地表水源突發污染應急處置技術篩選評估體系

曲建華，孟憲林，2，尤 宏，2(.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，50090哈爾濱;2.城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，50090哈爾濱)

水源地是為城市提供清潔和充足水源的生態環境基礎［1］.近年水源地突發污染事故頻發，嚴重威脅城市供水安全，影響人民正常的生活與生產秩序，造成極為嚴重的社會影響［2］.突發污染事故一旦影響到水源地，就會放大其影響程度、規模和時間.因此，迅速、準確地篩選出適宜污染情景的應急處置技術極為重要.目前，國內外相關研究主要是通過經驗總結或構建單一的指標體系和賦予指標權重對所選技術進行篩選［3-6］.但水源地因其敏感性，一旦遭到突發污染，污染對水源地威脅度的不同勢必導致技術篩選指標體系指標權重的不同.突發污染對水源地威脅較低時，指標體系中經濟成本指標的權重應相對較大.而威脅較高時，應更注重所選技術的時效性而適當降低經濟成本指標的權重.因此，固定一套指標體系進行應急技術的篩選缺乏科學性.

本文采用層次分析法構建了水源地突發污染威脅度評估指標體系，并給出了威脅等級的判定方法;構建了應急處置技術評估指標體系，并根據不同威脅度確定了2套應急處置技術篩選指標體系的權重值.通過2個指標體系和3套權重值對應急技術的共同篩選，確保了評估方法的準確性和科學性.

1 威脅度的判定方法

1.1 構建評價指標體系

根據1985—2012年共300余起國內外水源地突發污染事件的調研結果［7］，突發污染對水源地的威脅度主要與污染情況、污染位置、水源地規模、應急管理、備用水源等因素有關;本文選擇廣泛應用于多目標決策的層次分析法構建了包含12項評價指標的水源地突發污染威脅度評估指標體系，見表1.

表1 地表水源地突發污染威脅度評估指標體系

1.2 計算指標權重

邀請專家依據Saaty提出的1～9標度法［8］對指標的相對重要性打分，統計所有專家意見，作為確定權重的依據.

1)構造判斷矩陣.建立層次結構后，層次之間元素的隸屬關系就被確定.假定上一層次的元素Bi作為準則，對下一層次的元素C1，…，Cn有支配關系，將其下一層次中所有與之關聯的元素之間兩兩比較其重要性，比較結果按1～9的比較尺度定量表示標出，采用專家打分法構建判斷矩陣B=(bij)n×n直至底層.1～9級比較尺度含義見表2.

表2 1～9級比較尺度含義

2)層次單排序的一致性檢驗.Saaty等［8］定義CI為B(判斷矩陣)的一致性指標，CI=0時，B為一致陣，CI越大，B的不一致性程度越嚴重.一致性指標式中:λmax為判斷矩陣的最大特征根;n為判斷矩陣的階數.

為了確定B的不一致程度的容許范圍，需找出衡量B的一致性指標的標準，Saaty等［8］引入隨機一致性指標RI，即式中:CR為層次單排序的一致性比率，CI為一致性指標，RI為隨機一致性指標，其隨機均值見表3.

若CR≤0.10，判斷矩陣具有可接受的一致性;若CR＞0.10，判斷矩陣的一致性不滿足要求，需調整.

表3 RI取值

計算得 A－B=0.012 3，B1－C=0.017 6，B2－C=0.051 5，B3－C=0.000 0，B4－C=0.000 0，B5－C=0.000 0，均＜0.10，通過一致性檢驗.同時計算得到準則層B對于目標層A的權重(bj)及指標層C對于準則層B的權重(wi)，見表4.

3)層次總排序的一致性檢驗.綜合bj與wi得指標層C對目標層A的層次總排序，即指標權重

Saaty等［8］定義CR為層次總排序的一致性比率，當CR≤0.10時，總排序的結果是滿意的.

層次總排序一致性比率為式中bj為準則層元素的權重，CIj為與bj對應的準則層判斷矩陣的一致性指標，RIj為與bj對應的準則層判斷矩陣的平均隨機一致性指標;計算得 CR=0.032 6，滿足一致性要求.

表4 目標層至指標層的指標權重

1.3 確定評價標準

在評價過程中，依據各指標對水源地的威脅程度將評價因子劃分為 5 級，分別賦予 2、4、6、8、10 的相應分值.各評價因子依據現行環境標準和技術導則的相關要求，對應的分值如表5所示.

