基于GIS-AHP 的建筑废弃物消纳场选址优化研究——以广州市番禺区为例

刘景矿，马 冲

（广州大学 管理学院，广东 广州 510006，E-mail：ljkgowell@163.com）

随着我国城镇化建设步伐加快，以及城市旧城区、城中村改造项目的开展，产生了大量的建筑废弃物。巨量的建筑废弃物（包括混凝土、砖块、工程弃土、木屑、玻璃、塑料和废弃金属等）不可避免地会对环境产生一系列负面影响，包括公共卫生恶化、空气污染加剧、水和土壤的进一步污染、自然资源的浪费等。建筑废弃物处理应重点考虑消纳场综合利用，如果消纳场选址不合理，废弃物消纳场分拣出的可回收建材离建材市场距离较远，导致运输成本过高，会加大建筑废弃物的非法倾倒，造成资源上的浪费。同时，也会对环境产生更加不利的影响[1]，甚至引发严重的安全事故，如2015 年12 月的深圳光明新区消纳场坍塌事件[2]。

通常选择一个合适的地点来建造废弃物消纳场非常复杂，要确定一个能够满足所有建设和运营要求的地点十分困难[3]。所以，消纳场的选址需要考虑到众多因素，国内外学者主要考虑环境、社会和经济等三方面因素。Wang 等[4]用层次分析法研究了北京地区的城市固体废弃物消纳场，考虑到了经济因素和环境因素。Spigolon 等[5]对巴西的城市固体废弃物消纳场选址时，使用整数规划方法最小化了运输成本。Ojha 等[6]在研究印度废弃物消纳场选址时，使用了模糊逻辑和计分系统对现有废弃物消纳场进行了打分、排序，评估了现有废弃物消纳场的适用性。Habibi 等[7]提出了一个多目标鲁棒优化模型，该模型通过最小化总成本，同时考虑到了该系统中的环境因素，如温室气体排放，帮助决策者确定出了城市生活垃圾消纳场的最佳位置。部分学者将环境、社会和经济等相关因素分类为层次分析法（AHP）中要考虑的变量，以及结合GIS、实地调查来进行最终决策[8]。

以上研究废弃物消纳场更多考虑的是城市固体废物，如生活垃圾方面的消纳场选址。由于建筑废弃物和城市其他固体废弃物的组成不同、处理方式也不同，因此考虑的因素也有所不同。本文借鉴已有研究经验，将GIS 与整数规划两种方法结合起来，从环境、社会和经济的角度选取建筑废弃物消纳场备选区域，再结合广州市番禺区案例中实际情况，比如废弃物产生源、建材市场的位置、消纳场的各项成本等，选择出消纳场的最优位置。

1 研究范围和方法

1.1 研究范围

本文以广州市番禺区为研究对象，番禺区位于广州市中部以南，总面积约530km2，辖6 镇10 街，在番禺居住、工作、生活的人超过了300 万。广州市在2018 年入选我国建筑废弃物治理试点城市之一，根据广州城市矿产协会初步统计，广州各类工程所产生的建筑废弃物年产约3000 万m3，如何合理地处置产生的建筑废弃物是广州市亟待解决的问题，在地域辽阔的番禺区为建筑废弃物消纳场选择最优的位置尤为重要[9]。

1.2 研究方法

本文采用层次分析法、熵权法、GIS 技术与0-1混合整数规划相结合的方法。首先采用 AHPEntropy 确定各个影响因素的权重[10]，其次利用GIS技术绘制出各个影响因素的分析图，最后应用0~1混合整数规划选出最佳位置。具体技术路线如图1所示[11]。

图1 技术路线

2 AHP-Entr opy 和GIS 模型的构建

2.1 AHP-Entropy 模型构建

首先确定出废弃物消纳场选址的影响因素；其次收集层次分析法和熵权法所需要的数据，该数据采用对专家问卷调查的方式获取（专家人数25 位，主要为从事工程管理、环境工程专业的高级工程师，以及来自高校的学者、专家）；再次建立分层模型，输入判断矩阵，对判断矩阵进行一致性检验，通过YAAHP 软件来计算出各个因素的最初权重；最后采用熵权法对权重进行优化，求出综合权重。

