環(huán)境污染與防治-城市固體廢物優(yōu)化管理模型研究進(jìn)展DIC8

1、環(huán)境污染與防治-城市固體廢物優(yōu)化管理模型研究進(jìn)展*蘇 婧第一作者：蘇婧，女，1981年生，碩士研究生。主要從事固體廢物處理技術(shù)方面的研究。* 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2002AA644010）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2005CB724203），2 席北斗2 李秀金1 張蕾1，第一作者：蘇婧，女，1981年生，碩士研究生。主要從事固體廢物處理技術(shù)方面的研究。* 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2002AA644010）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2005CB724203）(1.北京化工大學(xué)環(huán)境工程系，北京 100029；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)摘要 隨著我國城市人

2、口的不斷增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的逐步提高，傳統(tǒng)的固體廢物管理體制已經(jīng)不能滿足城市發(fā)展水平和環(huán)境保護(hù)的需要，多種處理方式綜合協(xié)調(diào)發(fā)展已成為固體廢物管理的發(fā)展方向，歸納總結(jié)了國內(nèi)外固體廢物管理優(yōu)化模型的研究進(jìn)展。從簡單的零散管理到以經(jīng)濟(jì)投入最小為目標(biāo)的單目標(biāo)優(yōu)化模型，再發(fā)展為兼顧環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的多目標(biāo)規(guī)劃模型和多目標(biāo)優(yōu)選模型。對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化模型的求解以及各種模型的優(yōu)劣作了分析，并探討了固體廢物管理優(yōu)化模型今后發(fā)展的方向和趨勢，為優(yōu)化模型方面的進(jìn)一步深入研究提供依據(jù)。關(guān)鍵詞 優(yōu)化模型 多目標(biāo) 固體廢物Research on optimum management model of municipal soli

3、d waste (MSW)SU Jing1，2，XI Bei-dou2，LI Xiu-jin1，ZHANG Lei1，2 .(1.College of Environmental Engineering, BeijingUniversity of Chemical Technology, Beijing 100029, China;2. Chinese Research Academy of Environmental sciences, Beijing 100012,China)Abstract:With the increasing of the population in cities

4、of china and the development of the industry, using simple method cant meet the development of the city and the standard of the environment. This article ascribe the feasibility of the synthesize treatment with various methods, and the research on optimum model of solid waste management, from simple

5、 management, single-objective optimum model to multi-objective optimum model. And then, analyzed the method on seeking the result of the multi-objective model, and the future direction of optimum model.Keywords：Optimum model Multi-objective Municipal solid waste 固體廢物是城市生命體的最終代謝物，隨著生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高，固體

6、廢物的排放量猛增，另外由于固體廢物管理和處理處置不當(dāng)所造成的大氣、水和土壤污染日趨嚴(yán)重，危及生態(tài)系統(tǒng)和人體健康。因此，加強(qiáng)對(duì)固體廢物優(yōu)化管理，合理開展綜合利用、無害化處理處置顯得日益重要。隨著技術(shù)水平的不斷提高，焚燒、堆肥、填埋、綜合利用等多種處置技術(shù)逐漸成熟。但單一的處理方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足各種組分復(fù)雜的垃圾處理要求。每種方式都有其自身的特點(diǎn)，所以多種方法綜合處理非常必要。但如何協(xié)調(diào)各種方法之間的比例、固體廢物流又該如何分配是優(yōu)化管理模型研究的重點(diǎn)內(nèi)容，自20世紀(jì)90年代末開始，國內(nèi)外學(xué)者就固體廢物多目標(biāo)優(yōu)化模型開展了一系列研究。本文以單目標(biāo)到多目標(biāo)的角度出發(fā)，以固體廢物多目標(biāo)優(yōu)化模型研究進(jìn)展為

