城市建筑垃圾临时性消纳场所动态布局

杨 楠，穆 东，郑 凯

（北京交通大学 经济管理学院，北京 100044）

1 引言

据《建筑垃圾处理行业2018年度发展报告》[1]显示，2017年我国产生建筑垃圾量达15.93亿t，建筑垃圾量占城市垃圾总量的30%-40%，预计到2020年我国建筑垃圾产生量将突破30亿t。随着环境问题逐渐被重视，对于城市建筑垃圾的治理也变得刻不容缓。2018年住房和城乡建设部印发的《关于开展建筑垃圾治理试点工作的通知》[2]提出，全国有35座城市被选为建筑垃圾治理试点城市。其中，北京、广州、深圳等试点城市均提出要对建筑垃圾实施精准化管控。

目前，在建筑垃圾消纳环节，消纳场所的布局上存在以下不合理之处：（1）固定式消纳场所较为偏远。获得消纳许可证的固定式消纳场所规模大、消纳能力强、便于监管，但位置偏远，建筑垃圾的远距离运输不符合经济与安全需求；（2）自发的临时堆放点管理混乱。施工工地自发地将渣土等建筑垃圾临时堆放于附近的空地上，是目前比较常见的建筑垃圾处置方式，但大多数临时堆放点未取得相关资质，且管理混乱；（3）建筑渣土被来回运输和买卖。施工工地在拆除阶段产生渣土，运送到固定式消纳场所进行消纳，后期又需要购买渣土进行回填，建筑渣土被来回运输和买卖的方式耗力耗材，不符合经济性与环保性。

针对上述现实问题，本文提出城市建筑垃圾临时性消纳场所与固定式消纳场所相结合的模式，优化现有城市建筑垃圾消纳场所类型和分工。将现存处理过程中不合法、不合理的自发性临时堆放点转化为布局合理的临时性消纳场所。一方面，临时性消纳场所在施工工地和固定式消纳场所之间充当中转站角色；另一方面，其还在各施工工地之间充当中转站角色。其次，以经济成本和环境影响最小为目标，建立城市建筑垃圾临时性消纳场所布局规划模型，并结合调研获得的数据进行算例分析，验证模型的可行性。最后，提出合理化建议，促进我国城市建筑垃圾的循环利用与综合处理能力。本文提出的建筑垃圾消纳场所协同运作模式如图1所示。

2 文献综述

根据2005年6月1日起施行的《城市建筑垃圾管理规定》[3]，建筑垃圾是指建设单位、施工单位新建、改建、扩建和拆除各类建筑物、构筑物、管网等以及居民装饰装修房屋过程中所产生的弃土、弃料及其它废弃物。对建筑垃圾进行合理消纳，能减少其对空气质量、土壤质量和水资源等产生的影响和危害。在废弃物设施选址研究方面，文献[4]介绍了用于垃圾填埋场选址的多目标决策模型，并以成本最小为目标解决垃圾填埋场选址问题。文献[5]采用地理信息系统和多准则决策分析技术对Coimbatore地区城市固体废弃物进行选址。文献[6]建立了以总成本最小和中转站产生的环境负效用最小为目标的城市生活固废中转站选址优化模型，确定城市生活固废中转站的合理位置。废弃物设施选址的研究，主要针对固定设施展开，在生活垃圾设施选址上，有带中转设施的三层物流网络设施选址研究。

图1 建筑垃圾消纳场所运作模式

本文是针对城市建筑垃圾临时性消纳场所展开研究，其在布局上具备不受欢迎属性[7]和动态属性。文献[8]提出了一种考虑风向、风力等因素影响的基于扩散距离的负效应测度方法，并将这种方法应用于带中转设施的城市生活垃圾三层物流网络上，研究其多目标选址问题和周期性选址-路径问题。不受欢迎属性研究，一般是建立带有环境因素影响的多目标模型，此外，由于施工工地不断发生变化，临时性消纳场所的位置也会随之改变，因此，城市建筑垃圾临时性消纳场所的位置规划在本文中称为布局研究。