（1）确定建筑废弃物消纳场选址的影响因素。包括河网密度、地下水、坡度、地质等一系列自然环境因素，还应考虑到社会因素和经济因素，例如土地用途、距离居民点的距离、距离景点的距离、距离道路的距离、土地价格等。本文结合国家法律法规、广州市地方法规以及技术标准，确定了潜在影响因素。如表1 所示。

（2）确定权重。使用YAAHP 软件计算出初始权重，再使用Matlab 来计算熵值，得到综合权重。如表2 所示。

2.2 GIS 模型构建

从中国地理国情监测云平台、天地图等网络平台以及广州市规划和土地委员会、番禺区人民政府、中华人民共和国自然资源部等政府部门网站获取地理信息数据，然后对数据进行处理和分析。主要步骤：一是根据所获取的数据建立多环缓冲区；二是对每一环缓冲区进行编辑输入分数；三是将已经建立好缓冲区的各个图层进行叠加分析；四是将每个图层的综合权重输入字段编辑器，得到最终得分，分数越高表示越适合建立废弃物消纳场。

2.2.1 各个因素分析

根据各个影响因素的性质、类别，按照国家和地方政府颁布的法律法规、各项条例、技术标准等，在GIS 软件中建立多环缓冲区，对每层缓冲区进行打分。以1~5 分为评分标准，一些地区禁止建设消纳场，则对这些地区打1 分。

（1）与地表水的距离。依据《中国固体废物管理法》中规定消纳场与地表水之间的距离不得小于 500m，因此在地表水周围建立缓冲区，并按照缓冲区距离进行打分。本文中，距离地表水小于500m 的缓冲区得1 分，500~1000m 的缓冲区得2分，1000~1500m 的缓冲区得3 分，1500~2000m 的缓冲区得4 分，2000m 以上的缓冲区得5 分。

（2）与水源保护区的距离。根据《垃圾填埋场污染控制标准》规定，废弃物消纳场禁止建设在水源保护区内。因此，水源保护区内得1 分，其他地区得5 分。

（3）与特殊保护区的距离。根据《生活垃圾填埋场污染控制标准》《建筑余泥渣土受纳场建设技术规范》中规定消纳场不应建设在自然保护区内，应远离自然保护区。本文中，分配森林公园、自然保护区、国家重点文物保护单位、自然与文化遗产保护区缓冲区距离小于1000m 得1 分，1000~2000m 的缓冲区得2 分，2000~3000m 的缓冲区得3分，3000~4000m 的缓冲区得4 分，4000m 以上的缓冲区得5 分。

（4）生态敏感及脆弱区。分配生态敏感及脆弱区缓冲区距离小于500m 得1 分，500~1000m 的缓冲区得2 分，1000~1500m 的缓冲区得3 分，1500~2000m 的缓冲区得4 分，2000m 以上的缓冲区得5 分。

（5）基本农田保护区。根据《生活垃圾填埋场污染控制标准》，禁止将废弃物消纳场建设在基本农田保护区内。因此，基本农田保护区内得1 分，其余地区得5 分。

（6）海拔和坡度。坡度越大，建设成本就越高，根据《全国土地利用现状调查技术规程》，分配坡度大于25°的区域得1 分，15°~25°的区域得2分，6°~15°的区域得3 分，2°到6°的区域得4 分，坡度小于2°的区域得5 分。同样将海拔从低到高分为5 级，从最高到最低得分分别为1 分、2 分、3分、4 分、5 分。

同理，其他因素如与景点的距离、与居民的距离、与主要公路的距离、土地价格，根据相关规范和标准，制定了1~5 分的打分分值。

2.2.2 适宜性分析

在GIS 软件的支持下，综合考虑各个影响因素的权重，进行叠加分析，计算出了最适合建立建筑废弃物消纳场的区域。最适宜区域面积为2048 万m2，占番禺区总面积的3.8642%。在对适宜区域的交通道路条件、周围建筑状况等因素进行实地考察之后，筛选出符合要求的消纳场备选场址，一共4处，对应的编号及坐标分别为M1（113.446453，23.070223）、M2（113.44582，22.935908）、M3（113.295864，22.92762）、M4（113.439617，23.007483）。备选场址位置如图2 所示。

