合肥市垃圾中转站适宜区评价及精细化规划

张世文，鲁胜军，陈方可，王 阳，刘 俊

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学安徽省高潜水位矿区水土资源综合利用与生态保护工程实验室，安徽 淮南 232001)

城市垃圾中转站建设是促进城市社会、经济、文化发展及环境保护的重中之重。《合肥市国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出，要将合肥市打造成长三角现代服务中心、数字化转型城市范例、具有人才吸引力的“强磁场”及宜居宜业等全方位共同发展的城市。这意味着未来合肥市城市发展必然会对生活垃圾的收集、转运及处理提出更高的要求。垃圾中转站作为垃圾处置系统中重要的一个环节，对城市环境保护与经济发展具有不可或缺的作用[1]。

然而，垃圾中转站的选址不合理，会导致后期运行成本高，对周边环境产生污染。因此，垃圾中转站优化选址十分重要。对此，目前已有诸多研究：文献[2]采用SPSS时间序列预测模型对重庆市未来10a垃圾产量进行预测，相对误差在10%左右;文献[3]将ARIMA模型应用到生活垃圾产量预测方向，以深圳市某行政区2004～2012a逐月生活垃圾产量为基础数据,建立了关于生活垃圾产量预测的ARIMA模型。ARIMA模型预测精度相对于其他预测模型更高[4]。文献[5]综合考虑城市垃圾收运系统特点,从数学的角度，对垃圾中转站选址进行研究；文献[6]利用传统费用模型，分析了基于不同情境下的医疗废弃站的适宜性；文献[7]基于GIS技术，利用最邻近指数测度法，定性与定量相结合，对高校内部ATM网点的选址进行了优化选址研究；文献[8]基于多角度分析考虑，建立了一套适用于评价“无废城市”固体废物综合处理产业园建设水平的指标体系；文献[9]对现有城市生活垃圾收集网络进行设计，强调了距离与垃圾中转站空间分布与收集效率之间的关系；文献[10]将AHP与GIS结合，分析了基于聚落分析的选址适宜性。目前对于垃圾中转站的研究主要集中在对其周边环境影响及大范围的适宜性评价方面，但对于不同地区如何精细化确定垃圾中转站建设位置，及根据ARIMA时间序列预测模型如何调整垃圾中转站现有布局与规划未来布局等方面的研究相对较少。

本文在以上研究基础上，以合肥市中心城区为研究对象，结合时间序列模型预测结果，推测各行政区未来可能会产生的转运缺口。通过建立垃圾中转站适宜性评价体系，将垃圾中转站新增数量与适宜性建设地址相结合，分析现有垃圾中转站分布情况，对已有站点进行调整，并进一步开展垃圾中转站精细化选址规划，以期为城市规划的政府决策提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于合肥市中心城区，属于中国华东地区，总面积677.56km2，是合肥市主要生活垃圾产生区域。地域内地形地貌复杂多变，具有丘陵岗地、低山残丘、低洼平原3种地貌。合肥市是长三角城市副中心、皖江城市带核心城市，到2020a底，全市GDP总量达到10 046亿元，人口突破1 039万人，生活垃圾以平均每年5%～8%的速度快速增长[11](见图1)。

图1 研究区位置与中心城区行政区划

1.2 研究方法

(1)时间序列模型构建 ARIMA模型作为一种成熟且常用的预测模型，其通过差分法将非平稳时间序列平稳化，可克服AR模型和MA模型只能处理平稳时间序列的缺点[12]，对于短期预测效果十分显著。ARIMA(p，d，q)模型是利用ARMA(p，q)模型在处理后的平稳新时间序列进行建模。p为自回归项数，d为使之成为平稳序列所作的差分次数，q为滑动平均项数。ARIMA(p，d，q)模型数学形式如下

φ1(B)▽dXt=θ(B)εt

式中：φ1(B)为自回归算子；Xt为响应序列；B为后移算子； ▽为差分算子；t为时间；p、d、q为自回归阶数；θ(B)为滑动平均算子；εt为零均值白噪声序列。

模型构建步骤：

1)序列平稳性分析 本文利用差分法对已有数据进行平稳化处理，使建模数据符合时间序列建模的前提。

2)模型识别与定阶 对平稳后的序列进行自相关(ACF)与偏自相关性(PACF)分析。其中自相关是用来衡量统一信号在不同时刻取值的相关程度，可以分析出信号中的噪声并加以去除；偏自相关是剔除干扰后时间序列观察与先前时间步长时间序列观察之间关系的总结。根据自相关(ACF)与偏自相关(PACF)图来估计自相关阶数p与移动平均阶数q的值，以此确定各行政区模型进行拟合，选定备选模型(见表1)。对备选模型拟合度进行比较，本文选取平均绝对百分比误差(MAPE)、正态化BIC和均方根误差(RMSE)作为拟合优度比较指标。

