兩階段評估體系篩選水源突發污染應急最優技術方案

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，黑龍江 哈爾濱 50090；2.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 50090）

兩階段評估體系篩選水源突發污染應急最優技術方案

曲建華1，孟憲林1，2*，尤 宏1，2（1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090）

為預判突發污染對水源的威脅程度，進而篩選適宜污染情景的最優應急處置技術，本研究構建了包含10個評價指標的水源突發污染威脅度判別指標體系，依據威脅度等級判定，確定與不同威脅度對應的應急處置技術評估指標體系的指標權重.同時，為合理體現群決策過程中專家差異對權重的影響，提出了基于循環修正的群組G1指標賦權法.以Spearman等級相關系數作為檢驗標準，應用平均值法、Board法、Copeland法3種組合評價方法對單一專家評價結果進行循環迭代修正，最終得到評價指標的一致性排序和各位專家的權重，使各項指標的權重賦值更為準確.將綜合評估模型應用于2012年廣西龍江鎘污染事故中，成功篩選出“調水稀釋—絮凝沉降—水廠強化混凝”的組合應急技術方案，同實際情況吻合，驗證了評估模型的可行性.

威脅度判定；飲用水源地；循環修正；群組G1；應急處置技術

水源地因關系到飲用水水質安全問題，故其具有社會敏感性，一旦遭受污染，應急專家需在短時間內篩選出最優的應急處置技術方案對污染進行有效處置［1］.目前，國內外針對應急技術篩選方面的研究處于起步階段，相關研究主要集中于通過AHP［2-4］、FAHP［5-6］、G1［7-8］、TOPSIS［9-10］等方法對單一評價指標體系進行權重賦值，進而對研究對象進行評估.然而，突發污染對水源地威脅程度的不同勢必導致評估體系中經濟型指標和技術時效型指標權重比重的不同，因此，固定一套指標體系權重進行應急技術評估缺乏科學性.同時，應急技術的篩選與評估是多專家群決策過程，上述方法均未合理體現專家差異對指標權重的影響，無法確保評估結果的準確性.

為此，本文構建了基于威脅度判定的應急處置技術評估模型.依據威脅度分級標準，采用基于循環修正的群組G1法確定了與之對應的應急技術評估體系的指標權重，旨在實現多重指標體系對應急處置技術的聯合評估.

1 水源突發污染威脅度等級判定

1.1 威脅度評估指標體系的構建

為確定影響突發污染對水源危害程度的因素，對1985～2013年間近300起水源突發污染案例進行了調研，依據調研結果從污染情況、水源地規模、應急管理和備用水源等4方面構建了包含10個關鍵評價指標的水源突發污染威脅度評估指標體系，如圖1所示.

圖1 水源地突發污染威脅度評估指標體系Fig.1 Threat evaluation index system for drinking water source pollution

1.2 基于循環修正的群組G1指標賦權

1.2．1 單專家的G1主觀賦權 （1）邀請專家根據威脅度評估指標體系中B1～B4指標的相對重要性程度，確定指標間的排序關系；（2）根據專家給出的相鄰指標xi-1與xi重要性程度之比rk的理性賦值，計算第p個指標的G1法權重wp.計算公式為：

（3）依據權重wp的值，計算第p-1，p-2，…，3，2個指標的權重：

應用上述方法獲得了各位專家對B1～B4指標的G1賦權矩陣：

1.2．2 多專家指標排序的一致性檢驗 為統一多位專家意見、合理體現群體決策思想，以Spearman等級相關系數作為檢驗標準［11］，剔除未通過一致性檢驗的專家排序.

設第j位專家給出的排序為Aj=（a1j，a2j，…，apj），則第j和第---k位專家排序的斯皮爾曼系數βjk為：

通過計算得到各專家排序的βjk矩陣及針對指標間相對重要程度的判定是群決策過程，需反映多數人意見；即針對某一排序結果應得到至少半數專家的認可，而針對個別專家的極端指標排序結果應進行刪除.因此，設定≥0.50時，專家排序通過檢驗，否則剔除該專家排序.

1.2．3 指標排序的二次排序 為逼近指標權重的理想值，采用平均值法、Board法、Copealand法對通過Spearman系數檢驗的專家指標排序進行二次排序.