表1 建筑废弃物消纳场选址的潜在影响因素

表2 各个影响因素的综合权重

3 整数规划模型构建

3.1 基础数据的确定

根据番禺区行政区划，番禺区共有6 镇10 街，依据建设工程的建筑规模、竣工面积和拆除面积估算出2018 年各个镇、街道建筑废弃物年产量。根据对建筑废弃物产量的估计，整个番禺区预计年产量将超过100 万t。本文参考王秋菲[12]的预测方法，番禺各行政区建筑废弃物年产量预计值如表3 所示。

根据广州市城管委发布的《广州市建筑废弃物填埋场布局规划》，番禺目前已有一处建筑废弃物处理厂，位于番禺区化龙镇广汽智联新能源汽车产业园地块二期。

图2 备选场址位置

3.2 模型假设

本文建筑废弃物消纳场选址问题是在一个确定区域内，从备选地址中选出最合适的一处，达到各消纳场与各物流节点之间形成的总费用最小的目的。

表3 番禺区各镇、街道建筑废弃物年产量预计值

假设1：消纳场到废弃物处理场、建材市场、废弃物产生源的单位运输价格和运输距离为已知。

假设2：各废弃物产生源所产生的量已知，且所有产生的废弃物均被运输至消纳场。

假设3：各消纳场的数量和容量是有限的。

假设4：建筑废弃物处理场的年需求能力已知。

假设5：各消纳场的固定成本、运营费用已知。

假设6：本文各个网络节点不再单独计算除建设成本、回收成本、存储成本、运输成本、销售成本之外的其他成本。

假设7：废弃物的运费与运距简化为线性关系。

3.3 参数设置

（1）费用界定。各个环节的费用考虑以下4种：回收费用即从废弃物产生源将废弃物回收到各消纳场的费用；运输费用即从各消纳场运输到废弃物处理场的费用；销售费用即从各消纳场销售到各建材销售市场的费用；放置费用即各消纳场暂时放置建筑废弃物所产生的费用。总费用主要包括回收费用、运输费用、销售费用、放置费用四部分。

（2）规范变量。A：回收费用；B：运输费用；C：销售费用；D：放置费用；Xij：废弃物产生源Wi运至各消纳场Fj所产生的单位运输费用；Pij：废弃物产生源Wi运至各消纳场Fj的废弃物数量；Tjq：从各消纳场Fj销售至建材销售市场Vq的单位销售费用；Ljq：从各消纳场Fj销售至建材销售市场Vq的废弃物数量；Yjk：从各消纳场Fj运至废弃物处理场Rk的单位运输费用；Qjk：各消纳场Fj运至废弃物处理场Rk的废弃物数量；Sj：各消纳场Fj的单位放置成本；Hj：新建消纳场Fj需要的固定成本。

（3）建立模型。通过上述定义，结合0~1 整数规划模型建立如下的模型。

约束条件：

各废弃物产生源（Wi）运出的最低废弃物量（Ti）。

各废弃物产生源（Wi）运至各消纳场（Fj）废弃物量不应大于其存储能力（Uj）。

运至各废弃物处理厂（Rk）的废弃物总量必须小于或等于其处理能力（Ek）。

从各消纳场（Fj）运输进来的可回收建材应当小于或等于销售市场（Vq）的需求总量（Mq）。

各消纳场（Fj）运输出去的废弃物总量等于运进的废弃物总量。

进行优化后，其中消纳场中转的废弃物总量等于零的应舍弃，而选中的消纳场废弃物中转数量应大于零。

备选消纳场Fj被选中时，Zj=1；备选消纳场Fj被舍弃，Zj=0，其中上面式子里的G 是一个非常大的正数。因为Pij废弃物运输量是一个非负数，所以Zj=0 时，Pij=0 是指消纳场Fj被舍弃；Zj=1 时，因为G×Zj为一个非常大的正数，所以Pij是有限数值，表示Fj。

