突發(fā)水污染事件應(yīng)急預(yù)案綜合評(píng)價(jià)方法研究

郭維維， 龍 巖

(1.山西省水利水電科學(xué)研究院，太原 030002；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

可持續(xù)發(fā)展已成為各國(guó)政治議程中的一個(gè)重要議題。可持續(xù)利用水資源是可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方面，特別是在水資源稀缺的地區(qū)[1-3]。水資源時(shí)空分布不均是制約水資源可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此大量的調(diào)水工程應(yīng)運(yùn)而生[4,5]，如美國(guó)的中央亞利桑那工程[6]，中國(guó)的南水北調(diào)工程[7]等。而明渠輸水路線長(zhǎng)、交叉建筑物多，風(fēng)險(xiǎn)源密集等特點(diǎn)，大大增加了輸水工程的污染風(fēng)險(xiǎn)。事故發(fā)生后，能否及時(shí)的采取有效地救援措施，進(jìn)行有利的應(yīng)急指揮，各種救援物資能否及時(shí)到位等等，這些問(wèn)題其實(shí)反映出建立一個(gè)完善的預(yù)案庫(kù)是十分必要的。因?yàn)閼?yīng)急預(yù)案對(duì)整個(gè)救援工作起到指導(dǎo)性作用，因此預(yù)案的好壞、優(yōu)劣會(huì)直接影響到整個(gè)救援的效果。

目前一系列的突發(fā)水污染事件的發(fā)生已引起廣泛的學(xué)者對(duì)突發(fā)水污染事件應(yīng)急預(yù)案的關(guān)注，有些專(zhuān)家早已開(kāi)始研究突發(fā)水污染事件應(yīng)急預(yù)案[8]。例如，He[9]等人基于GIS系統(tǒng)，針對(duì)三峽工程突發(fā)水污染事件，提出了能夠預(yù)測(cè)污染位置的應(yīng)急體系；Liu[10]等將模糊綜合評(píng)價(jià)方法與GRA方法相結(jié)合，針對(duì)突發(fā)化學(xué)污染事件提出了有效的應(yīng)對(duì)措施；Shi[11]對(duì)苯胺污染事件進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，運(yùn)用AHP方法構(gòu)建了技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從而提出最優(yōu)的應(yīng)急處置預(yù)案；有些學(xué)者針對(duì)突發(fā)水污染事件，從管理學(xué)角度出發(fā)[12,13]，提出了事件環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理體制；但是他們只是局限于預(yù)案的編制，對(duì)預(yù)案的優(yōu)劣評(píng)價(jià)研究的很少。因此，建立一種突發(fā)水污染事件應(yīng)急預(yù)案評(píng)價(jià)方法是非常有必要的，不僅可以為確定出更合理、科學(xué)的應(yīng)急預(yù)案提供指導(dǎo)，還可以為其他行業(yè)應(yīng)急預(yù)案的評(píng)價(jià)提供參考。

為了確定有效合理的預(yù)案，本文基于AHP法[14,15]、熵權(quán)法[16,17]、TOPSIS法[18-20]和社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展度模型(CDDM)[21,22]構(gòu)建了應(yīng)急預(yù)案定量評(píng)價(jià)模型。并以南水北調(diào)中線典型渠段為例驗(yàn)證了此方法在突發(fā)水污染事件應(yīng)急預(yù)案評(píng)價(jià)過(guò)程中的科學(xué)有效性。

1 構(gòu)建模型

模型的具體思路是根據(jù)預(yù)案的影響因素，建立應(yīng)急預(yù)案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，然后采用TOPSIS法、AHP方法和熵權(quán)法相結(jié)合的方法，確定各應(yīng)急預(yù)案與理想預(yù)案的接近度；同時(shí)根據(jù)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展度模型(CDDM)確定效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)之間的協(xié)調(diào)性，最后采用綜合評(píng)價(jià)的方法來(lái)確定最優(yōu)預(yù)案。其具體步驟如下。

1.1 根據(jù)預(yù)案的影響因素，建立應(yīng)急預(yù)案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)預(yù)案的影響因素，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)為：調(diào)控成本、處置成本、恢復(fù)成本、損失費(fèi)用、預(yù)防預(yù)警效果、應(yīng)急響應(yīng)程度、災(zāi)后恢復(fù)評(píng)價(jià)、聯(lián)動(dòng)性8項(xiàng)指標(biāo)。突發(fā)水污染事件應(yīng)急預(yù)案評(píng)價(jià)體系如圖1所示，各指標(biāo)說(shuō)明見(jiàn)表1。其中調(diào)控成本、處置成本、恢復(fù)成本、損失費(fèi)用為成本型指標(biāo)，即指標(biāo)值越小越優(yōu)；預(yù)防預(yù)警效果、應(yīng)急響應(yīng)程度、災(zāi)后恢復(fù)評(píng)價(jià)、聯(lián)動(dòng)性為效益型指標(biāo)，即指標(biāo)值是越大越優(yōu)。