综上所述，现有研究中对于生活垃圾有带中转站性质的设施选址研究，但在建筑垃圾上还处于空白状态。本文将基于以上提出的建筑垃圾消纳场所运作模式，结合临时性消纳场所布局属性的特点，建立多目标布局规划模型，根据调研获得的实际资料进行算例分析，验证模型的有效性、实用性与稳健性。

3 临时性消纳场所布局模型

3.1 问题描述与模型假设

由于建筑垃圾的固定式消纳场所通常地处偏远，施工工地垃圾处置的经济性、环保性、安全性和便利性差，因此本文提出建立建筑垃圾临时性消纳场所。即各施工工地就近将产生的建筑垃圾运往临时性消纳场所，建筑垃圾在此进行简单分类，一部分可直接在临时性消纳场所消纳，当施工工地需要渣土回填时，也可直接从临时性消纳场所运输渣土进行回填；另一部分可收集后再统一运往固定式消纳场所进行消纳。

本文以临时性消纳场所和施工工地为对象，建立多目标布局规划，以总成本和环境影响最小为目标，确定临时性消纳场所的布局及容量等级。建立模型之前，给出如下假设：

（1）建筑垃圾产生量超过500t的施工工地附近均有一个临时性消纳场所备选点；

（2）相同容量等级的临时性消纳场所建设期和运营期的固定成本相同；

（3）建筑垃圾运输费用与距离成线性关系；

（4）临时性消纳场所对环境的影响在各个方向上扩散一致。

3.2 模型中参数与决策变量使用的符号

模型参数：

I—施工工地的集合，i∈I；

J—备选临时性消纳场所集合，j∈J；

K—备选临时性消纳场所容量等级集合，k∈K；

Gi—施工工地i产生的建筑垃圾量；

Qjk—备选地 j容量等级为k的临时性消纳场所的最大容量；

Fjk—在备选地 j建设容量等级为k的临时性消纳场所的固定成本；

Vjk—在备选地 j的容量等级为k的临时性消纳场所的运营成本；

Cij—施工工地i到备选临时性消纳场所 j的运输费用；

cij—施工工地i到备选临时性消纳场所 j的单位建筑垃圾单位距离的运输费用；

dij—施工工地i到备选临时性消纳场所 j的距离；

Ejk—在备选地 j建设容量等级为k的临时性消纳场所的环境影响度量；

Rjk—备选地 j建设容量等级为k的临时性消纳场所的环境影响半径。

决策变量：

3.3 建筑垃圾临时性消纳场所布局模型构建

目标函数：

约束条件：

模型中，目标函数式（1）为总成本最小化，包括建设临时性消纳场所的固定成本、运营成本及建筑垃圾从施工工地到临时性消纳场所的运输费用，其中Cij=cij×dij；式（2）为环境影响最小化；式（3）表示一个备选点最多只能建立一个某种容量等级的临时性消纳场所；式（4）表示只有开设的临时性消纳场所才能接受运来的建筑垃圾；式（5）表示运到某个临时性消纳场所的建筑垃圾总量不能超过总容量；式（6）定义了环境影响度量，现有文献[8]大都采用Erkut和Neuman[9]提出的测度函数，该函数表示环境影响与设施容量正相关，与环境影响半径负相关；式（7）和式（8）为决策变量的取值范围。

3.4 模型求解

上述模型为带约束的多目标布局模型，涉及的影响因素较多，施工工地和临时性消纳场所的数量较大，本文采用智能多目标算法中的Pareto档案多目标粒子群算法进行求解。粒子群算法中每个粒子单独搜寻的最优解叫做个体极值，粒子群中最优的个体极值作为当前全局最优解，由于多目标优化问题的解并不是单个的解，而是一组Pareto最优解的集合，因此需要用多目标粒子群优化算法。

