CN110717548A - 村镇生活垃圾收运处理系统优化方法 - Google Patents

村镇生活垃圾收运处理系统优化方法 Download PDF

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CN110717548A CN201910986228.5A CN201910986228A CN110717548A CN 110717548 A CN110717548 A CN 110717548A CN 201910986228 A CN201910986228 A CN 201910986228A CN 110717548 A CN110717548 A CN 110717548A
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吴海霞
黄慧
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周凯
孟聪
范继强
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Abstract

本发明公开了一种村镇生活垃圾收运处理系统优化方法，步骤为：(1)进行村镇分类：将我国村镇划分为城镇周边型、密集型和村庄/农户聚集型3种类型村镇；(2)确定垃圾收运处理模式：结合目前我国农村主要的垃圾处理方式提出3种类型村镇适用的垃圾收运处理模式方案；(3)构建评价模型：针对各种类型村镇未来可能采用的生活垃圾收运处理模式构建评价指标体系层次结构模型；(4)实用性评价：利用群决策层次分析法，从技术性、经济性、社会性和环境性四个维度，对方案进行综合比较，确定各个方案实用性优先级。这种方法有效提高了垃圾收运处理效率，对于降低生活垃圾处理成本，提高垃圾管理水平，改善农村生态环境污染都有重要的意义。

Description

村镇生活垃圾收运处理系统优化方法
技术领域
本发明涉及村镇生活垃圾收运处理系统的优化方法。
背景技术
生活垃圾的无害化处理，涉及到能源回收和环境保护问题。
在村镇，随着生活和生产方式的改变，传统的厨余垃圾养家畜，家畜粪便再作为肥料的循环利用方式已经不复存在。因此，对村镇生活垃圾的集中处理就成了目前需要解决的问题。
但，一个现实的问题是，农村地区地形条件复杂，人口分布不均、面积相差较大，农户居住相对分散，导致农村生活垃圾的产生分布不均，垃圾收集密度小且分布广泛，造成垃圾收运困难、耗费成本偏高，难以建立健全的垃圾收运处理系统。
目前国内有学者运用层次分析、模糊综合评价及灰色关联法数学模型运算对农村生活垃圾处理方案进行评价优选，但国内在村镇生活垃圾收运处理模式优化方面的研究普遍较少，而在整个垃圾收运处理系统中垃圾收运系统耗资约占总耗资的一半以上。因此解决村镇生活垃圾收运处理系统的优化问题，选择与村镇基础条件相适应的收运处理模式，有效提高垃圾收运处理效率，是解决村镇垃圾处理问题的一个有效途径，对于降低生活垃圾处理成本，提高垃圾管理水平，改善农村生态环境污染都有重要的意义。
有鉴于此，产生本发明。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种村镇生活垃圾收运处理系统优化方法，是综合考虑技术性、经济性、环境性和社会性，结合村镇垃圾产生特点，进行综合优化。
本发明的技术方案是：
(1)进行村镇分类：将我国村镇划分为多种类型村镇；
(2)确定垃圾收运处理模式：结合目前我国农村主要的垃圾处理方式提出各种类型村镇未来可能采用的多种垃圾收运处理模式方案；
(3)构建评价模型：针对各种类型村镇未来可能采用的生活垃圾收运处理模式构建评价指标体系层次结构模型；
(4)实用性评价：利用群决策层次分析法，从技术性、经济性、社会性和环境性四个维度，对方案进行综合比较，确定各个方案实用性优先级。
在所述步骤(1)中，根据我国村镇特点，本发明将我国村镇划分为城镇周边型、密集型和村庄或农户聚集型3种类型村镇。