表1 模型阶数选择标准

3)模型检验 在通过模型识别与定阶后，对模型进行残差序列检验分析。合适的ARIMA模型应拟合线性成分，其残差序列因表现为白噪声序列，拟合模型才有效，方可用于预测[13]。其中白噪声序列是指白噪声过程的样本实称，其自相关函数为0，简称白噪声。本文通过残差序列的自相关ACF图与偏自相关PACF图，分析其图形特点，判断其是否属于白噪声序列。

4)模型预测 本文基于已通过检验的模型，利用合肥市中心城区4个行政区2010～2019a生活垃圾产生量对合肥市2020～2025a生活垃圾产生量进行预测。

(2)适宜建设区评价方法构建

1)适宜建设区指标体系建立与指标分级 以社会因素、自然环境因素、交通因素及经济因素4个方面来构建垃圾中转站建设适宜性评价体系，参考《城市环境卫生设施规划标准》《市容环卫工程项目规范》及相关文献，运用频度分析法及专家咨询法对评价指标进行筛选，选取能够充分反映垃圾中转站各因素特征的指标。

从社会因素上考虑，因垃圾会滋生蚊蝇及细菌， 影响周边居民的身心健康[14]，应综合考虑政府颁布与垃圾中转站相关的法律法规及建设标准。因此，选择人口密度及土地利用类型作为社会因素，使垃圾中转站建设在人口密度较小区域。通过对合肥市现有垃圾中转站周边人口密度进行调查，结合合肥市中心城区人口密度分布图， 将人口密度分为0～500、500～1 000、1 000～1 500、1 500～2 000以及2 000以上5个等级。土地类型依据上述标准及规范，分为不适宜及高度适宜两类。

地形条件对建设成本、 运营成本和维护成本产生影响， 平坦的地形有利于减少各方面的能源损耗，同时为体现合肥市内多变的地形因素对垃圾中转站建设适宜性的影响，选取地形坡度作为自然环境因素指标。参考文献[15]在研究垃圾中转站选址中对于地形坡度的研究，结合合肥市中心城区地形坡度情况，将合肥市地形坡度分为0°～2°、2°～4°、4°～6°、6°～8°及8°以上。

为了使垃圾中转站能长期正常运行，降低运输成本，建设地址距离城市道路不能太远[16]。因此选取道路距离作为交通因素。因垃圾中转站不能建设在立交桥与主干道路边，参考文献[17]对于垃圾中转站交通要素的研究，选取500～1 000m作为垃圾中转站最佳建设距离。通过文献[18]对于垃圾中转站经济因素的研究，垃圾中转站应当建设在垃圾产生源头附近，选取学校与商场等人流量较大的区域作为垃圾产生源，同时考虑到合肥市作为大力发展科研创新的城市特点，科研用地也作为垃圾产生源之一。从经济效益上考虑，尽量缩短中转距离，一般希望垃圾源距大中型中转站的距离平均不超过5km。在文献[19]对于城市垃圾中转站选址研究中，运输距离每缩短1km，垃圾运输油耗可减少15L·t-1。因此距道路距离、距科教用地距离和距商场距离3个指标以1km为标准进行分级。

以人口密度、土地利用类型、地形坡度、距道路距离、距科研教育用地距离、距商场距离六个指标，指标分级及赋分规则依据上述文献及标准，构建合肥市中心城区垃圾中转站建设区适宜性评价体系，具体结果如表1所示。

2)适宜建设区指标权重确定 为了能更加客观地确定适宜建设区各指标权重，在对各指标重要程度初步排序的基础上，通过专家打分法确定评价指标的相对重要性，在各层间创建指标对比的两两判断矩阵，然后检验判断矩阵的一致性，确保在两两比较过程中没有出现偏差[20]，运用AHP(层次分析法)[21]来客观地体现各评价指标的权重。为了确保根据每个指标的相对重要性对其进行评估，本研究根据每个指标的相对重要性、各指标使用可变数值范围，来比较一个指标与另一个指标(见表2～表4)，邀请了城市设计、城市规划、转运站设计等专业领域7位专家评价，构建判断矩阵，计算各层指标权重。

表2 准则层判断矩阵

表3 社会因素的判断矩阵

表4 经济因素的判断矩阵

本文对适宜建设区权重设置是在常规范围内进行评价，是各影响指标的权重占比，当出现某一指标超标且存在致命性危害，采取一项否决制，直接评价为不适宜，综合上述打分结果如表5所示。

