劉佳敏，梁致遠(yuǎn)，李月詩，肖 彬，焦繼宗*

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

由于經(jīng)濟(jì)、人口的增長(zhǎng)與快速城市化，導(dǎo)致了環(huán)境污染和垃圾生產(chǎn)的急劇上升．填埋是當(dāng)前我國最常用的垃圾處置方式[1]，而選址工作是防止產(chǎn)生垃圾滲濾液和其他污染物以及由此引起的健康和環(huán)境問題中至關(guān)重要的一步．蘭州市作為“兩山夾一河”的河谷型城市，地處黃土高原西端的半干旱區(qū)，用地矛盾突出，人地關(guān)系緊張[2]，合理的填埋場(chǎng)選址有助于蘭州市的可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)．

垃圾填埋場(chǎng)選址方法多樣，層次分析法(Analytical Hierarchy Process， AHP)以其對(duì)復(fù)雜決策問題系統(tǒng)的處理優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用[3]．Sumathi等[4]2008年發(fā)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System， GIS)也是一種非常實(shí)用的垃圾填埋場(chǎng)選址工具，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地理數(shù)據(jù)的空間分析，在選址的量化程度、結(jié)果精度和可視化強(qiáng)度方面都有一定優(yōu)勢(shì)．研究表明在過去的10年間AHP與GIS的集成框架是填埋場(chǎng)選址中最常用的[5]．但AHP采用兩兩對(duì)比形成判斷矩陣，計(jì)算權(quán)重時(shí)主觀性較強(qiáng)[6]．模糊邏輯采用模糊隸屬函數(shù)可進(jìn)一步降低AHP的主觀性，提升選址的可靠性[7]．胡玲燕等[8]基于模糊邏輯與AHP對(duì)城市生活垃圾處理模式進(jìn)行了分析．此外，國內(nèi)現(xiàn)有研究中，評(píng)價(jià)因子的采集較為局限，綜合自然地理、氣象環(huán)境、水文地質(zhì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多源數(shù)據(jù)的研究鮮見報(bào)道．基于密度的聚類算法包括DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)，HDBSCAN(Hierarchical Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)和OPTICS(Ordering Points to Identify the Clustering Structure)，OPTICS算法時(shí)間復(fù)雜度是DBSCAN算法的1.6倍，但它克服了臨近域半徑內(nèi)低密度簇包裹高密度簇的缺點(diǎn)，也不像HDBSCAN算法完全以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，分析按照一定規(guī)律分布的地物時(shí)，優(yōu)勢(shì)明顯[9].

文中著眼于蘭州市獨(dú)特的本底條件，建立多層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建基于GIS的FAHP適宜性選址模型，得到垃圾填埋場(chǎng)選址結(jié)果，并采用聚類算法分析其特征．

1 研究區(qū)概況

蘭州市位于甘肅省中部，為甘肅省省會(huì)，總面積13 085.6 km2，主要地貌類型為石質(zhì)山地和黃土丘陵，平均海拔1 520 m[9]．蘭州屬溫帶大陸性氣候，四季分明，晝夜溫差大，年平均氣溫10.3 ℃，年平均降水量327 mm[11]．蘭州市境內(nèi)主要為黃河水系，地表水資源總量323.25×108m3[12]，地下淡水資源比較缺乏．2018年度，蘭州市工業(yè)固廢產(chǎn)生量40.2×105t，城市生活垃圾96.27×104t(《蘭州統(tǒng)計(jì)年鑒2019》)．

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文中使用的空間數(shù)據(jù)主要分為3類：① 網(wǎng)站數(shù)據(jù)．植被指數(shù)、平均氣溫、年降水量、人口與GDP密度數(shù)據(jù)均來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)．居民區(qū)、機(jī)場(chǎng)、軍事區(qū)等邊界數(shù)據(jù)來自于OpenStreetMap等開源空間數(shù)據(jù)網(wǎng)站．自然保護(hù)區(qū)范圍來源于甘肅省林草局(http://lycy.gansu.gov.cn/)．② 矢量化編輯數(shù)據(jù)．地下水埋藏介質(zhì)為《甘肅省水文地質(zhì)圖》矢量化而來．③ 統(tǒng)計(jì)年鑒．地下水水質(zhì)與埋深、其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于統(tǒng)計(jì)年鑒．

2.2 研究方法

2.2.1 層次分析法(AHP) AHP模型主要由以下幾個(gè)步驟構(gòu)建：

1)建立多層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系．

2)構(gòu)造判斷矩陣．判斷矩陣兩兩對(duì)比確定其相互關(guān)系，如表1．其中，bij表示因子Bi對(duì)Bj的相對(duì)重要性的判斷值.bij可取1,3,5,7,9等5個(gè)等級(jí)標(biāo)度，2,4,6,8作為相鄰判斷的中值．

表1 判斷矩陣

基于判斷矩陣，可以求得每個(gè)因子的相對(duì)權(quán)重，而計(jì)算相對(duì)權(quán)重本質(zhì)上計(jì)算滿足(1)式的特征根λ和特征向量W[3]36：

BW=λmaxW.

