基于AHP的福州市垃圾中转站空间布局分析与评价

陈熠民，江辉仙，骆泳婷，叶福伟，赖春雨

（福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007）

近年来，福州市大力实施“东进南下、福州向海”的发展战略，社会经济快速发展，但城市垃圾中转站的布局存在一定滞后，原有的垃圾中转站布局不能很好地适应不断扩大的城市建成区面积和日益增长的人口数量。许多新建的商圈、小区缺乏垃圾转运配套设施，城市垃圾产生量的迅速增加与垃圾转运设施布局不合理之间的矛盾越来越突出[1]，受到社会各界的广泛关注，若能优化当前的垃圾中转站布局，将有助于消弭这一矛盾。

垃圾转运是生活垃圾管理的重要环节，直接影响着垃圾管理系统的运转效率。在垃圾转运环节中，中转站具有举足轻重的地位，不当的中转站选址不仅会大大增加生活垃圾运输费用，而且会影响城市建设格局，破坏城市景观。国外对城市生活垃圾转运系统的研究起步较早，通过运用数学模型加运筹学物理理论等对其进行优化管理，取得了许多研究成果。Bratly等于1983年创建了模拟模型，用计算机模拟转运系统，得到了最优的转运方案[2]。1985 年，Yurteri 和Siber 就垃圾转运站选址问题建立了具体的线性方程模型[3]。1988年，Kirca 建立了更加精确的数学模型，提出转运站位置的确定方案，而且解决了转运站的数量问题[4]。20世纪90年代，Chang和Wang突破传统模型中只考虑经济收益的问题，在固体废物管理的选址分配模型中综合考虑了环境因素，建立的“混合整数线性规划模型”最具代表性和影响力，并且在现实中得到应用[5]。进入21世纪，国外学者的关注点更多侧重于如何以最低能源消耗实现垃圾收集运输。国内起步相对较晚，但充分利用了现有资源，并结合GIS和建模仿真等新兴的科学方法，研究进展可观。目前，GIS技术在实现垃圾收运路线确定及垃圾中转站的选址优化中发挥的作用愈发显著。陈朱蕾采用线性规划的数学模型来描述转运站垃圾调运及选址问题[6]。吕新福等从系统研究的角度出发，同时研究固体废弃物回收中转站的选址和废弃物运输路线的安排，建立了垃圾转运站选址路径规划问题的PLRP-IF 模型，对垃圾转运站的选址和路径问题进行优化[7]。贾传兴等首先应用集合覆盖模型确定垃圾中转站的待选点，再用整数规划模型从待选点中选出垃圾中转站的最优组合[8]。马艳等采用目标满意度算法，针对具体候选垃圾压缩站选址问题进行定性和定量相结合的决策分析[9]。张向和和彭绪亚利用Hotelling 线性城市模型和Bertrand博弈分析了垃圾处理场的选址与定价决策[10]。陈璇璇等、王金华等从自然环境和社会影响等方面综合分析了影响垃圾填埋场选址的因素[11-12]。王利娟等结合垃圾收运模式和地下物流特征建立混合整数数学规划模型用于垃圾中转站选址[13]。杨帆等建立基于Minisum（经济成本最小化）和Maximin（生态质量最大化）二重标准分析的垃圾中转站选址评价体系并提出优化建议[14]。衡婷利用模糊德尔菲法对城市生活垃圾分类转运站选址指标体系进行了选择[15]。

鉴于垃圾中转站选址牵涉到自然环境、社会经济、临近设施影响和城市规划布局等多方面因素，本研究在利用GIS空间分析技术的基础上结合AHP确定多个影响因子的权重构建评价体系，对福州市城区垃圾转运站的空间布局进行评价与优化。

1 研究数据与研究方法

1.1 研究区概况

福州市位于北纬25°15′—26°39′，东经118°08′—120°31′，地处中国东南沿海、闽江下游，西靠三明市、南平市，南邻莆田市，北与宁德市接壤，东与台湾省隔海相望，是福建省政治、经济和文化中心。研究区面积为196.8 km2，常住人口为242万人。