7、主線，總結(jié)歸納了該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。1 城市固體廢物管理模型的發(fā)展進(jìn)程從固體廢物優(yōu)化管理模型研究歷程來看，它經(jīng)歷了從單目標(biāo)優(yōu)化到多目標(biāo)的優(yōu)化模型的過程，如圖1所示。 固體廢物管理初期一直停留在隨意堆放、自然降解階段。國外從20世紀(jì)80年代起開始致力于管理優(yōu)化模型的開發(fā)，研究處理的收運(yùn)路線、各種處理方法的優(yōu)化1-3。我國自90年代以來，李天威等4研究開發(fā)了以經(jīng)濟(jì)投入最小為目標(biāo)，質(zhì)量平衡、處理設(shè)施容量、分類收集的可行性等為約束條件，計(jì)算垃圾產(chǎn)生量的區(qū)域物流分配，使系統(tǒng)的總處理費(fèi)用實(shí)現(xiàn)最小化。目標(biāo)函數(shù)：MinZ（總費(fèi)用）=焚燒費(fèi)用回收費(fèi)用堆肥費(fèi)用填埋費(fèi)用中轉(zhuǎn)費(fèi)用零散管理多目標(biāo)規(guī)劃多目標(biāo)優(yōu)化多

8、目標(biāo)優(yōu)選零散管理多目標(biāo)規(guī)劃多目標(biāo)優(yōu)化多目標(biāo)優(yōu)選單目標(biāo)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)投入最小各處理方法的比例及物流分配和物流去向圖1 固體廢物優(yōu)化的發(fā)展階段90年代中后期，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、固體廢物數(shù)量猛增，處理處置造成的環(huán)境污染不容忽視。人們開始考慮大氣污染、地下水污染等因素，形成了兼顧環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的多目標(biāo)優(yōu)化模型。多目標(biāo)決策分析與傳統(tǒng)單目標(biāo)優(yōu)化最大區(qū)別在于其決策問題中具有多個(gè)互相交互但無法統(tǒng)一的目標(biāo)。多目標(biāo)決策問題又分為多目標(biāo)規(guī)劃問題和多目標(biāo)優(yōu)選問題兩種類型5。2 城市固體廢物多目標(biāo)優(yōu)化管理模型2.1 多目標(biāo)規(guī)劃模型設(shè)x=(x1,x2,xn)為決策變量，這里，不同的x 定義為不同的方案。方案集（即可行域）為X=xE

9、n gi(x)0，i=1,p,其中g(shù)i(x)為第i個(gè)約束函數(shù)。設(shè)fj為第j個(gè)目標(biāo)函數(shù)（j=1,2,.m）。于是，多目標(biāo)規(guī)劃問題的模型結(jié)構(gòu)為6：optF(x) = (f1(x), f2(x),fm(x)T此種方法是針對(duì)所要達(dá)到的目標(biāo)建立方程式的函數(shù)表達(dá)，對(duì)固體廢物的管理進(jìn)行具體規(guī)劃，使各個(gè)目標(biāo)在某種程度上相互協(xié)調(diào)、統(tǒng)一。2.1.1 國外多目標(biāo)規(guī)劃模型國外在20世紀(jì)90年代就意識(shí)到，在對(duì)固體廢物管理進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，不能只考慮經(jīng)濟(jì)投入，必須將其對(duì)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)綜合效應(yīng)的影響也納入模型的考慮范圍。他們采用的模型有線性規(guī)劃模型（LP）、混合整數(shù)規(guī)劃模型（MIP)、動(dòng)力學(xué)模型（DP）以及多目標(biāo)規(guī)劃模型，其中以

10、多目標(biāo)規(guī)劃模型較為常見。1995年，Chang針對(duì)經(jīng)濟(jì)投入和環(huán)境影響之間的沖突進(jìn)行系統(tǒng)分析78。指出，由于固體廢物的處理過程受一些不可預(yù)測因素的影響，模型中許多參數(shù)是不確定的。運(yùn)用灰色多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃模型（FIMOMIP）可以結(jié)合多目標(biāo)分析結(jié)構(gòu)中的間隔數(shù)據(jù)對(duì)模型中的不確定參數(shù)進(jìn)行量化。之后，Julian等又對(duì)灰色規(guī)劃模型進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)系統(tǒng)中的未知和不確定參數(shù)進(jìn)行更準(zhǔn)確的量化9。國外根據(jù)當(dāng)?shù)厝丝?、生態(tài)環(huán)境狀況和環(huán)境保護(hù)要求確定了多種多目標(biāo)項(xiàng)目的選擇。隨著可填埋場地的不斷減少，建立新的焚燒場投資費(fèi)用大。此時(shí)，對(duì)于可回收材料的利用就顯得尤為重要。2000年，Chang等10采用模糊多目標(biāo)非線性整數(shù)