在步骤(1)中，优先通过先建立村镇分区分级影响因素指标体系，包括人均纯收入、地形、土地面积、人口密度、垃圾人均产生量和垃圾收集密度，再根据以上指标体系，运用聚类分析中的K-Means聚类法对不同村镇进行聚类。
在步骤(3)中，构建评价指标体系层次结构模型的方法可以为：
(3-1)建立多级层次结构模型：确定影响村镇生活垃圾收运处理模式的多级层次指标；
(3-2)构造群决策判断矩阵：根据分别构建的各型村镇生活垃圾收运处理模式层次结构模型进行专家调查表，对不同层次指标因素构造判断矩阵；
(3-3)准则层排序及其一致性检验：检验各层影响村镇生活垃圾收运处理模式指标的一致性并对其排序；
(3-4)方案层排序及其一致性检验：检验村镇生活垃圾收运处理模式的一致性并对其排序，确定适合不同类型村镇的最优收运模式。
在所述步骤(3-1)中确定多层次指标，可以包括确定主准则层和次准则层：
主准则层包括经济可行性、技术可行性、环境可行性和社会可行性；
次准则层包括经济可行性的工程总投资、单位运行成本、投资回收期、投资利润率、土地占用；技术可行性的技术可靠性、选址要求、处理对象要求、运行管理要求；环境可行性的环境直接污染、二次污染、健康安全评估；社会可行性的减量化率、资源化率、公众满意度、公众参与水平，共十六个指标。
所述步骤(3-2)构造群决策判断矩阵方法，可以为：确定指标后，采用专家调查法对各级准则层因素的合理性进行验证，对专家调查结果进行分析，引用“1-9”标度法构造判断矩阵，所述“1-9”标度法构造判断矩阵为
Figure BDA0002236771680000021
Figure BDA0002236771680000031
步骤(3-3)中准则层排序及其一致性检验的方法可以为：
1)计算判断矩阵每行所有元素的几何平均值:将判断矩阵A中每一行的元素全部相乘后开n次方，即
Figure BDA0002236771680000032
得到W*＝(w* 1，w* 2,…w* n)T；
式中：w* i表示判断矩阵每行所有元素的几何平均值；
2)将W*归一化处理得到权向量W＝(w1，w2,…wn)T，其中
Figure BDA0002236771680000033
3)将判断矩阵A中每一列元素全部相加，得到向量S＝(s1，s2,…sn)，其中，
Figure BDA0002236771680000034
4)根据公式
Figure BDA0002236771680000035
计算λmax的值；
5)判断矩阵是否具有一致性主要依据一致性指标
Figure BDA0002236771680000036
进行检验,经计算得到CI的值，RI的值可根据判断矩阵的阶数对应查下表得到，
Figure BDA0002236771680000037
最终参考公式计算相对一致性指标CR，公式为：
Figure BDA0002236771680000038
当CR≤0.1时，符合一致性；否则需要对判断矩阵元素进行重新调整调整并重复上述步骤进行一致性检验。
所述聚类分析采用SPSS 20.0软件,基础数据录入包括：人均纯收入、地形、土地面积、人口密度、垃圾人均产生量、垃圾收集密度6个指标录；聚类数设置为3。
本发明综合考虑了我国村镇分布特点以及垃圾产生和分布情况，综合考虑技术性、经济性、环境性和社会性，结合村镇垃圾产生特点，通过聚类分析和实用性评价，可以获得村镇生活垃圾收运处理系统优化方案，有效提高垃圾收运处理效率，对于降低生活垃圾处理成本，提高垃圾管理水平，改善农村生态环境污染都有重要的意义。
附图说明
图1为适宜该类型村镇的垃圾收运处理模式方案示意图。
图2为城镇周边型村镇垃圾收运处理模式方案为例构建层次结构模型示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，以助于理解本发明的内容。
1.村镇类别划分的聚类分析
首先，根据我国村镇分布特点，本实施例中将我国村镇划分为城镇周边型、密集型和村庄/农户聚集型3种类型村镇。