1.2 数据来源与预处理

根据调研成果确定垃圾中转站选址的影响因子，获取人口、道路、坡度、城市绿地、水域和城市总体规划等相关数据。利用Python爬虫脚本获取高德地图上有关福州市城区的POI数据，将垃圾中转站POI数据与福州市政务数据开放平台获取的现有垃圾中转站一览表进行整合。对各个渠道获取的数据进行整理，通过数据清洗、坐标统一、投影转换和数字化等操作，将其转换为ArcGIS软件可以读取的数据格式，从而建立空间参考统一的地理数据库，作为后续区域避让分析和适宜性分析的数据源。使用到的数据如表1所示。

表1 本研究使用的相关数据Table 1 Related data used in the present study

1.3 研究方法

1.3.1 层次分析法

层次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）是一种定性和定量相结合、系统化、层次化的分析方法，适用于处理复杂的决策问题。层次分析法在选址评估中具有一定的优势，已经被广泛应用于多类公共基础设施选址中，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，且将层次分析法与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的研究更为缺乏。因此，本研究利用AHP模型构建福州市主城区垃圾中转站空间布局的评价指标体系。

垃圾中转站应当符合城乡总体规划和环境卫生专项规划的要求，综合考虑服务区域、服务人口、转运能力、转运模式、运输距离、污染控制和配套条件等因素的影响，应设在交通便利、容易安排清运线路的地方，应满足供水、供电、污水排放和通信等方面的要求。另外，垃圾中转站不宜设在大型商场、影剧院出入口等繁华地段和邻近学校、商场、餐饮店等群众日常生活聚集场所及其他人流密集区域。通过文献分析法，初步确立影响城区垃圾中转站空间布局的主要因子。依据《生活垃圾转运站技术规范》[16]，结合线上线下各个渠道所收集到的有关福州市城区垃圾中转站实际情况的资料，从自然、社会经济、临近设施和交通与城市规划四个层面确定影响垃圾中转站空间布局的具体因子。其中，自然层面包括风向和坡度2个因子，社会经济层面包括垃圾产量和人流量2个因子，临近设施层面包括公园绿地、河川水系、机关单位、医疗机构、学校、商业中心和公共卫生间等7个因子，交通、城市规划层面包括道路和用地规划2个因子。模型构建完成后，采用层次分析法对各具体因子的权重进行计算[17]。构建的AHP模型如图1所示。

图1 构建的AHP模型示意图Figure 1 Schematic diagram of the AHP model

1.3.2 缓冲区分析、欧氏距离分析等GIS空间分析方法

汇总各个渠道获取的数据，建立地理数据库。将获取的研究数据进行变换和处理，利用缓冲区分析确定适宜建设范围，借助欧氏距离分析确定避让区域，建立泰森多边形确定垃圾量的密度，最后结合权重得到最终的适宜性结果，并作相关分析与讨论。

2 福州市垃圾中转站空间布局分析与评价

2.1 垃圾量密度分析

利用泰森多边形工具处理人口调查样本点数据，得到人口分布多边形。根据所查询资料，估算福州市城区每日每人平均产生1.16 kg垃圾，得到垃圾量密度分布栅格图。本研究根据数据特点将得到的栅格图进行重分类，重分类采用自然间断点法，共分为10类（图2）。

图2 福州市垃圾量密度分10级的泰森多边形图Figure 2 Thiessen polygon map with 10 levels of waste volume density in the urban area of Fuzhou

2.2 权重计算

采用专家打分法，邀请多位专家进行打分，采用层次分析软件的“群决策”功能计算专家问卷的结果，将各专家排序向量加权算术平均，得到“自然”“社会经济”“临近设施”“交通、城市规划”四个层面各因子的相对权重。各指标的具体权重值如表2所示。