11、規(guī)劃模型對(duì)回收利用率急劇下降地區(qū)進(jìn)行規(guī)劃，保證花費(fèi)最小、回收率最大的情況下設(shè)置回收站的網(wǎng)絡(luò)位置，并采用遺傳算法進(jìn)行計(jì)算。模型采用以下3個(gè)目標(biāo)項(xiàng)目：回收站周圍的服務(wù)人員最多；家庭到回收站的距離最短；車輛運(yùn)輸距離最短。美國環(huán)境監(jiān)測研究中心的Minciar等2002年首次在目標(biāo)層中提到填埋量最少，以達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。2003年，Costi 11和Hokkanen等12已從事模型研究多年，他們認(rèn)為人們往往在決策固體廢物管理模型時(shí)會(huì)考慮到多目標(biāo)決策分析。但是，其實(shí)大部分多目標(biāo)優(yōu)化模型也只是簡單地把經(jīng)濟(jì)投入作為主要因素，而將其他污染、社會(huì)影響作為約束條件的。Cheng等在確定各處理廠的位置時(shí)指出13，

12、在采用不確定整數(shù)線性規(guī)劃模型，以經(jīng)濟(jì)投入最小為目標(biāo)得出物流分配之后，再考慮生態(tài)環(huán)境方面的限制，更準(zhǔn)確地確定處理廠的具體位置。2.1.2 我國的多目標(biāo)規(guī)劃模型從理論上講，由于固體廢物產(chǎn)生及處理受多種不可預(yù)測因子的影響，優(yōu)化模型應(yīng)該包括費(fèi)用最小、處理風(fēng)險(xiǎn)最小、社會(huì)效益最好3個(gè)目標(biāo)的非線性規(guī)劃模型。但除各種處理費(fèi)用因素可直接量化外，其他因素的量化都存在很大的困難。2000年，陳炳祿等14以治理費(fèi)用最小和綜合效益最大為目標(biāo)建立多目標(biāo)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，將處理成本和污染治理成本結(jié)合起來，化多目標(biāo)為單目標(biāo)，計(jì)算各個(gè)時(shí)期焚燒、堆肥、資源化回收和填埋的合理比例以及物流分配情況。這是我國目前采用較多的固體廢物優(yōu)化模型

13、，為進(jìn)一步的案例研究提供了基礎(chǔ)。2003年，劉常青等15應(yīng)用該模型對(duì)福州市近、中期城市生活垃圾治理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并預(yù)測了2005、2010年的固體廢物處理設(shè)施的建設(shè)情況。同時(shí)，就福州市生活垃圾產(chǎn)生進(jìn)行分析16，對(duì)收運(yùn)處理系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益的綜合評(píng)價(jià)。2004年，國內(nèi)學(xué)者胡治飛等17將不確定性方法用于固體廢物管理規(guī)劃模型中，并首次在多目標(biāo)優(yōu)化模型中考慮了對(duì)地下水以及大氣造成的污染，就4種情景計(jì)算分析，在國內(nèi)的多目標(biāo)研究方面開辟了新的出路。2.2 多目標(biāo)優(yōu)選模型 設(shè)x=(x1,x2,xn)表示含有n 個(gè)備選方案的方案組，f1,f2fm表示m個(gè)目標(biāo)屬性，fi(xi)為第j個(gè)屬性下

14、的偏好值，則多目標(biāo)優(yōu)選問題的模型結(jié)構(gòu)為：maxF (x) = (f1(x) , f2(x) , ,f n (x) )T這實(shí)際上是一種層次分析法（見圖2），該方法是Saaty于20世紀(jì)70年代提出的，它是定性分析與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法。目標(biāo)體系是分層展開的，在對(duì)實(shí)際問題中通過分析討論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行權(quán)值確定，通過若干次試驗(yàn)以達(dá)到最佳?？傮w目標(biāo)總體目標(biāo)目標(biāo)1目標(biāo)2子目標(biāo)1子目標(biāo)2子目標(biāo)1子目標(biāo)2方案1方案2方案3方案4圖2 多目標(biāo)優(yōu)選模型組織結(jié)構(gòu)圖1995年， Hokkanen18等提出了適合于多決策者的多目標(biāo)決策分析方法，他們按照固體廢物管理發(fā)展的階段提出了22種綜合處理手段，多位決