(1)

3)檢驗(yàn)一致性.計(jì)算一致性指標(biāo)IC[3]37：

(2)

當(dāng)λmax=n時(shí)，表示該矩陣具有完全一致性．

計(jì)算一致性比例RC[3]37：

(3)

其中，IR為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)．當(dāng)RC<0.1時(shí)，表示該矩陣通過一致性檢驗(yàn)；當(dāng)RC≥0.1時(shí)，表示該矩陣需要調(diào)整．

2.2.2 模糊邏輯 三角隸屬度函數(shù)是FAHP最常用的隸屬函數(shù)，本研究用其來確定隸屬度．三角隸屬度函數(shù)的公式為[13]485

其中，μ(x)為隸屬度函數(shù)，其越接近1，表示x屬于μ的程度越高;μ1,μ2,μ3分別表示不適宜、較不適宜和適宜．

2.2.3 GIS空間分析 GIS中主要有2種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)．① 在ArcGIS中將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一投影坐標(biāo)系，分辨率重采樣為30 m．② 對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖區(qū)處理，并將其轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù).③ 根據(jù)模糊隸屬度歸一化評(píng)價(jià)因子圖層，將其進(jìn)行加權(quán)疊加與鄰域平滑得到填埋場(chǎng)選址結(jié)果．

3 適宜性選址模型構(gòu)建

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確立

垃圾填埋場(chǎng)選址涉及的影響因素較多，根據(jù)填埋場(chǎng)選址國家標(biāo)準(zhǔn)與區(qū)域特點(diǎn)確定了22個(gè)二級(jí)因子，可分為自然地理、氣象環(huán)境、水文地質(zhì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)4類．表2為評(píng)價(jià)因子的屬性及對(duì)應(yīng)適宜性區(qū)間，參照的國家標(biāo)準(zhǔn)有《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn) GB 16889—2008》《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術(shù)規(guī)范 GB 50869—2013》《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn) 建標(biāo)124—2009》等．

3.1.1 自然地理因子 研究區(qū)地處隴西黃土高原西緣，境內(nèi)大部分為黃土覆蓋的丘陵和山地，地形破碎、水土流失嚴(yán)重，生產(chǎn)生活主要集中在以蘭州盆地為代表的河流切穿谷地內(nèi)．自然地理特征決定垃圾填埋場(chǎng)的建設(shè)施工條件[14]，結(jié)合蘭州市特征，文中選取高程、坡度、地貌類型、植被指數(shù)、土壤類型來表征自然地理因子．高程和坡度影響填埋場(chǎng)庫容、洪澇風(fēng)險(xiǎn)等因素[15]，地貌類型制約填埋場(chǎng)的使用年限、處理效能，植被和土壤對(duì)地理要素的空間分異特征指示性較好，能夠影響防滲成本和污染風(fēng)險(xiǎn)[16]．

表2 評(píng)價(jià)因子的屬性及對(duì)應(yīng)適宜性區(qū)間

3.1.2 氣象環(huán)境因子 研究區(qū)地處西北半干旱區(qū)，降水量少而蒸發(fā)量大．氣候環(huán)境因子是影響填埋衍生物的主要因素，其中降水和地表徑流是滲濾液的主要來源之一[17]，而溫度影響填埋氣體的產(chǎn)生，風(fēng)向決定可能泄露的填埋氣體擴(kuò)散方向，自然保護(hù)區(qū)周圍需嚴(yán)格控制建設(shè)開發(fā)．

3.1.3 水文地質(zhì)因子 研究區(qū)地下淡水資源比較缺乏，地下水量及水質(zhì)有明顯的地帶差異，且由于黃土滲透系數(shù)大，透水性強(qiáng)，地下水易受到污染[18]．以地下水埋深與水質(zhì)、含水層富水性為代表的地下水蘊(yùn)存情況，是填埋場(chǎng)建設(shè)可承受度的重要指征；而以斷層、歷史地震點(diǎn)為代表的地質(zhì)活動(dòng)條件，直接影響著規(guī)劃建設(shè)的穩(wěn)定性[19]．