（1）平均值法：將通過一致性檢驗的各位專家的指標排序結果轉換成分數：

式中：Rkj為第k個指標（k=1，2，…，n）在第j位專家（j=1，2，…，m）排序下的分數；rkj為指標k在專家j排序中的排名.其次，計算指標k在多專家評價下的綜合評價值：

按各指標綜合評價值的大小對評價指標重新排序，若兩指標評價值相等，則通過計算不同得分的標準差來確定排序，標準差小者為優.

（2）Board法：通過一致性檢驗的群組專家中，若認為指標a優于指標b的人數大于認為指標b優于指標a的人數，則記為xaSxb.定義Board矩陣B=｛qab｝n×n，其中：

則指標a的組合得分為：

依據Ba分值大小對指標重新排序，若2個指標的得分相同，則采用公式（6）確定排序先后.

（3） Copealand法：為在Board法的基礎上區分“相等”和“劣”，以期得到更好的比較結果，定義Copealand矩陣C=｛cab｝n×n，其中：

則指標a的組合得分為：

表1 指標（B1～B4）的專家一致性排序Table 1 Consistency in group ordering of B1～B4

對均值法、Board法、Copealand法得到的指標排序結果進行Spearman一致性檢驗，結果如表1所示.若檢驗結果一致，則得到指標一致性排序；否則，需對排序結果進行2次迭代修正，直到得到一致性排序為止.

1.2．4 專家權重計算 記專家一致性排序為A0，通過一致性檢驗的m位專家的指標排序分別為A1，A2，…，Am；應用公式（3）計算m位專家排序和A0的Spearman等級相關系數，記為：β01，β02，…，β0m.則第j位專家的權重為：

指標k的綜合權重Wk為：

表2 威脅度評估 體系的指標權重Table 2 Weights of indexes from threat evaluation system

1.3 指標評分標準的確立

在威脅度判定過程中，依據各指標對水源地的威脅程度，將評價因子劃分為5個等級，并賦予相應分值，見表3.

表3 評價因子的評分標準Table 3 Grading for assessment factors

1.4 威脅度分級標準的確定

依據表2中指標的綜合權重（Wk）和表3中指標評分標準，采用線性加權確定突發污染威脅度的評判結果：

式中：Wk為指標層各指標的綜合權重；Vk為指標層各指標對應的評分值.以威脅度評判結果的最大值與最小值為界，均分為4個區間，定義為威脅度的4個級別，如表4所示.

2 基于威脅度判定的應急處置技術評估模型

2.1 構建應急技術評估指標體系

通過歷史案例的調研發現［15-16］，突發污染應急處置技術的可行度主要與技術的時效性、可操作性、處置成本等因素有關；基于上述考慮，建立了包含6個準則指標和19個評價指標的水源污染應急處置技術評估指標體系，如圖2所示.

2.2 計算指標權重

當突發污染威脅度為I/II級時，表明城市供水安全受到極大威脅，此時應急技術評估的核心指標應為技術時效性；III/IV級威脅度表明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，此時在考慮技術性能的同時，應盡可能減少應急處置的成本.

為在不同威脅度下對應急處置技術進行準確評估，本文采用循環修正的群組G1賦權法計算得到了2套與威脅度等級對應的應急技術評估指標體系的權重值，如表5所示.

表4 威脅度分級標準Table 4 Criterion of threat classification

圖2 水源污染應急處置技術評估指標體系Fig.2 Technology evaluation index system for water source pollutions disposal

表5 指標（C1～C19）對目標層（A1）的權重Table 5 Weights of indexes C1～C19

續表5

2.3 確定指標評分標準

表6 應急技術評估體系事中控制指標評分標準Table 6 Scoring criteria of the mid-control indexes on emergency treatment technology

表7 應急技術評估體系事后處置指標評分標準Table 7 Scoring criteria of the post-disposal indexes on emergency treatment technology

本文構建的應急技術評估指標體系綜合考慮了突發污染的事中控制和事后處置.事中控制指標突出強調了應急技術性能和處置成本，各指標評分標準如表6所示.

事后處置指標著重考慮了應急技術實施及應急廢棄物的處置對周圍生態環境、居民社會生活所產生的影響，指標評分標準如表7所示.

3 案例應用

本文以廣西龍江鎘污染事故為例對綜合評估模型的可行性進行了驗證.