表2 各指标权重分配表Table 2 The weight distribution list of each index

2.3 允许建设区域分析

对道路数据进行缓冲区分析，将分析结果与提取的住宅区和工业区数据作相交处理，得到允许建设区域范围。目前，福州城区的垃圾中转站面积大多为100～500 m2，基本不超过3 000 m2。将面积开方得到中转站平均长宽小于50 m，故将所有道路缓冲区距离统一设为50 m。福州市城区垃圾中转站允许建设区域如图3所示。

图3 福州市城区垃圾中转站允许建设区域示意图Figure 3 Map of permitted construction area of garbage transfer station in the urban area of Fuzhou

2.4 临近设施避让分析

考虑到垃圾中转站应与学校、商场、医院、政府机关、河流、公园绿地等保持一定距离，故对“学校”“商场”“医院”“政府机关”“公园绿地”“河川水系”等临近设施避让因子进行欧氏距离分析，继而再进行重分级分析。参照朱超平等提出的分级方法[18]，将级数全部设为5级，重分级的间隔如表3所示。根据各个因子的相对权重值进行栅格代数运算，将临近设施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，得到临近设施避让等级图，如图4所示。

表3 欧氏距离分析重分级间隔Table 3 Euclidean distance analysis reclassification interval m

2.5 确定最终适宜性结果

对垃圾量密度重分级结果与临近设施避让等级结果进行栅格代数运算，将二者分别乘以相对权重值后相加，得到垃圾中转站适宜建设等级结果。将其与允许建设区域结合，得到福州市城区垃圾中转站建设区域适宜性分析结果，如图5所示。

图5 福州市城区垃圾中转站建设区域适宜性分析结果图Figure 5 Suitability analysis results of garbage transfer station construction in the urban area of Fuzhou

3 应用实验讨论

3.1 现有垃圾中转站的评估

福州市城区现有45个垃圾中转站，如图6所示。将现有中转站的空间数据与适宜性分析结果进行综合处理后发现，阵坂转运站、宁化转运站、南湖转运站、十二桥转运站、红星转运站和港头转运站等垃圾中转站处于适宜性等级较低的区域，属于位置分布较不适宜的中转站。

图6 福州市城区现有垃圾中转站分布图Figure 6 The distribution map of current garbage transfer stations in the urban area of Fuzhou

3.2 垃圾中转站的优化

依据适宜性分析结果，建议将位置分布较不适宜的中转站进行迁移，并新建若干垃圾中转站。优化后的垃圾中转站分布如图7所示。新选址所在地交通条件优越，不仅能解决原站点垃圾转运车辆进出困难的问题，还能有效改善原站点周边的环境，提高居民的生活质量。优化方案综合考虑了城市建设规划、建设新站点可能产生的拆迁成本、新中转站与原有中转站的距离（确定各个中转站的服务范围）、道路等级是否方便垃圾车出入等因素，对垃圾处理效率的提高和城市环境的保护有一定意义。例如，晋安区六一路洋下新村路段的洋下转运站建于上个世纪，周边道路狭窄，垃圾清运车辆通行不便，已给小区居民带来了噪音污染和空气污染等问题，对居民的生活质量造成了一定影响，建议将其迁建至距离约3 km的晋安区浦下路附近。

图7 福州市城区优化后的垃圾中转站分布图Figure 7 The optimized distribution map of garbage transfer station in the urban area of Fuzhou

4 结语

本研究针对垃圾转运系统中的中转站选址问题，考虑研究区域的实际情况，利用AHP建立模型，与GIS空间分析方法相结合进行垃圾中转站选址的评估与优化。结果表明，利用AHP能够更为准确地确定垃圾中转站选址的影响因子，避免干扰，从而满足分析需求；利用GIS的空间分析方法能够对垃圾中转站选址进行快速评估，并提出优化方案。在福州市“东进南下”战略进一步实施、“十四五”即将开局的当下，如何解决好城市不断扩张带来的垃圾处理问题十分重要。本研究可为政府有关决策部门选址新建垃圾中转站及对现有站点进行优化提供有益的参考。