3.1.4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子 研究區(qū)建設(shè)用地緊張，經(jīng)濟(jì)發(fā)展集聚在盆地內(nèi)，空間分異明顯．土地利用類型反映地表利用情況與填埋場(chǎng)建設(shè)的協(xié)調(diào)性；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值、人口密度、GDP從3個(gè)角度描繪了經(jīng)濟(jì)發(fā)展分異，對(duì)填埋場(chǎng)建設(shè)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義；與居民點(diǎn)距離主要是基于“鄰避效應(yīng)”的考慮[20]，減小對(duì)居民生活環(huán)境的影響；與城鎮(zhèn)邊界的距離和與道路的距離極大影響垃圾處理需求以及運(yùn)輸成本[21]．

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

按照AHP模型的步驟，分別建立一級(jí)評(píng)價(jià)因子、二級(jí)評(píng)價(jià)因子的判斷矩陣，最終得到相對(duì)權(quán)重和綜合權(quán)重，并對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)．

首先確定一級(jí)評(píng)價(jià)因子的相互關(guān)系，建立判斷矩陣，得出權(quán)重值，最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，從表3可知，該結(jié)果通過了一致性檢驗(yàn)．

如表4，同樣的方法對(duì)二級(jí)評(píng)價(jià)因子建立判斷矩陣，一致性檢驗(yàn)通過后得到相對(duì)權(quán)重和綜合權(quán)重．

表3 一級(jí)評(píng)價(jià)因子權(quán)重計(jì)算

表4 二級(jí)評(píng)價(jià)因子權(quán)重計(jì)算

3.3 控制區(qū)域的劃分

垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)時(shí)需考慮控制性區(qū)域的影響，每一個(gè)控制范圍都是剛性的不可建設(shè)區(qū)域．因此，在得到適宜性分布結(jié)果后，需疊加控制性區(qū)域，才能確定最終的垃圾填埋場(chǎng)適宜性候選場(chǎng)址．

根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)及國家標(biāo)準(zhǔn)，涉及到控制性區(qū)域整理如表5，需要在ArcGIS中將其剔除．

4 結(jié)果與討論

4.1 垃圾填埋場(chǎng)選址

確定隸屬度函數(shù)后，將所有二級(jí)因子的歸一化得分值，按照適宜區(qū)間的隸屬度分層，在ArcGIS平臺(tái)上輸出3×22個(gè)柵格數(shù)據(jù)．利用柵格計(jì)算器工具， 將相對(duì)權(quán)重Wp作為權(quán)重值， 分別對(duì)3個(gè)適宜性區(qū)間的二級(jí)評(píng)價(jià)因子加權(quán)求和，得到一級(jí)評(píng)價(jià)因子的隸屬度．同理，將相對(duì)權(quán)重WP作為權(quán)重，求出一級(jí)評(píng)價(jià)因子的加權(quán)和，得到每個(gè)柵格上各適宜性區(qū)間的隸屬度值，即全局的模糊評(píng)價(jià)集．按照最大隸屬度原則，比較每個(gè)柵格上各適宜性區(qū)間的隸屬度值，得到30 m的垃圾填埋場(chǎng)適宜性結(jié)果．在ArcGIS中使用鄰域分析工具，對(duì)疊加控制性區(qū)域后的適宜度柵格進(jìn)行平滑處理，再將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)，將全市劃分為可建設(shè)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)和不可建設(shè)區(qū)(圖1)．

表5 控制性需求及其范圍

圖1 蘭州市垃圾填埋場(chǎng)選址

從圖1中可以看出，不同可建設(shè)性的區(qū)劃具有不同的特征．總體來看，蘭州市垃圾填埋場(chǎng)不可建設(shè)區(qū)占全市65.52%，面積約為0.85萬 km2，分布在連城、興隆山等國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和研究區(qū)中心城區(qū)周邊，體現(xiàn)了自然保護(hù)區(qū)與建成區(qū)的重要性．限制建設(shè)區(qū)面積約為0.26萬 km2，占全市20.18%，其“島嶼”和“廊道”特征明顯，集中分布在永登縣．主要原因有兩點(diǎn)：① 自然條件尚可，但離主要城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)，處理需求不大；② 雖地價(jià)低廉,人口適中，但地形限制大，建場(chǎng)成本較高．可建設(shè)區(qū)占全市的14.30%，面積約為0.19萬 km2，分布特征為地形較為平坦，植被分布較少，距離城區(qū)遠(yuǎn)，對(duì)居民和水系等影響小．