建立村镇分区分级影响因素指标体系，包括各村镇人均纯收入、地形、土地面积、人口密度、垃圾人均产生量和垃圾收集密度，并收集上述相关基础数据。
基础数据准备好后，即可启动SPSS 20.0软件，将基础数据录入到SPSS软件界面中，在菜单栏中按照Analyze分析→Classify分类→K-Means Cluster K-均值聚类分析启动层次聚类分析功能，具体操作为：
将收集的基础各个指标(人均纯收入、地形、土地面积、人口密度、垃圾人均产生量和垃圾收集密度)添加到左侧空白的变量列表框中，并设定为聚类分析变量；将村镇作为标识变量移入标注个案列表框中，在聚类数文本框中输入数值“3”，表示样本村镇聚类的类别数为三类。
点击迭代按钮进入迭代对话框中，将最大迭代次数设置为10次后重新返回聚类分析对话框。然后点击选项按钮进入选项对话框中，统计量复选框中初始聚类中心、ANOVA表、每个个案的聚类信息三个选项全部勾选，其他保持系统默认。再点击继续按钮返回聚类分析对话框。
点击保存按钮弹出保存对话框，复选框中聚类成员和与聚类中心的距离这两个选项全部勾选，表明样本村镇的聚类类别和距离均会显示在输出结果中，其他保持系统默认，点击继续返回主对话框，最后点击确定完成操作。
2.聚类结果分析
(1)结果输出
①快速聚类分析的初始中心表
如表1所示，SPSS软件聚类分析结果中首先输出了初始聚类中心，由于本研究是将样本村镇分为三类，因此软件给出了三个中心位置。该聚类中心由系统自动计算，即为每个变量中一个案例的数值，但在后续迭代计算中这些中心位置可能出现重新调整。
表1初始聚类中心
Figure BDA0002236771680000051
②迭代历史记录表
由表2可以看出，K-Means聚类分析的迭代次数为3，第一次迭代的变化值最大，第三次所有聚类中心的最大绝对坐标更改为0.000，表明聚类中心改动较小且快速达到收敛。
表2迭代历史记录a
Figure BDA0002236771680000052
③聚类分析结果列表
通过聚类分析的最终聚类结果可以看出，所有样本乡镇被分为三个大类，各类别的聚类成员见下表3所示。
表3聚类成员列表
Figure BDA0002236771680000061
④最终聚类中心表
表4为SPSS软件计算出的最终聚类中心，可以看出，与初始聚类中心位置相比，三种类型最终的聚类中心位置均发生了较明显的变化。
表4最终聚类中心
Figure BDA0002236771680000071
⑤最终聚类中心位置间的距离
表5为K-Means聚类分析最终确定的各类型中心位置距离。从结果可以看出，第三类距离第二类最近，距离第一类最远且和第一、二类间的距离差别不大，而该结果与实际情况相符合。
表5最终聚类中心间的距离
Figure BDA0002236771680000072
⑥方差分析
由表6可以看出村镇分区分级的各指标中，人均纯收入这一指标对分类结果最为显著。
表6方差分析示意图
Figure BDA0002236771680000073
Figure BDA0002236771680000081
F检验应仅用于描述性目的，因为选中的聚类将被用来最大化不同聚类中的案例间的差别。观测到的显著性水平并未据此进行更正，因此无法将其解释为是对聚类均值相等这一假设的检验。
⑦聚类数目汇总
表7为各类数据汇总表，即代表村镇分区分级聚类分析的最终结果中各类型村镇的数量。其中第一类数量最多为51个乡镇，第二类数量最少为15个乡镇。
表7聚类案例数
Figure BDA0002236771680000082
(2)结果分析
按照K-Means聚类分析结果，进行聚类分析的100个样本乡镇共分为三种类别。
第一类区域共51个乡镇。该类乡镇区位一般，距城市中心距离介于近郊区与远郊区之间。与远郊区相比，该类村镇经济发展较快，居民人均纯收入平均为12320元/年，高于远郊区。人口分布较分散，密度约324.23人/km2。垃圾产生量与垃圾收集密度均介于第二类和第三类区域之间，分别为0.64kg/(cap·d)和231.39t/km2。根据上述村镇特征，将该类型村镇定义为密集型村镇。
