馬一凡，陳海濱，苗 雨，楊家寬，汪俊時，周吳軍

（1.華中科技大學，湖北 武漢 430074；2.武漢華曦科技發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430080）

1 引言

城市化和工業(yè)化進程加快、旅游業(yè)蓬勃發(fā)展、民眾環(huán)保意識淡薄等因素使得江河湖泊污染問題越發(fā)嚴重。過去未被重視的一種水域環(huán)境污染——水面垃圾污染逐漸引起人們的注意。

狹義的水面垃圾指水體表面漂浮垃圾及其堤岸（近岸灘涂）滯留的垃圾，包括內(nèi)河水面垃圾和近海水面垃圾，是江河湖海的污染主體之一［1］?，F(xiàn)代化、城市化和工業(yè)、旅游業(yè)的快速發(fā)展以及民眾環(huán)保意識淡薄等多種因素導致江河、湖泊甚至近海的水面垃圾污染日益嚴重［2］。水面垃圾對水質(zhì)、水面景觀、供水、水產(chǎn)、航運、發(fā)電等都會造成不良影響［3］，各類水面垃圾通過各自方式進入水域，逐漸堆積匯集并造成水域不同程度的污染，嚴重時影響航道和水利建筑設施的安全穩(wěn)定運行［4］。內(nèi)河水面垃圾如果得不到及時收集，很容易匯入海洋引起近海水面垃圾的聚集。與此同時，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，海洋開發(fā)活動日益增加、近海水面垃圾量日益增多、近海海域環(huán)境污染日益加劇，以塑料為主的水面垃圾對海域造成了巨大危害，影響岸灘和近海景觀、傷害海洋生物并通過生物鏈危害人類［5］。大量水面垃圾的污染，不僅會影響市容環(huán)境，還會破壞水體質(zhì)量，甚至對生態(tài)環(huán)境造成較大損傷，因此對其污染治理及控制亟待加強［1］。這些危害將直接影響國家生態(tài)文明建設和經(jīng)濟的總體發(fā)展。

傳統(tǒng)生活垃圾的投放、收集、運輸和處理等各環(huán)節(jié)都有較為完善的研究及規(guī)定，在日常操作中逐漸步入正軌。水面垃圾收運系統(tǒng)常依托生活垃圾收運系統(tǒng)建設運行。我國對水面垃圾的研究起步較晚，目前對水面垃圾起岸點選址問題的研究更是近乎空白。因此，探索科學的水面垃圾收集起岸點設施選址模型和方法，具有重要的現(xiàn)實意義。本研究通過對水面垃圾收集起岸點構(gòu)建選址決策模型，將粗糙集理論、改進的層次分析法與灰色關聯(lián)度法結(jié)合進行決策分析，著力解決水面垃圾起岸點選址問題。

2 水面垃圾起岸點選址方案比選的指標體系

2.1 選址原則

水面垃圾經(jīng)清撈收集后，需在指定起岸站（點）起岸。起岸站（點）的功能與生活垃圾轉(zhuǎn)運站功能相似。由于水面垃圾的高含水性，經(jīng)清撈起岸后，通常需要在起岸站（點）進行瀝水、壓縮、晾曬等預處理，再將水面垃圾運至末端處理設施。

起岸點的設置應滿足以下條件：①應盡量靠近生活垃圾轉(zhuǎn)運站或收集點；②運行不得影響正常生產(chǎn)生活，應盡量選在沿河舊碼頭；③應盡量選在河段的下游方向和交通便利的地方；④占地面積滿足水面垃圾收運系統(tǒng)的需要。

2.2 選址指標體系

對水面垃圾起岸點的選址方案比選應該是多目標、多層次的，因此需要構(gòu)建指標體系對各個選址方案的條件進行分析，從而篩選出最優(yōu)選址。在構(gòu)建指標體系時，首先確定待決策問題的預定目標，這些決策目標即為指標體系的目標層，在本研究中目標層為水面垃圾起岸點選址；然后根據(jù)目標層內(nèi)容篩選出為實現(xiàn)該目標所涉及的中間環(huán)節(jié)，這些待分析的中間環(huán)節(jié)即為指標體系的一級指標層要求；最后根據(jù)各一級指標層的內(nèi)容特性將其細分為直接實現(xiàn)目標的各種措施、解決方案等，這些具體方案即為指標體系的二級指標層。水面垃圾起岸點的決定性因素有以下4 個方面。

