优化方案。而影响因子的确定和权重的计算对整个分析结果都有关键性的影响，故采用AHP方法进行计算较为客观的接近于分析需求。本方法可为其他城市垃圾中转站选址提供有益参考。

参考文献：

[1]王金华,孙可伟,房镇.城市垃圾中转站选址研究[J].环境科学与管理,2008,33(5)：57-59,86.

[2]贾传兴,彭绪亚,刘国涛,等.城市垃圾中转站选址优化模型的建立及其应用[J].环境科学学报,2006,26(11)：1927-1931.

[3]杜亚娟,郭强.垃圾中转站最优选址及垃圾最优转运方案研究[J].计算机工程与应用,2015,51(10)：252-256.

[4]王海燕,张岐山.考虑负效应的城市废弃物中转站多目标选址模型及算法[J].管理工程学报,2013,27(1)：135-141.

[5]叶诗瑛,孙世群,吴克,等.合肥市城区垃圾中转站分布及其建设的思考[J].环境科学与管理,2007,32(6)：1-4

[6]钟沅羱,李南.DEA模型在垃圾中转站效率评价中的应用[J].环境科学与管理,2010,35(1)：185-187.

[7]郑莹莹,周锐,王新军.基于DEA-Tobit两阶段法的上海浦东新区垃圾转运效率及其影响因素[J].生态与农村环境学报,2015,31(3)：308-313.

[8]李鹏飞,孟祥龙,李晓奇,等.基于改进智能算法的秦皇岛市开发区生活垃圾站选址与收运路线设计[J].生物数学学报,2013,28(3)：527-534.

[9]陈燕升.基于遗传算法的城市生活垃圾中转站选址问题研究[J].物流技术,2014,33(15)：275-277,329.

[10]李晓艳.浅析垃圾中转站的绿色设计[J].环境卫生工程,2016,24(3)：55-57.

[11]陈炳禄,王志刚,陈新庚.广州市生活垃圾处理方式及物流管理方案优化[J].上海环境科学,2000,11(19)：511-515.

[12]徐建华.计量地理学[M].北京：高等教育出版社,2006：226-232.

[13]常建娥,蒋太立.层次分析法确定权重的研究[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2007,29(1)：153-156.

[14]郭金玉,张忠彬,孙庆云.层次分析法的研究与应用[J].中国安全科学学报,2008,18(5)：148-153.

[15]邓雪,李家铭,曾浩健,等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J].数学的实践与认识，2012,42(7)：93-100.

[16]李荣钧,邝英强.运筹学[M].广州：华南理工大学出版社,2002：196-199.

[17]李晓艳.浅析垃圾中转站的绿色设计[J].环境卫生工程,2016,24(3)：55-57.

[18]李金惠,聂永丰,白庆中.中国工业固体废物产生量预测研究[J].环境科学学报,1999,19(6)：625-630.

[19]邱江,吴文庆,成效良,等.城市生活垃圾转运站的建设[J].环境卫生工程,2003,11(3)：159-161.