表5 合肥市中心城区垃圾中转站建设适宜区评价指标体系

3)适宜性加权求和综合分析法 基于垃圾中转站建设受到多种因素影响，其适宜建设区是多指标共同作用下的结果，明确各指标权重对于垃圾中转站适宜建设区整体评价的影响大小，通过加权求和，从而计算出适宜建设区的综合指数，进一步确定合肥市垃圾中转站适宜建设区的适宜性等级大小及空间分布情况。计算公式如下

i=1,2,3,…n

式中:S为合肥市垃圾中转站各影响指标适宜性综合指数，Ni为第i个指标的适宜性综合指数，Wi为第i个指标的适宜性对合肥市垃圾中转站适宜性评价的影响权重，n为垃圾中转站适宜性评价所考虑的指标个数。

通过以上综合分析，可以确定评价单元在ArcGIS支持下，通过欧氏距离、空间叠置等进一步将适宜建设区评价结果分为5个等级： 不适宜(0～20)、 低适宜(20～40)、 中适宜(40～60)、 适宜(60～80)、高度适宜(80～100)。

2 结果与分析

2.1 产量预测

(1)时间序列特征分析与定阶 通过平稳性检验，根据自相关分析图，在横坐标为2以后序列的自相关系数全部落入可信区间，并逐渐趋于0。根据ACF图测定时间序列随机性和平稳性的准则，可认为原始序列具有平稳性和随机性[22]。

为了找到最佳阶数，通过ACF图与PACF图，综合考虑最小值准则(BIC)对瑶海区模型最佳阶数进行选取。对瑶海区模型拟合度进行检验，通过分析，初步判断瑶海区备选模型为：ARIMA(1,1,2)模型或ARIMA(0,1,2)模型。通过拟合度检验，ARIMA(1,1,2)模型正态化BIC为2.140，MAPE为3.020、RMSE为1.522；ARIMA(0,1,2)模型正态化BIC为1.675，MAPE为3.066、RMSE为1.374。综合考虑，选取ARIMA(0,1,2)为最优模型。

图2 生活垃圾产生量相关性图

(2)模型适应性检验及产量预测 通过残差序列的ACF图与PACF图(见图3)确定ARIMA(0,1,2)属于白噪声序列，因此该模型可以用于瑶海区生活垃圾产量预测。

图3 残差序列相关性图

基于上述过程，对庐阳区、蜀山区和包河区垃圾产生量分别建模，分析得出庐阳区ARIMA模型为ARIMA(0,1,2)、蜀山区ARIMA模型为ARIMA(1,1,2)、包河区ARIMA模型为ARIMA(0,1,2)。通过各行政区模型对2020～2025a生活垃圾产生量进行预测，预测结果如表6所示。

表6 各行政区生活垃圾产生量预测值

由表6看出，2020～2025a瑶海区、庐阳区、蜀山区和包河区生活垃圾产生量呈增长趋势，且增幅逐渐变大。蜀山区生活垃圾产生量远远高于其他3个行政区，瑶海区生活垃圾产生量最小，这可能是由于蜀山区区域面积占比较大，区内人口数量相对较多，存在众多的工厂企业。因此，蜀山区生活垃圾产生量远高于其他3个行政区。

2.2 适宜建设区评价与初步规划

1)垃圾中转站适宜建设区评价结果 基于垃圾中转站各指标适宜性权重，通过ArcGIS确定各指标空间分布情况(见图4)，该方法与文献[23]研究结果一致。由图4可知人口密度由低到高呈现面状收缩，由西南向东北逐渐升高。这是由于庐阳区与瑶海区是合肥市的主要居住区，区内小区密集，而蜀山区与包河区内部工厂企业数量较多，且存在大片的公园绿地，因此人口密度相对较小。合肥市中心城区地形坡度变化复杂，起伏不定，土地利用类型适宜建设区域较为集中，形成了四大块适宜建设区域。距道路距离的高度适宜区面积成环状分布，且面积较小。距科教用地距离适宜区主要在合肥市中心城区边界附近，这是由于合肥市对于科研教育事业的重视，因此高适宜性区域主要集中在边界区域。