第二类区域共计15个乡镇。根据聚类结果可知，该类村镇区位通常较好，地处城市周边，属于近郊区，交通便利，人口密度大,平均在511.31人/km2左右，经济发展迅速，居民人均纯收入较高，均在19000元/年以上，平均为19898元/年。且该类地区垃圾产生量大，垃圾收集密度较高，属于典型的城镇周边型村镇。
第三类区域包括35个乡镇。这类乡镇属于远郊区，地域广阔，人口分布分散，人口密度平均低于300人/km2，垃圾收集密度较小。由于该类村镇远离城市中心，城市化进程相对缓慢，经济发展较慢，居民人均纯收入较低，约为7020元/年。因此将该类村镇划分为村庄/农户聚集区类型村镇。
2.以城镇周边型村镇为研究对象，提出适宜该类型村镇的垃圾收运处理模式方案。
如图1所示，提出了模式M1、模式M2、模式M3、模式M4和模式M5共五个处理模式方案，具体为：
模式M1：农户混合投放垃圾源，通过村级垃圾桶或垃圾池收集，用小型垃圾车转运，在镇级垃圾中转站压缩，用大型垃圾车转运，在县或市垃圾填埋场处理。
模式M2:农户混合投放垃圾源，通过村级垃圾桶或垃圾池收集，用小型垃圾车转运，在镇级垃圾中转站压缩，用大型垃圾车转运，在县或市垃圾焚烧厂处理。
模式M3：农户混合投放垃圾源，通过村级垃圾桶或垃圾池收集，用小型垃圾车转运，在镇级垃圾中转站压缩，用大型垃圾车转运，在县或市垃圾处理厂经过机械分拣，分拣后不同垃圾处理方式为：(1)无机垃圾进行填埋；(2)可燃垃圾进行焚烧；(3)有机垃圾进行生物处理。
模式M4：农户混合投放垃圾源，通过村级垃圾桶或垃圾池收集，用农用车或电动三轮车一次转运，在村级垃圾房进行可燃物筛分+减量，筛分后不同垃圾以两种方式分别处理：(1)可燃物用小型垃圾车二次转运后，在镇级垃圾中转站压缩，然后运到县或市垃圾焚烧厂处理；(2)惰性垃圾用小型垃圾车运输，就近进行填埋。
模式M5:农户混合投放垃圾源，通过村级分类垃圾桶或村级分类垃圾池收集，用农用车或电动三轮车一次转运，在村级垃圾房进行分拣，分拣后按四类方式处理：(1)有机垃圾用小型垃圾车运输，沤肥；(2)无机垃圾用小型垃圾车进行二次转运至镇级垃圾中转站，再用大型垃圾车运输至县或市垃圾填埋场，或用大型垃圾运输车运输至县或市垃圾焚烧厂；(3)有害垃圾，用小型垃圾车二次转运至镇级垃圾中转站，再用大型垃圾车运输至县或市专业处理部门；(4)可回收垃圾，用小型垃圾车运输至废品回收站。
3.构建层次结构模型
采用群决策层次分析方法对不同的生活垃圾收运处理模式进行优选，针对农村生活垃圾产生特征、处理处置与管理现状等因素，分别从经济、技术、环境和社会可行性4个角度出发，选取了16个指标建立层次结构模型进行分析，城镇周边型村镇垃圾收运处理模式方案为例构建层次结构模型见图2。
4.构造群决策判断矩阵
(1)A-B判断矩阵及排序
对专家调查结果进行分析，获得城镇周边型、密集型村镇类型和村庄/农户聚集区三种类型村镇的A-B聚合判断矩阵及权重的计算结果表8。
表8 A-B聚合判断矩阵及权重计算
Figure BDA0002236771680000101
由表8可知CR＜0.1，表明该判断矩阵一致性较好。专家判别结果为：环境可行性>社会可行性>经济可行性>技术可行性。说明在城镇一体化类型村镇垃圾处理模式方案选择的过程中，各专家认为环境可行性最为重要，应重点考虑垃圾收运处理模式对环境污染可能造成的影响；其次是社会可行性，各种处理技术模式是否契合国家政策法规、能否得到公众的认可也决定了其是否适用于城镇周边型村镇；然后是经济可行性。
(2)B-C判断矩阵及单排序
城镇周边型村镇B1-C至B4-C聚合判断矩阵及权重计算结果如表9所示，由表可得各判断矩阵均具有较好的一致性。
表9 B1-C聚合判断矩阵及权重计算
Figure BDA0002236771680000111