1)污染情況.通過水中優先控制污染物黑名單［9］確定突發污染物的優先控制性(C1)，判斷污染物的毒性大小及對水源地的危害程度;發展態勢(C2)指不對突發污染采取任何應對措施可能導致的后果，后果越嚴重對水源的威脅越大;依據突發污染物相關應急處置技術可應對的最大超標倍數確定取水口處污染物超標倍數(C3)的評分標準，描述其對水源的威脅程度.

若突發污染為多種污染物導致的復合污染，應分2種情況確定指標C3的分值.

①若各污染物為同屬性物質(如均為有機物)，因對其采用的應急處置技術方案相似，在對此項指標的評判過程中，應先根據各自超標倍數進行打分，然后對各污染物超標倍數的打分結果進行累積相加，確定復合污染物的綜合超標倍數分值.

②若污染物為不同屬性物質，因應對不同污染物的應急處置技術方案有區別，應分別根據各自污染物超標倍數進行打分，計算出各自的威脅度;然后針對每一污染物的應急處置技術進行評估，確定適宜于各污染物的應急處置技術方案，最后進行方案的綜合優化.

2)污染位置.根據《飲用水水源保護區劃分技術規范》確定污染發生位置(C4)的評分標準，突發污染的保護區級別越高，水源受到的威脅越大;依據《水污染防治法》中對造成水污染事故導致居民停水12 h以上的相關責任人實行刑事處罰的相關規定，確定污染團到達、影響取水口時間(C5、C6)的評分標準.

3)水源地規模.依據水源地供水對象，確定水源地級別(C7)的評分標準;根據《城市規劃法》對城市規模的劃分確定水源地服務人數(C8)的評分標準;水源地供水地區級別越高，供水服務人數越多，污染對水源的威脅程度越大.

4)應急管理.能否現場監測污染物(C9)及監測周期的長短對于能否盡快判明現場污染情況，迅速采取應急措施起著至關重要的作用;依據《國家突發公共事件總體應急預案》，發生突發污染事件后，信息報告最遲不得超過4 h，以此確定預警情況(C10)的評分標準;預警不及時會加大居民中毒、死亡的風險，進而加大污染對水源的威脅.

5)備用水源.備用水源啟動速度(C11)快慢與否關乎居民的用水安全，若備用水源迅速啟動而不致居民停水，將使突發污染的威脅度大大降低;根據文獻［10］調研，應急狀態下供水量為正常的50%即可滿足居民的生活用水量，以此為參考確定應急供水滿足程度(C12)的評分標準.

表5 評價因子的評分標準

2 結果與討論

2.1 威脅度分級標準的確定

依據表4各指標的全局權重(Wi)和表5的指標評分標準，采用線性加權確定威脅度的評價結果，即式中:Wi為指標層各指標的綜合權重;βi為指標層各指標對應的指標評分值.將其最大值與最小值之間均分為4個區間，定義為4個威脅度分級標準，并給出了相應的威脅程度描述，見表6.

表6 威脅度分級標準

2.2 突發污染應急技術篩選與評估

根據文獻調研［11-12］，地表水源突發污染應急處置技術的可行性和適宜性主要與技術的時效性、可操作性、處置成本等因素有關;綜合考慮上述因素，建立了包含6個準則指標和19個評價指標的地表水源污染應急處置技術評估指標體系，見圖1.

I、II級威脅度表示突發污染可能對水源地造成很大破壞，嚴重影響供水安全，此時篩選應急技術的核心指標應是技術性能，而適當削弱處置成本等指標的權重;III、IV級威脅度表示突發污染對水源地破壞程度有限，不會對供水安全造成嚴重影響，在篩選技術時應提高處置成本等指標的權重，適當削減時效性等指標的權重.

基于上述原因，采用層次分析法得出應急處置技術評估指標體系的兩套權重值，結果見表7.通過判定不同威脅度，選擇與威脅度對應的一套權重值進行應急技術的篩選與評估.

圖1 地表水源突發污染應急處置技術評估指標體系

2.3 案例分析

為進一步檢驗評估方法的準確性，采用2012年12月31日發生的山西長治濁漳河苯胺泄漏事故實例對評估體系進行了驗證.

事故發生于山西省潞城市，由于苯胺罐區一條軟管破損，造成約8.7 t苯胺泄漏進入濁漳河，對下游飲用水源地——越城水庫造成嚴重威脅，嚴重影響邯鄲、安陽等市的安全供水.實時監測數據顯示越城水庫苯胺最大質量濃度為8.43 mg/L，高出《地表水環境質量標準》中苯胺質量濃度標準限值83倍.