图4 各指标适宜性区域空间分布

将各指标按各自权重进行叠加，最终得到合肥市中心城区适宜性图(见图5)，其中高度适宜区域主要集中在中心城区的4个角落，不适宜区域面积占比较大，这是由于该区域存在致命性危害，该区域用地类型主要为居住区、水库、水域等禁止建设用地。根据上述方法中的一项否决制，直接将其评价为不适宜区域。东北区域高度适宜建设区主要是由该地区坡度与土地利用类型主导的，地区坡度主要集中在0°～6°，坡度适宜性较高，同时具有大块的适宜建设的土地利用类型，因此形成了东北适宜建设区。西南区域的高度适宜建设区是由土地利用类型、距商场、道路距离及人口密度共同主导的。该区域存在指标为高度适宜，同时主导指标高度适宜性在该地区分布面积较广，综合导致该区域存在大面积的高度适宜建设区及大量适宜建设区，从而形成西南适宜建设区。西北与东南两个区域适宜面积较少，是由于该区域适宜建设的土地利用类型较少导致的，同时西北地区距道路、商场及科教用地距离适宜性不高，但较低的人口密度、地形坡度与土地利用类型提高了其综合适宜性，最终形成了两块面积较小的适宜建设区。

图5 适宜性评价

将合肥市中心城区现有14个垃圾中转站在图中显示，除蜀山区经济开发区、淠河路、金湖及天智路垃圾中转站不在适宜区范围内，其余10个垃圾中转站皆在适宜区域。根据这4个垃圾中转站建设年限，可能是合肥市近年经济的快速发展与人口的迅速增长，尤其是近年来合肥市对于城市区划的调整，导致该区位垃圾中转站位置适宜性产生变化。

根据城市环境卫生设施规划标准(GB/T 50337-2018)[24]，基于适宜性评价结果，选择适宜区及高度适宜区作为拟建设地点，综合考虑合肥市垃圾转运站空间分布情况、垃圾中转站建设面积，初步选择了13个适宜建设地点(大型垃圾中转站选址带点7个、中型垃圾中转站选址点4个、小型垃圾中转站选址点2个)，具体分布如图6所示。

图6 垃圾中转站分布现状及初步规划

2.3 精细化规划布局

统计合肥市各行政区现有垃圾中转站转运能力，对比各行政区预测产量，结果如图7所示。

图7 四大行政区转运能力与预测量对比

由图7可知，至2025a，瑶海区无转运缺口，庐阳区有8.96万t转运缺口，蜀山区有29.84万t转运缺口，包河区有19.5万t转运缺口。为满足各行政区生活垃圾转运缺口，参考城市环境卫生设施规划标准(GB/T 50337-2018)，对于不同行政区进行相应分析。其中庐阳区需建设1座大型垃圾中转站或1座日转运能力在250t以上中型垃圾中转站；蜀山区需建立1座日转运能力在1 000t以上大型垃圾中转站或4座日转运能力在350t以上中型垃圾中转站；包河区需建立1座大型垃圾中转站或2座日转运能力在250t以上中型垃圾中转站。

在初步规划的基础上对3个行政区进行分析：庐阳区由于仅存1个垃圾中转站，且该中转站仅处在中适宜地区，因此需进行选址新建。蜀山区域内存在众多垃圾中转站，且部分垃圾中转站距离较近、设施老旧，同时区内存在两座建设在不适宜区域的垃圾中转站。对于距离接近、设施老旧及建设在不适宜区域的垃圾中转站，需采用小站并大站处理。结合蜀山区未来转运缺口，该区需要满足1 600t/d的生活垃圾转运需求。包河区存在1座建设在不适宜区的垃圾中转站及1座适宜的大型垃圾中转站，对于不适宜的垃圾中转站采取拆除处理。结合包河区未来转运缺口，包河区需要满足630t/d的生活垃圾转运需求。

为了能在模型中初步选取适宜性建设的13个地址，参考合肥市各行政区到2025a对垃圾转运能力的需求，通过选取距合肥市垃圾处理厂的距离、周边交通情况及拆除成本情况3个次级指标进一步筛选建设地址，使得垃圾中转站建设地址更加合理。其中交通情况以选址地位周边路网密集程度与道路等级来评定，拆除成本以选址区域地表有无建筑物以及该区域周边房价来进行评定，结合图6进行分析。

庐阳区1号点位距垃圾处理厂仅有23.06km、无拆除成本，周边存在市区一级道路与二级道路，交通运输状况相较于2、3号点位更为优越，因此庐阳区垃圾中转站选择在1号点位新建。蜀山区7号点位距肥西县垃圾处理厂仅20.51km，是蜀山区初步规划点位中距离最近的一个，且周边交通状况良好、无拆除成本。对比4、5、6三个点位，4号点位距北城垃圾处理厂31.05km，相比于6号点位的28.65km较远，比5号点位的32.77km较近。但5、6两个点位皆有拆除成本，且6号点位周边仅有两条市区二级道路。综合考虑下，选取4、5、7三个点位作为蜀山区垃圾中转站选址新建点位。包河区8号点位由于适宜性建设区域较小，只能建立小型垃圾中转站，无法满足包河区未来转运需求，因此将其排除。 对比9、 10、 11三个点位， 9号点位无拆除成本， 其余两个点位皆存在拆除成本，且9号点位距垃圾处理厂26.75km，仅比10号点位多0.41km，但其周边交通环境更为优越，存在2条市区一级道路、1条市区二级道路，因此选择9号点位作为包河区垃圾中转站选址新建点位。