将式（7）中的函数和各项约束条件式（8）~式（13）输入LINGO 软件进行求解。

3.4 模型结果分析

（1）目标函数分析。LINGO 运算出的最优解函数值为47983.8，迭代次数为343 次。从运算结果中可以看出M3 被选中。

（2）松弛变量和对偶变量分析。通过对模型进行优化计算，对各街道、镇的松弛变量和对偶变量分析，确定对物流回收网络产生显著影响的地区。这些地区对物流网络中每个节点的控制及评价决策方案时都十分重要。各个街道的松弛变量和对偶变量如表4 所示。

表4 各个街道松弛变量和对偶变量

由表4 可以看出，广州市番禺区各个街道、镇废弃物产生源的松弛变量全部等于0，对偶变量全部小于0，这表示当各个街道、镇废弃物产生量增加时，处理建筑废弃物所产生的费用同时会相应增加。可以看到石壁街道、钟村街道、大龙街道辖区对偶变量值相对较大，说明如果这些区域废弃物产生量发生微小的变动，就会直接影响到广州市番禺区废弃物处理的相关费用，所以要密切关注和控制这些区域废弃物的产生量。

各个消纳场松弛变量和对偶变量如表5 所示。

表5 各个消纳场松弛变量和对偶变量

表5 中的松弛变量表示的是这4 个备选消纳场存储能力在最优解的条件下是否还有余量，其中M3 消纳场松弛变量为9.48，对偶变量为5.799535，证明M3 消纳场得到了充分的利用，剩余存储容量仅为9.48 万t，且其存储能力变化会对番禺区整个建筑废弃物回收系统造成很大影响。如果适当减少其容量，会使处理废弃物所产生相关的费用进一步减少。M1、M2、M4等备选消纳场的松弛变量和其存储能力相等，而且对偶变量等于0，表示其有大量储存量剩余，没有得到充分利用，从长远的规划分析，没有在这些区域建设废弃物消纳场的必要。

4 探讨

在环境因素上，本文考虑到了地表水、水源保护区、森林公园、自然保护区、国家重点文物保护单位、自然与文化遗产保护区、热带雨林、重要湿地、珍惜动物栖息地、基本农田保护区、海拔、坡度，由表2 可知，其中占比最高的因素为与水源保护区的距离，权重达到了0.1980，之后是与基本农田保护区的距离，权重达到了0.1799。建设废弃物消纳场首先应考虑到附近的水源保护区，而且在建设时不能侵占农田保护区。

在社会因素上，本文考虑到了人文景点（占比0.0001）、自然景点（占比0.0005）、历史文物（占比0.0003）、城市居民（占比0.1202）、农村居民（占比0.0207）。但是，在社会因素方面还应该考虑到邻避效应，因为产生邻避效应之后会对消纳厂的建设造成极大的影响，甚至诱发集众冲突等恶性事件。

在经济因素上，本文考虑到了与主要公路的距离（占比0.1110）、土地价格（占比0.0328）。广州番禺区范围内河流众多，珠江是其范围内第一大河流，所以在废弃物运输方式上同时可以考虑水运。一些建筑废弃物消纳场可以生产各种环保砖等再生建筑资源，这些收入也可以并入消纳场效益。政府部门政策的开放度以及对于生产此类再生资源的补贴也应该考虑进经济因素中，比如各地政府建设厅对于此类项目用地审批手续应有政策倾斜，简化审批手续，提供补贴等。

5 结语

本文以广州市番禺区为例，对影响建筑废弃物消纳场选址的因素进行了识别，并采用AHPEntropy计算了各因素的权重，借助GIS技术和整数规划，建立了建筑废弃物消纳场选址优化模型。研究结果表明：为确保废弃物消纳场不会设在诸如水源保护区、农田保护区、重要湿地等这些敏感地带，广州番禺区建设废弃物消纳场最适宜区域的面积为2048万m2，占番禺区总面积的3.8642%。使用整数规划模型在现有的建筑废弃物物流网络条件下，综合考虑建设成本、回收成本、存储成本、运输成本、销售成本等，确定了建筑废弃物消纳场的理想数量是建立1座建筑废弃物消纳场，建议容量为100.52万t。因为建筑废弃物消纳场属于邻避型设施，本文考虑到了当地居民对建设废弃物消纳场的影响，减少了本地居民对于建设的抵制，以保障项目能够顺利进行，并尽可能减少建设和运营成本。