圖1 突發(fā)水污染事件應(yīng)急預(yù)案評(píng)價(jià)體系

表1 各指標(biāo)說(shuō)明表

1.2 確定各應(yīng)急預(yù)案評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

指標(biāo)的權(quán)重確定方法一般分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩種。不管用哪種方法，得到的權(quán)重都會(huì)有一定的偏差，因此為了彌補(bǔ)這種缺陷，將兩種權(quán)重方法結(jié)合，其計(jì)算內(nèi)容如下。

(1)AHP確定主觀權(quán)重。主觀權(quán)重主要是憑借決策者或者專(zhuān)家的知識(shí)儲(chǔ)備和決策經(jīng)驗(yàn)，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行賦值，常采用的方法是AHP法。AHP方法是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。通過(guò)各元素對(duì)比構(gòu)造對(duì)比矩陣，然后確定每個(gè)對(duì)比矩陣的最大特征根及對(duì)應(yīng)的特征向量，并做一致性檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)通過(guò)，歸一化后的特征向量即為權(quán)向量，即為λij。

采用Saaty推薦的1～9刻度發(fā)來(lái)構(gòu)造準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的判斷矩陣A，計(jì)算出判斷矩陣A的最大特征值λmax，然后根據(jù)最大特征值λmax計(jì)算判斷矩陣的一致性指標(biāo)C.I。其次，通過(guò)查隨機(jī)一致性指標(biāo)確定隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I。然后，計(jì)算一致性比率即：一致性指標(biāo)C.I與同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I的比較值；一般地，當(dāng)一致性比率C.R<0.1時(shí)，認(rèn)為A的不一致程度在允許范圍之內(nèi)，有滿(mǎn)意的一致性，通過(guò)檢驗(yàn)，接受判斷矩陣；否則，重新構(gòu)造判斷矩陣。最后，一致性檢驗(yàn)通過(guò)后，計(jì)算各因素的權(quán)重λij。

(1)

(2)

(2)熵值法確定客觀權(quán)重。熵值法是一種客觀賦權(quán)法，其根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)觀測(cè)值所提供的信息的大小來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)熵的特性，用熵值來(lái)判斷某個(gè)指標(biāo)的離散程度，指標(biāo)的離散程度越大，該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響(權(quán)重)越大，其熵值越小，計(jì)算內(nèi)容如下：

①構(gòu)造原始數(shù)據(jù)矩陣。假設(shè)有m個(gè)預(yù)案，每個(gè)預(yù)案包含8個(gè)指標(biāo)，xij為第i個(gè)預(yù)案在第j個(gè)指標(biāo)下的值，原始數(shù)據(jù)矩陣R如下所示。

(3)

②各指標(biāo)同度量化。計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)下第i個(gè)預(yù)案指標(biāo)值的權(quán)重pij和熵值ej。

(4)

③計(jì)算指標(biāo)熵權(quán)μij。各指標(biāo)之間的差異系數(shù)為：

(5)

式中：gj為各指標(biāo)之間的差異系數(shù)。

(3)綜合權(quán)重。為了使客觀權(quán)重和主觀權(quán)重的分配更合理，引入距離函數(shù)，進(jìn)行主觀權(quán)重與客觀權(quán)重的組合，設(shè)主觀權(quán)重ω1與客觀權(quán)重ω2之間的距離函數(shù)為：

i=1,2,…,m;j=1,2,…,8

(6)

給主觀權(quán)重ω1與客觀權(quán)重ω2分配系數(shù)分別為a1、a2，為了使不同權(quán)重之間的差異程度與分配系數(shù)之間的差異系數(shù)一致，則采用下式進(jìn)行計(jì)算。

D(ω1,ω2)2=(a1-a2)2

a1+a2=1

ωij=a1λij+a2μij

(7)

1.3 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣和加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣

(1)首先確定各指標(biāo)的量化公式。根據(jù)表1可知，每項(xiàng)指標(biāo)的確定與多個(gè)因素有關(guān)，采用專(zhuān)家咨詢(xún)的形式確定每項(xiàng)指標(biāo)的得分Ci。

(2)構(gòu)建指標(biāo)值評(píng)價(jià)矩陣。根據(jù)各指標(biāo)的量化公式確定指標(biāo)值，然后構(gòu)建指標(biāo)值評(píng)價(jià)矩陣，由于評(píng)價(jià)指標(biāo)值類(lèi)型不同，本文中評(píng)價(jià)指標(biāo)均統(tǒng)一采用下面的公式對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。