综合对比拆除成本、周边道路等级(交通运输状况)及距离垃圾处理厂距离后，1号作为庐阳区区垃圾中转站选址新建点位，4、5、7三个点位作为蜀山区垃圾中转站选址新建点位，9号点位作为包河区垃圾中转站选址新建点。同时对不适宜区域垃圾中转站进行拆除，具体点位分布与建设规模如图8所示。

图8 合肥市垃圾中转站建设规划

规划建设垃圾中转站各区转运能力相对之前均有提升，其中蜀山区转运能力从原有的87.6万t/a提升至131.4万t/a，转运能力相比之前提升了50%，完全满足时间序列模型预测2025a对垃圾转运能力的117.44万t/a需求；庐阳区生活垃圾转运能力从原有的40.15万t/a提升至76.65万t/a，完全满足时间序列模型预测2025a对垃圾转运能力的49.11万t/a需求；包河区规划后转运能力从原来的54.75万t/a提升至91.25万t/a，满足时间序列模型预测2025a对垃圾转运能力的74.25万t/a的需求。由于在对各区大型垃圾中转站建设时，对其垃圾转运量都未按照最大规模计算，因此各区生活垃圾转运能力仍有提升空间，其中蜀山区生活垃圾转运能力最高可提升至186.15万t/a，庐阳区最高可提升至149.65万t/a，包河区最高可提升至164.25万t/a，这种预留可预防合肥市生活垃圾出现不规律的爆发式增长与2025a后垃圾转运量的进一步升高。

3 讨论

垃圾中转站选址问题一直是城市环境建设的重要一环，目前大多采用的传统选址方法往往仅仅从单一角度或以较为粗略的方式进行分析规划。本研究预测了合肥市未来6a生活垃圾产生量，以小尺度的基本单元进行了精细化的垃圾中转站适宜性选址规划，同时进行了合肥市现有垃圾中转站适宜性评价，14座垃圾中转站有10座在适宜建设区内，在一定程度上说明了适宜性评价的合理性，体现出本研究结果的可靠性。

本研究最终规划为：庐阳区新建1座大型垃圾中转站；蜀山区新建1座大型垃圾中转站、2座中型垃圾中转站，并对不在适宜建设区的3座垃圾中转站进行拆除；包河区新建1座大型垃圾中转站，拆除1座中型垃圾中转站。综合各区规划，最终形成合肥市中心城区垃圾中转站规划方案。从交通便利程度来看，新建的垃圾中转站均位于交通便利地区，降低了垃圾中转站日常运行成本，提高了生活垃圾运输效率，且结果与文献[25]在交通网络中的研究结果相一致；从社会政策来看，新建的垃圾中转站皆位于人口密度较小，符合国家规定建设用地类型的区域，一方面降低了垃圾中转站运行过程中对周边居民产生的环境危害，另一方面也符合国家的政策规定；从自然环境与经济角度来看，规划后的垃圾中转站在空间上分布更为均匀，建设位置更为平缓，距离生活垃圾产生源头更为接近，对比文献[26]在垃圾中转站运输过程中的研究，这些要素可以显著地提高垃圾中转站运行过程中产生的资源浪费与环境污染。因此综合来看研究区的垃圾中转站适宜性规划选址合理。

此外，该研究因合肥市不同行政区与不同规模垃圾中转站建造成本无法判断，各道路车流量数据较难获取，今后研究需进一步考虑建造成本与车流量等多种因素对建设地址选取的影响。

4 结论

本研究以时间序列模型预测结果与适宜性评价体系为基础，综合考虑了经济、自然环境、社会政策和交通因素对垃圾中转站选址的影响，并将研究尺度细化到区级单元，考虑各局部区域垃圾中转站的空间布局、拆除成本、距垃圾处理厂距离及周边交通环境，最终综合得出合肥市中心城区垃圾中转站建设规划。本研究提高了垃圾中转站选址的效率与精确度，同时也适用于其他类似区域的垃圾中转站选址研究，具有一定的通用性。