1）環(huán)境因素A：水面垃圾起岸點的選址位置應與周圍環(huán)境相適應，并盡量減少對周邊環(huán)境的負面影響，降低其污染程度。其下的二級指標包括：自然環(huán)境情況A1，對環(huán)境生態(tài)景觀的影響A2，空氣、噪聲的污染程度A3。

2）社會因素B：水面垃圾起岸點應考慮土地利用現(xiàn)狀及土地、水域資源，同時考慮到公眾鄰避意識強烈，應盡量避免人/客流量大的地方，避免其影響通航、水運與周邊行人/游客、居民的正常生活。其下的二級指標包括：土地、水域資源條件B1，社會（相關部門、市民）滿意度B2，社會貢獻值B3。

3）經(jīng)濟因素C：經(jīng)濟因素是設施選址的一大重要因素。在進行選址決策時，通常追求的是以最小的成本獲得最大的效益。其下的二級指標包括建設投資成本C1和運營成本C2。

4）設施建設條件D：水面垃圾起岸及清撈作業(yè)過程中要求具備良好的供水、供電、通信、排水等基礎設施條件以及交通條件。其下的二級指標主要包括基本建設條件D1和道路交通條件D2。

將目標層、一級指標層及二級指標層組合在一起就構(gòu)成了水面垃圾起岸點選址指標體系，如表1所示。

表1 水面垃圾起岸點選址指標體系Table 1 Site selection index system of water surface waste landing points

3 選址指標體系模型構(gòu)建

3.1 指標量化體系

以某水庫為例，對水面垃圾起岸點進行選址決策。該水庫（22°52′44″～22°56′05″N，113°51′37″～113°54′39″E）為中型水庫，在當?shù)厥且粋€較大的旅游景點，游客較多，自然環(huán)境良好，植被豐富，集雨面積54.2 km2，正常水位為24 m, 正常水位庫容量為3.97×107m3，水域面積約8 km2。

在結(jié)合專家意見后，共選定了8 個具有代表性的位置作為水面垃圾起岸點的備選點，如圖1 所示。

圖1 水面垃圾起岸點備選點示意Figure 1 Alternative points schematic for water surface waste landing points

根據(jù)專家意見對8 個備選點分別進行指標量化，其指標體系如表1 所示。

1）自然環(huán)境情況A1。自然環(huán)境情況考察指標主要包括地質(zhì)、地形、氣候條件、水文條件等。各備選點都位于水庫周邊，水資源充沛，水文條件、氣候條件也無明顯差異，因此主要考察地形、地質(zhì)等。

2）對環(huán)境生態(tài)景觀的影響A2。水面垃圾起岸點的建設應與周邊環(huán)境整體相協(xié)調(diào)，不得對原有的環(huán)境造成不良影響。本研究中以備選點周邊的公園、綠化用地或自然保護區(qū)等環(huán)境敏感目標數(shù)量作為對自然環(huán)境影響程度的主要考慮因素。

3）空氣、噪聲的污染程度A3。水面垃圾起岸點在起岸過程中可能會產(chǎn)生空氣、噪聲等二次污染，為了盡可能減少設施對環(huán)境的污染，需綜合考慮周邊環(huán)境及所屬地塊的屬性，盡量減少起岸點對環(huán)境的負面影響，避開聲敏感目標，以靠近工業(yè)區(qū)或新型產(chǎn)業(yè)區(qū)為宜。

4）土地、水域資源條件B1。水面垃圾起岸點設置所需岸線應滿足船舶停泊、調(diào)檔以及裝卸作業(yè)的需要，并有車輛進出、裝卸機械作業(yè)等所需的陸上用地。宜建在鼓勵建設、有閑置可使用土地及水域的位置，有比較充足的車輛進出場空間、回車位置、船舶停泊點、船舶往返航空間等，有利于水面垃圾起岸點的站點建設。