2012年1月15日，由于企業違法排污導致約21t含鎘廢水通過地下溶洞進入龍江，對下游飲用水源地柳江造成極大威脅，嚴重危及柳州市的供水安全.實時監測數據顯示龍江中鎘濃度峰值為0.408mg/L，超出《地表水環境質量標準》III類水體中鎘濃度標準限值約83倍［17-18］.

根據鎘的化學性質及相似的歷史應急處置案例，篩選出了5套可行的應急處置技術方案，如表8所示［19-20］.來自水體污染防治領域的20位專業人士對污染事故進行了詳細調研，采用基于威脅度判定的應急處置技術評估模型對可行的應急技術方案進行評估.依據實際污染情況對威脅度評估指標進行打分，判定事故為II級威脅（6.2566），因此選用與II級威脅度對應的應急技術評估指標體系的權重值對各應急技術方案進行評估，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（9.0350）＞方案3（8.7342）＞方案4（8.7081）＞方案2（8.6995）＞方案5（8.5364）.

表8 可行的應急處置技術方案Table 8 The feasible technology schemes

圖3 龍江鎘污染應急處置技術方案概況Fig.3 The sketch map of the emergent disposal plan for the cadmium pollution accident

實際應急處置過程為：在龍江河沿岸的拉浪、葉茂、洛東、三岔、糯米灘等5級梯級電站處，投加液堿（將河水的pH值提升至8.1～8.4）和PAC，盡可能地將河流污染團中的溶解性鎘離子沉降至河底，并控制龍江河污染水團的下泄流量；同時，在龍江與融江交匯處，采用調水稀釋技術，即通過加大浮石、古頂、大浦等電站的放流量，進一步稀釋污染團的濃度；最后，對柳北、城中等5個水廠進行應急改造，采用強化混凝技術對污染物進行去除，見圖3.通過多重應急技術的聯合處置，鎘污染團的濃度降至0.0039mg/L，滿足供水要求.案例應用結果表明，本研究構建的應急技術綜合評估模型成功篩選出了與實際案例相符的應急處置技術方案.

4 結論

4.1 提出了突發水源污染威脅度判定理論，確定了與不同威脅度等級對應的應急技術評估指標體系的權重值；通過多重指標體系對應急處置技術的聯合評估，確保了評估模型的科學性.

4.2 應用基于循環修正的群組G1法對評估指標進行賦權.通過Spearman等級相關系數對未通過一致性檢驗的專家排序的剔除，確保了多專家主觀排序的一致性；通過對指標一致性排序和單專家排序相關系數的循環修正計算得到了單體專家權重，合理體現了專家差異對權重的影響. 4.3 通過廣西龍江鎘污染事故實例對評估模型進行了驗證.結果表明，基于威脅度判定的應急技術綜合評估模型可迅速、準確地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撐.

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A two-stage evaluation system to identify optimum emergency disposal technology schemes of sudden water source pollutions.

QU Jian-hua1， MENG Xian-lin1，2*， YOU Hong1，2（1.School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology， Harbin 150090， China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resources and Environment， Harbin Institute of Technology， Harbin 150090， China）. China Environmental Science， 2015，35（10）：3193～3200

In order to predict the threat level of sudden pollution on water source for obtaining the optimum emergency disposal technology scheme， the threat-evaluation index system with 10evaluation indexes is established in this study. The weights of the evaluation indicators are determined in accordance to corresponding threat levels. Besides， Group-G1index weighting method based on circling correction is put forward for reflecting the influence of differences among experts on index weights in group decision making. With Spearman rank correlation coefficient as the test criterion， the consensus ranking of evaluation index and experts' weights are finally obtained through an iterative correction of onefold expert evaluation results with the combined evaluation methods integrating mean value method， Board method and Copeland method， so that the indexes are more accurate. In addition， the feasibility of this synthetic evaluation model has been verified through a sudden cadmium pollution incident that occurred in the Long River in 2012.

threat evaluation；drinking water source；circulation-correction；Group-G1；emergency disposal technology

X522

A

1000-6923（2015）10-3193-08

曲建華（1987-），男，黑龍江密山人，哈爾濱工業大學博士研究生，主要從事環境規劃與管理、環境工程技術評價方面的研究.發表論文5篇.

2015-03-16

國家環保公益性行業科研專項項目（201209048）

* 責任作者， 副教授， hgdmxl@163.com