由表9可知，就经济可行性而言，专家判断矩阵计算结果中各因素排序为：土地面积>单位运行费用>工程总投资>投资利润率>投资回收期。说明在进行城镇一体化村镇生活垃圾收运处理模式的选择时，处置设施的占地面积是首要关注的对象。这主要在于城镇周边型村镇地区县/市区周边，土地资源相对紧缺，垃圾处置设施占地要求较小时一定程度上可充分提高对土地资源的有效利用。
表10 B2-C聚合判断矩阵及权重计算
由表10可知，就技术可行性而言，专家判断矩阵计算结果中各因素的排序为运行管理要求>选址要求>技术可靠性>处理对象要求。说明在城镇周边型村镇技术因素中，各专家认为垃圾处理技术模式的运行管理要求是衡量该技术模式是否适用的关键因素，其次是选址要求；同时各专家还认为应该重点考虑垃圾处理技术的可靠性。
表11 B3-C聚合判断矩阵及权重计算
Figure BDA0002236771680000113
由表11可知，就环境可行性而言，专家判断矩阵计算结果中各因素的排序为：健康安全评估>二次污染>环境直接污染。表明对环境可行性而言，专家认为各种垃圾收运处理模式可能对人体健康造成的影响是影响生活垃圾收运处理模式选择的首要因素，其次是垃圾对环境造成的二次污染。而对城镇周边型的村镇而言，垃圾处理过程中的直接污染可以得到有效的避免
表12 B4-C聚合判断矩阵及权重计算
Figure BDA0002236771680000121
由表12可知，就社会可行性而言，专家判断矩阵计算结果中各因素的排序为：公众参与水平>减量化率>公众满意度>资源化率。即说明对于社会可行性而言，专家认为公众参与度和垃圾减量化率是影响生活垃圾收运处理模式选择的主要因素，然后才是公众满意度和各处理模式的资源化率。
(3)C-M判断矩阵及单排序
由于三种类型村镇的C-M聚合判断矩阵共计48个，见附表13。通过计算城镇周边型村镇C-M聚合判断矩阵均满足一致性要求。
表13 C1-M—C16-M判断矩阵及其一致性
Figure BDA0002236771680000122
Figure BDA0002236771680000131
5.层次单排序及其一致性检验
(1)C层总排序及一致性检验
C层总排序一致性指标CR＝0.0316<0.1，该矩阵具有良好的一致性。
表14城镇周边型村镇C层总排序表
Figure BDA0002236771680000142
Figure BDA0002236771680000151
如表14所示，由C层总排序可以看出，城镇周边型村镇中权重最大的为健康安全评估，权重为0.2109，其次是环境二次污染指标(权重为0.1095)和公众参与水平指标(权重为0.1088)。
(2)M层总排序及一致性检验
经计算得到M层总排序一致性检验指标：CR＝0.0635<0.1，说明该矩阵具有良好的一致性。
表15城镇周边型村镇M层总排序表
Figure BDA0002236771680000152
5.层次总排序结果分析
从表15可以看出，从经济、技术、环境和社会的角度，计算得到五种城镇周边型村镇生活垃圾处理模式综合比较的结果分别为：0.2027、0.1498、0.1794、0.1809、0.2872。即五种处理模式方案排序方式为：M5＞M1＞M4＞M3＞M2，最优为模式M5。说明在城镇周边型村镇中，“分类收集-分类处理”模式具有更好的适用性，即农户将生活垃圾分类投放至村级垃圾桶/垃圾池，经农用车/电动三轮车转运至村级垃圾房后，通过人工分拣后将垃圾分类转运至镇级垃圾中转站压缩，再分别运往各处理厂分类处理。

Claims (8)

1.一种村镇生活垃圾收运处理系统优化方法，步骤为：
(1)进行村镇分类：将我国村镇划分为多种类型村镇；
(2)确定垃圾收运处理模式：结合目前我国农村主要的垃圾处理方式提出各类型村镇未来可能采用的多种垃圾收运处理模式方案；
(3)构建评价模型：针对各种类型村镇未来可能采用的生活垃圾收运处理模式构建评价指标体系层次结构模型；
(4)实用性评价：利用群决策层次分析法，从技术性、经济性、社会性和环境性四个维度，对方案进行综合比较，确定各个方案实用性优先级。