5）社會（相關部門、市民）滿意度B2。目前公眾鄰避意識強烈，不免擔心水面垃圾收運、起岸過程中會造成異味、滋生蚊蠅、傳播細菌等負面影響，根據(jù)調(diào)研得到各備選點的市民滿意度量化值。

6）社會貢獻值B3。水面垃圾起岸點的建設不僅可以實現(xiàn)源頭減量化，降低垃圾處理成本，還可以為社會提供就業(yè)崗位，對社會帶來一定的有利價值。

7）建設投資成本C1。對于水面垃圾起岸點，主要包括主體設施和配套設施的建設投資成本。主體設施有水面垃圾清撈收集船舶、垃圾起岸及轉(zhuǎn)運設施；配套設施有進出通道、供電供水設施、消防設施等。根據(jù)市場調(diào)研，水面垃圾清撈收集船舶約為25 萬元/艘（共4 艘），垃圾吊卸設備約為1.2萬元/臺，所需站點面積約為40 m2，建造成本約為2 800～3 500 元/m2。

8）運營成本C2。主要包含系統(tǒng)工程的材料費用、機械設備的維護費用、作業(yè)人員薪資費用、環(huán)衛(wèi)信息化費用、運輸費用等，對于水面垃圾起岸點的選址來說均為關聯(lián)度極小的費用因素，各備選點僅在垃圾轉(zhuǎn)運時的運輸費用稍有差別，因此各備選點費用變化波動不大。

9）基本建設條件D1。水面垃圾起岸及清撈作業(yè)過程中要求具備良好的供水、供電、通信、排水等基礎設施條件，結(jié)合各備選點現(xiàn)狀，對各點基礎設施條件指標值進行評估。

10）道路交通條件D2。水面垃圾收集起岸后需運至垃圾中轉(zhuǎn)站或者末端處理設施，故水面垃圾起岸點應具備良好的交通條件，方便收運作業(yè)。各備選點與水陸垃圾中轉(zhuǎn)站直線距離都較近，因此本研究中以各備選點與主干道距離作為交通條件的指標值。

基于上述分析，得到原始指標數(shù)據(jù)見表2，其中D2以備選點與主干道的距離為指標數(shù)據(jù)，其他指標按照得分情況或具體金額衡量。

表2 各指標數(shù)據(jù)量化匯總Table 2 Quantitative data summary of each indicator

3.2 離散化及指標約簡

在使用粗糙集理論對指標集進行約簡之前，需要對原始指標值進行離散化處理。常規(guī)的離散化算法有等距離散、等頻率離散、聚類離散、基于熵的離散等［6］。本研究利用Python 軟件，運用等頻率劃分算法對數(shù)據(jù)做離散化處理得到表3 所示結(jié)果，其中，“1”表示優(yōu)，“2”表示良，“3”表示差。

表3 離散后的指標體系Table 3 Index system after dispersion

1982 年，Pawlak［7］、于洪等［8］提出了一種處理不精確、不一致、信息不完整的數(shù)學工具，即粗糙集理論。粗糙集理論在各領域得到了廣泛且成功的應用［9］，其具有較強的客觀性，可挖掘數(shù)據(jù)與指標之間的關系，同時還可以保留關鍵信息、剔除冗余信息，簡化分析過程。

利用粗糙集理論，劃分論域U（備選點集合）上的等價關系，結(jié)果如式（1）所示：

其中，U 為各備選點集合，R 為各指標集合。根據(jù)粗糙集約簡指標的定義和原則，將各指標逐一從條件合集C 中刪去，分類結(jié)果發(fā)生變化的情況如式（2）～ 式（5）所示：

從計算中可知，當刪去指標A1、B1、C1、D2時，分類結(jié)果發(fā)生了改變，所以A1、B1、C1、D2指標不能被約簡，屬于核屬性。指標體系約簡后的結(jié)果為自然環(huán)境情況A1，土地、水域資源條件B1，建設投資成本C1和道路交通條件D2，為方便后續(xù)確定權(quán)重，新的屬性如表4 所示。