來自水體污染防治領域的20位專家對污染事故進行了詳細調研，并采用基于威脅度判定的應急處置技術評估體系對可行的應急技術方案進行評估.首先，專家組依據實際污染情況對威脅度評估指標體系進行指標評分，判定事故為 II級威脅(6.037 8)，結果如表 8 所示.

同時，基于案例的詳細調研，從近300起水源污染應急處置案例中篩選出了5個相似案例，并將其所應用的應急技術提取出來進行評估，結果見表9.

最后，選用表7中與II級威脅度對應的應急技術評估指標體系的指標權重對5種可行的應急處置技術方案進行評估，綜合各位專家的打分結果，得出的方案評價值及優選順序為:方案1(9.115 8)＞方案4(8.851 5)＞方案 3(8.764 2)＞方案 2(8.755 5)＞方案 5(8.642 5).

表7 指標(C1～C19)對目標層(A1)的權重

表8 威脅度指標評分

表9 可行的應急處置技術方案

實際應急處置過程為:關閉距越城水庫上游33 km的水電站閘門，通過小岳峰溝渠將受污染河水引到越城水庫下游;同時，將30 m寬、1 m高的袋裝活性炭網置入下游水中，以吸附水中苯胺，見圖2.采用此應急處置方案后，河流中苯胺質量濃度降至0.097 5 mg/L，滿足供水要求.可見，案例應用的應急處置方案與采用本文應急技術評估體系篩選出的最優應急方案一致.

圖2 山西苯胺泄漏事故應急處置技術方案

3 結 論

1)提出地表水源突發污染威脅度判定理論，構建了威脅度評估指標體系，采用層次分析法確定指標權重并給出了各指標的評分標準;根據評價結果確定了威脅度的分級標準及意義.威脅度評估對于預判突發污染對水源的危害程度，進而準確篩選出適宜的應急處置技術方案十分必要.

2)提出基于威脅度等級判定的應急處置技術評估指標體系權重的確定方法;構建了水源地突發污染應急處置技術篩選與評估指標體系，針對不同的威脅度等級，采用層次分析法確定了與之對應的應急處置技術評估指標體系的指標權重.

3)給出了更為科學的地表水源地突發污染應急處置技術的評估方法;通過山西苯胺泄漏事故實例對評估方法的準確性進行了檢驗.結果表明，本文采用的應急處置技術評估體系可迅速篩選出適宜污染情景的最優應急處置技術方案，為應急決策者提供有效的技術支持.

［1］杜大仲，孟憲林，馬放.北方某城市河流型飲用水水源地選址方案評價研究［J］.中國環境科學，2012，32(2):359－365.

［2］李二平，侯嵩，孫勝杰，等.水質風險評價在跨界水污染預警體系中的應用［J］.哈爾濱工業大學學報，2010，42(6):963－966.

［3］SHI Shenggang，CAO Jingcan，LI Feng.Construction of a technique plan repository and evaluation systembased on AHP group decision-making for emergency treatment anddisposal in chemical pollution accidents［J］.Journal of Hazardous Materials，2014(276):200－206.

［4］WEI L D，GUO H C，QING Y，et al.The situation of hazardous chemical accidents in China between 2000 and 2006［J］.Journal of Hazardous Materials，2011(186):1489-1494.

［5］TSITA K G，PILAVACHI P A.Evaluation of alternative fuels for the Greek roadtransport sector using the analytic hierarchy process［J］.Energy Policy，2012(48):677－686.

［6］YANG I T，WANG W C，YANG T I.Automatic repair of inconsistent pair wiseweighting matrices in analytic hierarchy process［J］.Automation in Construction，2012(22):290－297.

［7］張勇，王東宇，楊凱.1985－2005年中國城市水源地突發污染事件不完全統計分析［J］.安全與環境學報，2006，6(2):79－84.

［8］SAATY T L.Fundamentals of decision making and priority theorywith the analytic hierarchy process［M］.Pittsburgh:RWS Publications，2000.

［9］周文敏，傅德黔，孫宗光.水中優先控制污染物黑名單［J］.中國環境監測，1990，6(4):1－4.

［10］陸艷晨，李翠梅，劉成剛.應急狀態下的城市居民生活供水量與用水量分析［J］.凈水技術，2012，31(2):12-14.

［11］呂小明.環境污染事件應急處理技術［M］.北京:中國環境科學出版社，2012.

［12］ROSELLO M J P，MARTINEZ J M V，NAVARRO B A.Vulnerability of human environment to risk:case of groundwater contamination risk ［J］.Environment International，2009，35(2):325－335.