15、策者選出了最佳的結(jié)合模式。1999年，我國郭廣寨等19運(yùn)用系統(tǒng)工程理論中的層次分析方法建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)工藝的各種組合進(jìn)行對(duì)比。考慮了環(huán)境因子、經(jīng)濟(jì)效益等因素后，進(jìn)行權(quán)值的計(jì)算得分選回收堆肥衛(wèi)生填埋的權(quán)值是最大的。此后，又對(duì)堆肥的設(shè)備用同樣的方法進(jìn)行分析20，得到倉式靜態(tài)好氧堆肥權(quán)值最大，適宜采用。2003年，崔兆杰21進(jìn)一步開發(fā)了多層次、多目標(biāo)模糊決策模型理論，采用二元對(duì)比法確定指標(biāo)與權(quán)重，并運(yùn)用評(píng)價(jià)結(jié)果發(fā)散的單元系統(tǒng)模糊優(yōu)選理論模型進(jìn)行合成評(píng)價(jià)。3 各種模型的對(duì)比研究 3.1 固體廢物單目標(biāo)與多目標(biāo)管理優(yōu)化模型對(duì)比單目標(biāo)優(yōu)化模型重點(diǎn)考慮經(jīng)濟(jì)投入，簡單易行。適合中小城市的管理模式，而對(duì)于大城市

16、則必須考慮到環(huán)境影響和社會(huì)效應(yīng)，多目標(biāo)模型正好可以解決該問題。多目標(biāo)優(yōu)化模型可以在經(jīng)濟(jì)投入最小化的基礎(chǔ)上兼顧環(huán)境污染造成的影響，與循環(huán)經(jīng)濟(jì)結(jié)合，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。3.2 多目標(biāo)規(guī)劃與多目標(biāo)優(yōu)選模型對(duì)比多目標(biāo)規(guī)劃模型可以根據(jù)決策者的需要，采用目標(biāo)函數(shù)的形式對(duì)固體廢物的處理和物流分配進(jìn)行規(guī)劃。國內(nèi)外文獻(xiàn)表明，目前多目標(biāo)規(guī)劃模型解法主如下：首先是將處理固體廢物的費(fèi)用和防治污染的費(fèi)用統(tǒng)一起來，使經(jīng)濟(jì)目標(biāo)與環(huán)境目標(biāo)相統(tǒng)一；其次，采用情景模型的方式，以某個(gè)目標(biāo)為重點(diǎn)，放松對(duì)其余方面的約束；另外，國外的一些多目標(biāo)模型采用兩階段求解的方式，在滿足第一個(gè)目標(biāo)的基礎(chǔ)上求滿足第二個(gè)目標(biāo)的解。多目標(biāo)優(yōu)選模型也是國

17、內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。多目標(biāo)優(yōu)選模型的主要思路是根據(jù)要達(dá)到的總目標(biāo)，將目標(biāo)分層，列出若干組可行的方案，針對(duì)方案進(jìn)行權(quán)值的計(jì)算，權(quán)值越高，可行性越大。以上分析表明：單目標(biāo)考慮問題片面；多目標(biāo)優(yōu)選模型的選擇范圍受到限制和人為因素的影響；多目標(biāo)規(guī)劃模型能較為客觀地兼顧固體廢物處理過程中經(jīng)濟(jì)投入和環(huán)境因素的影響，但是在處理處置過程中所造成的影響，除經(jīng)濟(jì)投入可量化外，環(huán)境影響的各個(gè)因素都還缺乏有效的方法進(jìn)行準(zhǔn)確地量化。因此，兩種多目標(biāo)的優(yōu)化模型都會(huì)有不確定因素，只是將它們以權(quán)重的形式掩蓋在其中。4 城市固體廢物優(yōu)化管理模型面臨的挑戰(zhàn)及研究趨勢近年來，國內(nèi)在固體廢物優(yōu)化方面總的趨勢是考慮的因素越來越多，也使模型