表4 最小屬性約簡Table 4 Minimum attribute reduction

3.3 改進的層次分析法確定權(quán)重

層次分析法廣泛用于解決資源分配、政策分析等問題［10］。傳統(tǒng)的層次分析法需要對矩陣進行一致性檢驗，當一致性檢驗不符合要求時，需要返回修改判斷矩陣，重新進行一致性檢驗，重復此過程直至一致性檢驗符合要求。由于實際解決問題時上述過程較為繁瑣，因此許多學者提出了改進的層次分析法［11］，其具體的計算步驟如下。

1）確定層次結(jié)構(gòu)。層次分析法，顧名思義，需要將問題分為各層次進行分析解決。根據(jù)表4 約簡后的核指標體系，可構(gòu)建圖2 所示的層次結(jié)構(gòu)。

圖2 層次分析法層次結(jié)構(gòu)Figure 2 Analytic hierarchy process structure

2）創(chuàng)建判斷矩陣A。改進的層次分析法簡化了傳統(tǒng)層次分析法所用的九尺標度法，改用三尺標度法［12］。將各因素兩兩對比重要性，創(chuàng)建判斷矩陣如式（6）所示。

3）計算判斷矩陣B 如式（7）所示。

4）計算最優(yōu)傳遞矩陣C 如式（8）所示。

5）計算擬優(yōu)一致矩陣D 如式（9）所示。

式中：dij= 10cij。

同理可得ω2=0.3092，ω3=0.1694，ω4=0.2123。即A1、B1、C1和D2的權(quán)重分別為0.3092、0.3092、0.1694、0.2123。

3.4 選址方案決策

灰色關聯(lián)度分析法是常用的決策方法之一，其基本思想是通過建立最優(yōu)決策向量，用灰色關聯(lián)度表示各備選方案的評價向量與最優(yōu)決策向量之間的關系，對備選方案進行優(yōu)劣排序[12]。

使用SPSS 對表2 中A1、B1、C1、D2的數(shù)據(jù)和3.3 計算出的對應核指標權(quán)重進行灰色關聯(lián)度分析，結(jié)果如表5 所示。

表5 備選點決策結(jié)果Table 5 Decision results of alternative points

由表5 得出：備選點4＞備選點8＞備選點6＞備選點7＞備選點2＞備選點5＞備選點3＞備選點1。則備選點4 為水面垃圾起岸點的最優(yōu)理想選址，備選點1 為最不建議選址。結(jié)合圖1，備選點1 雖距離水陸兩用垃圾中轉(zhuǎn)站最近，但其地處商住混合用地，土地、水域資源緊張，周邊環(huán)境敏感目標較多，并不適宜建立水面垃圾起岸點。而備選點4 地處發(fā)展備用地，土地、水域資源較不緊缺；距離主干道路較近，交通便利；周邊環(huán)境敏感目標較少；與水陸兩用垃圾中轉(zhuǎn)站距離較近，方便水面垃圾后續(xù)的運輸處理環(huán)節(jié)。綜合以上幾點，備選點4 非常適宜建立水面垃圾起岸點，決策結(jié)果較為理想。

4 結(jié)論

本研究的主要目標是構(gòu)建決策模型對水面垃圾起岸點進行選址方案比選。首先確定指標體系和原始數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)離散化處理后采用粗糙集理論對指標集進行約簡，約簡后得出4 個核屬性分別為：自然環(huán)境情況A1，土地、水域資源條件B1，建設投資成本C1，道路交通條件D2。對4 個核屬性集采用改進的層次分析法確定權(quán)重分別為：0.309 2、0.309 2、0.169 4、0.212 3。最后采用灰色關聯(lián)法得到了最適宜（備選點4）以及最不適宜（備選點1）的水面垃圾起岸點的選址方案。該研究彌補了對水面垃圾起岸點選址問題的研究空白，為日后的選址提供了科學依據(jù)。