對(duì)可建設(shè)區(qū)按照面積排序(表6)，共有13處可選區(qū)域,可知皋蘭縣、永登縣占比最多．大部分位于蘭州新區(qū)東、北兩側(cè)，西、南兩側(cè)零星分布；其次是榆中北山，位于金崖鎮(zhèn)以北，沿309國道呈扇形分布．蘭州新區(qū)作為蘭州市新發(fā)展地，城鎮(zhèn)化潛力大，垃圾產(chǎn)生需求成年遞增；榆中縣開展生態(tài)創(chuàng)新城建設(shè)，對(duì)北山進(jìn)行開發(fā)也很有必要，垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)勢(shì)在必行．其余各可建設(shè)區(qū)除坪城外，均位于蘭州市城鎮(zhèn)發(fā)展帶上，建場(chǎng)需求大，且符合城市空間管制規(guī)定，建設(shè)阻力?。?/p>

表6 垃圾填埋場(chǎng)可建設(shè)區(qū)面積

4.2 聚類分析

文中將OPTICS方法中最小實(shí)體數(shù)設(shè)為500，鄰域半徑設(shè)為3 000 m，聚類敏感度設(shè)為35,進(jìn)行聚類分析并輸出可達(dá)圖(圖2)，將距離進(jìn)行排序，顯示點(diǎn)的聚類結(jié)構(gòu).可達(dá)圖中縱坐標(biāo)越低，說明可達(dá)距離越低，即聚類越密集.圖 2中深綠色區(qū)域縱坐標(biāo)最低，對(duì)應(yīng)圖 3中為青白石與東川鄉(xiāng)的集聚區(qū)，說明2個(gè)區(qū)域內(nèi)聚類密集性較高，適宜性較好.同時(shí)，可達(dá)圖指示出的粉色區(qū)域、紅色區(qū)域聚類密集性都不低，即說明西柳溝、堿水溝、西津坪、陸家溝適宜性較好.聚類類別按照顏色可分為9類，其中-1類為噪聲點(diǎn).整體來看，類別分布較為適中，不會(huì)出現(xiàn)大片為同一類和集聚區(qū)太小太散，無法與實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)的問題.主要因?yàn)槠渚垲悈?shù)可調(diào)范圍較大，可在已有聚類的基礎(chǔ)上不斷調(diào)整優(yōu)化，得到與實(shí)際情況最為接近的聚類結(jié)果.如圖 4，類別呈現(xiàn)出近似正態(tài)分布的趨勢(shì)，印證了其合理性.

圖2 蘭州市垃圾填埋場(chǎng)可達(dá)性

圖3 蘭州市垃圾填埋場(chǎng)聚類類別

圖4 蘭州市垃圾填埋場(chǎng)聚類結(jié)

4.3 驗(yàn)證

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查收集研究區(qū)所有垃圾填埋場(chǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，城關(guān)、七里河、安寧和西固四區(qū)原有垃圾填埋場(chǎng)7處，大部分因不合規(guī)封場(chǎng)、整改，均位于不可建設(shè)區(qū)．紅古區(qū)現(xiàn)有垃圾填埋場(chǎng)2處，其中窯街填埋場(chǎng)位于可建設(shè)區(qū)內(nèi)，海石灣填埋場(chǎng)位于不可建設(shè)區(qū)內(nèi)．永登縣規(guī)劃大同鎮(zhèn)填埋場(chǎng)位于可建設(shè)區(qū)內(nèi)．皋蘭縣已投入使用的蘭州新區(qū)生活垃圾填埋場(chǎng)，因管理規(guī)范、條件特殊被設(shè)為“黃土區(qū)生活垃圾填埋場(chǎng)衍生污染場(chǎng)內(nèi)控制技術(shù)研究基地”，位于可建設(shè)區(qū)內(nèi)．德龍建筑垃圾場(chǎng)，雖不屬于生活垃圾填埋場(chǎng)，但也位于可建設(shè)區(qū)內(nèi)．以上垃圾填埋場(chǎng)現(xiàn)狀說明，本研究結(jié)果具有合理性和可靠性．

5 結(jié)論

1)結(jié)合蘭州市地貌、氣候、區(qū)位等特征，建立了涵蓋22項(xiàng)指標(biāo)的垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)評(píng)價(jià)體系，是對(duì)垃圾填埋場(chǎng)影響因素研究的補(bǔ)充，有一定參考價(jià)值．

2)基于模糊邏輯集成GIS和AHP，建立垃圾填埋場(chǎng)適宜性選址模型，將大多數(shù)指標(biāo)定量化為連續(xù)數(shù)值，并充分利用模糊邏輯的優(yōu)點(diǎn)，降低了選址結(jié)果的主觀性，提升了可靠性．

3)疊加控制性區(qū)域?qū)⒀芯繀^(qū)分為可建設(shè)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)和不可建設(shè)區(qū)，并基于聚類算法分析各個(gè)區(qū)域的特征，經(jīng)驗(yàn)證符合蘭州市城市發(fā)展需求，也與垃圾處置現(xiàn)狀基本一致，說明了結(jié)果的合理性．