18、更適合城市的實(shí)際情況。今后模型的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向筆者認(rèn)為有以下幾個(gè)方面。（1）固體廢物產(chǎn)量和成分的預(yù)測模型有待深入開發(fā) 固體廢物優(yōu)化管理模型需要預(yù)測未來1015年固體廢物產(chǎn)量及其成分組成。預(yù)測的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到模型的精確程度。國內(nèi)外在預(yù)測模型的研究方面作了大量的工作：灰色模型可以在缺少數(shù)據(jù)的情況下使用，但是它考慮的因素較少；回歸模型雖然考慮了較多的影響因素，但它屬于靜態(tài)分析，固體廢物的產(chǎn)生本身具有動(dòng)態(tài)特性；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用非線性模型作預(yù)測，效果較好，但是由于模型本身不成熟，應(yīng)用也比較少。（2）模型建立中有效數(shù)據(jù)獲取和參數(shù)的選擇有難度 由于多目標(biāo)規(guī)劃模型的研究推廣，考慮到各個(gè)處理場造成的環(huán)境污染

19、，需要對(duì)各處理場處理后的剩余氣體各種元素的含量及污染情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查分析，而這些數(shù)據(jù)較難獲得。而且，在公式的表達(dá)方面也不能一味地按照國外地文獻(xiàn)來做，主要是處理方式、成份組成等有一定的差異。所以需要在此方面深入研究。（3）多目標(biāo)規(guī)劃問題的最優(yōu)解法有待繼續(xù)尋求 如前所述，多目標(biāo)規(guī)劃問題可以較好地協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及社會(huì)等各方面的因素。但目前對(duì)多目標(biāo)問題的解法基本就是采用階段式求解，得出可行解中的最優(yōu)解。尋求更科學(xué)、合理的求解方法是當(dāng)務(wù)之急。（4）缺少公眾的有效參與及相關(guān)政策支持優(yōu)化模型本身是符合相關(guān)政策的基礎(chǔ)上，為了服務(wù)群眾，如果模型缺乏公眾認(rèn)可，模型的可行性便值得懷疑。所以需要在確定模型后，

20、采取調(diào)研的方式，使公眾了解決策，參與決策，制定更為有效的決策方案。5 結(jié) 語 隨著我國人民生活水平的提高和固體廢物數(shù)量地猛增，固體廢物的管理必須考慮處理過程中造成的環(huán)境影響。模型研究應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)投資、環(huán)境因素和社會(huì)效應(yīng)的結(jié)合，在闡明城市固體廢物代謝過程與城市生命體活動(dòng)互動(dòng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)城市固體廢物管理系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，借助多目標(biāo)規(guī)劃模型手段，提出城市固體廢物管理技術(shù)方法。從而為促進(jìn)城市固體廢物綜合有效管理，實(shí)現(xiàn)固體廢物與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的良性互動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)。但因?yàn)榄h(huán)境因素難以量化，因此環(huán)境因素的量化將是模型開發(fā)的難點(diǎn)，也是熱點(diǎn)問題。如果能將經(jīng)濟(jì)投入、環(huán)境影響和社會(huì)效應(yīng)客觀地表示出來，對(duì)于模型

21、的研究將會(huì)開辟一片新的天地。參考文獻(xiàn)1 王志剛，陳新庚，陳炳祿,等.廣州市城市生活垃圾處理策略的規(guī)劃分析J.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2000，19（4）：248-250.2 馬曉路.淺議城市固體廢物的管理與處置J.青海環(huán)境,2002，12（1）：37-38.3 王志剛，陳新庚，陳炳祿,等.廣州市城市生活垃圾管理系統(tǒng)規(guī)劃J.環(huán)境污染與防治,2001，23（1）：4-7.4 李天威，嚴(yán)剛，王業(yè)耀.我國中小城市生活垃圾優(yōu)化管理模型M.中國環(huán)境科學(xué),2003，23（1）：105-109.5 何品晶，邵立明.固體廢物管理M. 北京：高等教育出版社.2004：350-361.6 程理民，吳江，張玉林.運(yùn)籌學(xué)模型與方

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