2.如权利要求1所述的村镇生活垃圾收运处理系统优化方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，先建立村镇分区分级影响因素指标体系，包括人均纯收入、地形、土地面积、人口密度、垃圾人均产生量和垃圾收集密度，再根据以上指标体系，运用聚类分析中的K-Means聚类法对不同村镇进行聚类。
3.如权利要求1所述的村镇生活垃圾收运处理系统优化方法，其特征在于，在步骤(3)中，构建评价指标体系层次结构模型的方法为：
(3-1)建立多级层次结构模型：确定影响村镇生活垃圾收运处理模式的多级层次指标；
(3-2)构造群决策判断矩阵：根据分别构建的各型村镇生活垃圾收运处理模式层次结构模型进行专家调查表，对不同层次指标因素构造判断矩阵；
(3-3)准则层排序及其一致性检验：检验各层影响村镇生活垃圾收运处理模式指标的一致性并对其排序；
(3-4)方案层排序及其一致性检验：检验村镇生活垃圾收运处理模式的一致性并对其排序，确定适合不同类型村镇的最优收运模式。
4.如权利要求3所述的村镇生活垃圾收运处理系统优化方法，其特征在于，步骤(3-1)中确定多层次指标，包括确定主准则层和次准则层：
主准则层包括经济可行性、技术可行性、环境可行性和社会可行性；
次准则层包括经济可行性的工程总投资、单位运行成本、投资回收期、投资利润率、土地占用；技术可行性的技术可靠性、选址要求、处理对象要求、运行管理要求；环境可行性的环境直接污染、二次污染、健康安全评估；社会可行性的减量化率、资源化率、公众满意度、公众参与水平，共十六个指标。
5.如权利要求3所述的村镇生活垃圾收运处理系统优化方法，其特征在于，所述步骤(3-2)构造群决策判断矩阵方法为：
确定指标后，采用专家调查法对各级准则层因素的合理性进行验证，对专家调查结果进行分析，引用“1-9”标度法构造判断矩阵，所述“1-9”标度法构造判断矩阵为
Figure FDA0002236771670000021
6.如权利要求3所述的村镇生活垃圾收运处理系统优化方法，其特征在于，步骤(3-3)中准则层排序及其一致性检验的方法为：
1)计算判断矩阵每行所有元素的几何平均值:将判断矩阵A中每一行的元素全部相乘后开n次方，即
Figure FDA0002236771670000022
得到W*＝(w* 1，w* 2,…w* n)T；
2)将W*归一化处理得到权向量W＝(w1，w2,…wn)T，其中
Figure FDA0002236771670000023
3)将判断矩阵A中每一列元素全部相加，得到向量S＝(s1，s2,…sn)，其中，
4)计算矩阵最大特征值：根据公式
Figure FDA0002236771670000025
5)判断矩阵是否具有一致性主要依据一致性指标
Figure FDA0002236771670000026
进行检验,经计算得到CI的值，RI的值可根据判断矩阵的阶数对应查下表得到，
Figure FDA0002236771670000027
最终参考公式计算相对一致性指标CR，公式为：
Figure FDA0002236771670000028
当CR≤0.1时，符合一致性；否则需要对判断矩阵元素进行重新调整调整并重复上述步骤进行一致性检验。
7.如权利要求2所述的村镇生活垃圾收运处理系统优化方法，其特征在于：所述聚类分析采用SPSS 20.0软件,基础数据录入包括：人均纯收入、地形、土地面积、人口密度、垃圾人均产生量、垃圾收集密度6个指标录；聚类数设置为3。
8.如权利要求1所述的村镇生活垃圾收运处理系统优化方法，其特征在于：在步骤(1)中将我国村镇划分为城镇周边型、密集型和村庄或农户聚集型3种类型村镇。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111639805A (zh) * 2020-05-29 2020-09-08 河南大学 一种基于gis的垃圾填埋场的选址方法
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