Pareto档案多目标粒子群算法主要包含三方面内容：（1）外部档案维护；（2）全局最好位置选取；（3）粒子自身最好位置的更新。算法的一般流程如下：

步骤一：设定迭代参数，设置粒子群所有计算参数及初始化每个粒子速度和位置；

步骤二：计算各粒子的适应度值，并将其中的非劣解加到外部档案中；

步骤三：初始化每个粒子pbest和gbest；

步骤四：通过更新计算，得到粒子新的速度和位置，新旧对比选取粒子的pbest；

步骤五：添加新的非劣解并维护外部档案，为所有粒子选取gbest；

步骤六：进行反复迭代，若迭代次数达到终止条件，则停止搜索输出结果，否则转向步骤四。

具体如图2所示。

图2 Pareto档案多目标粒子群算法流程图

基于上述Pareto档案多目标粒子群算法，建筑垃圾临时性消纳场所布局模型的求解步骤表述如下：

步骤一：初始化粒子群参数，每个粒子的控制变量为是否建立临时性消纳场所与临时性消纳场所容量的标志位；

步骤二：初始化群体后，把群体中的非劣解拷贝到档案集中得到R；

步骤三：进入迭代更新，更新粒子位置，并且采用网格法更新档案集中的非劣解，从而更新最优粒子；

步骤四：经过多次迭代更新后，得到帕累托最优解集，即优化后的粒子。

4 算例及分析

4.1 算例生成

根据“北京市建筑垃圾综合管理及循环利用信息共享平台”中施工工地和消纳场所相关数据，提炼生成含有100个施工工地的算例。考虑在一定区域内存在100个施工工地，按照产生的建筑垃圾量将其分为三类：小型施工工地（500t以下）、中型施工工地（500-1 000t）、大型施工工地（1 000t以上），其出现的概率见表1，并假设除小型施工工地以外的施工工地附近，半径为5单位的范围内均设置1个临时性消纳场所的备选点。

应用Excel的Crystal Ball进行仿真，模拟在[-5，100]×[-5，100]区域内，随机生成100个服从均匀分布的施工工地位置坐标，并根据上述假设，通过极坐标函数生成临时性消纳场所备选点位置坐标，如图3所示。

表1 施工工地类型及出现概率

根据调研获得的实际比例，本文在65个备选点中选取总目标最优的前30%个备选点作为最终选定的临时性消纳场所。设定总目标为总成本和环境影响度量的综合结果。为使环境影响度量与总成本度量一致，本文规定：环境影响度量=Qjk/84.76*300。

图3 施工工地和临时性消纳场所备选点位置示意图

4.2 结果分析

经过1 000次试验，结果如图4所示。从图中可以看出，前30%的备选点总目标期望值为538 643.32，最终选出目标值低于538 643.32的备选点有27个，其具体的位置坐标和容量信息见表2，位置示意图如图5所示。

图4 CrystalBall仿真结果

从图5可以看出，最终选择出来的27个临时性消纳场所布局中左上角施工工地数量多，但临时性消纳场所少。原因是施工工地数量虽多，但是施工量不大，产生的建筑垃圾数量也不多。

表2 临时性消纳场所仿真位置容量信息

图5 最终选点位置示意图

5 结语

现有的建筑垃圾消纳处置研究中，还没有针对带有中转站性质的临时性消纳场所布局规划研究。本文在分析城市建筑垃圾消纳场所现状的基础上，提出合理建立临时性消纳场所的模式构想，构建以成本和环境影响最小为目标的多目标布局规划模型，并使用Pareto档案多目标粒子群算法进行求解，最后提炼调研数据生成算例，应用CrystalBall进行仿真，得出以下结论：（1）城市建筑垃圾临时性消纳场所的建设具有现实意义和必要性；（2）本文构建的临时性消纳场所布局模型在理论和实践上都具有可行性；（3）本文提出的建筑垃圾消纳场所模式满足经济效益和环境效益。为使该研究能更好地服务于实际，提出以下建议：（1）将临时性消纳场所纳入规划监管范围；（2）加强建筑行业相关的配套信息系统，对建筑垃圾实施精准化管控；（3）鼓励循环物流企业发挥积极作用。