(8)

(3)計(jì)算加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣。

cij=ωijrij,i=1,2,…,m;j=1,2,…,8

(9)

1.4 求正、負(fù)理想方案，計(jì)算各個(gè)預(yù)案到理想方案的距離

(1)求正理想方案C+和負(fù)理想方案C-。

(10)

(11)

式中：I屬于效益型指標(biāo)；J屬于成本指標(biāo)；

(12)

1.5 計(jì)算各個(gè)預(yù)案到理想方案的接近度Vi

(13)

1.6 確定各個(gè)預(yù)案的協(xié)調(diào)程度

將協(xié)調(diào)發(fā)展度模型引入，從整體上對(duì)突發(fā)水污染事件的應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行評(píng)價(jià)，預(yù)案的協(xié)調(diào)性越高，預(yù)案越優(yōu)。

x1，x2，x3，x4為4個(gè)成本型指標(biāo)值，x5，x6，x7，x8為4個(gè)效益型指標(biāo)值，用f(x)表示成本型指標(biāo)，g(x)表示效益型指標(biāo)，利用式(14)分別計(jì)算出。

(14)

式中：wi為權(quán)重系數(shù)。

當(dāng)f(x)與g(x)的離差越小，成本指標(biāo)和效益指標(biāo)之間的協(xié)調(diào)性越好，因此用離差系數(shù)表示其協(xié)調(diào)度，如式(15)所示。

(15)

將評(píng)價(jià)成本指標(biāo)與效益指標(biāo)協(xié)調(diào)發(fā)展水平的定量指標(biāo)定義為協(xié)調(diào)發(fā)展度或協(xié)調(diào)發(fā)展系數(shù)，用F表示，其計(jì)算公式為;

(16)

式中：F為協(xié)調(diào)發(fā)展度；E為協(xié)調(diào)度；T為成本指標(biāo)與效益指標(biāo)的評(píng)價(jià)指數(shù)；α、β為權(quán)重。

1.7 確定最優(yōu)預(yù)案

在應(yīng)急預(yù)案評(píng)價(jià)過(guò)程中，不僅要考慮各預(yù)案與理想預(yù)案的接近度，還要考慮各預(yù)案本身的協(xié)調(diào)程度。因此，基于上述描述，將預(yù)案接近度與預(yù)案協(xié)調(diào)度相結(jié)合，得到應(yīng)急預(yù)案最終的評(píng)價(jià)結(jié)果，表現(xiàn)形式如式(17)所示。

Gi=FiVi

(17)

方案排序，Gi越大，對(duì)應(yīng)的預(yù)案越優(yōu)，即：

Optimal=max{Gi},i=1,2,…,m

(18)

2 案例分析

假設(shè)南水北調(diào)中線工程中嚴(yán)陵河節(jié)制閘至淇河節(jié)制閘發(fā)生突發(fā)水污染事故，在嚴(yán)陵河節(jié)制閘處，有10t不可降解的可溶性物質(zhì)瞬時(shí)進(jìn)入渠道，兩個(gè)節(jié)制閘之間有一個(gè)譚寨分水口。通過(guò)計(jì)算可知，污染物到達(dá)淇河節(jié)制閘和十二里河節(jié)制閘的時(shí)間分別為20和180min。因此，在事故渠池設(shè)置2種情景，事故渠池上游段設(shè)置2種情景，事故渠池下游段設(shè)置1種情景，則共有4種應(yīng)急預(yù)案(表2)。

(1)確定各指標(biāo)值。利用水力學(xué)模型對(duì)4種應(yīng)急調(diào)度措施進(jìn)行模擬，分別將8個(gè)指標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

(2)確定各指標(biāo)權(quán)重。

①主觀權(quán)重。經(jīng)過(guò)專(zhuān)家咨詢(xún)，得到4個(gè)預(yù)案的判斷矩陣，根據(jù)AHP方法求出各預(yù)案的權(quán)重向量為：

λ1j=(0.171,0.119,0.147,0.119,0.089,0.126,0.096,0.133)

λ2j=(0.174,0.104,0.149,0.121,0.091,0.128,0.097,0.136)

λ3j=(0.164,0.112,0.083,0.191,0.094,0.115,0.101,0.14)

λ4j=(0.167,0.153,0.084,0.076,0.094,0.116,0.167,0.143)

表2 應(yīng)急調(diào)度措施信息表

表3 應(yīng)急預(yù)案指標(biāo)體系數(shù)據(jù)表

②客觀權(quán)重。對(duì)表3中指標(biāo)數(shù)據(jù)歸一化處理后，可得到熵權(quán)法的權(quán)重為：

μ1j=(0.124 1,0.125 4,0.124 8,0.124 7,0.125 2,0.125 0,0.125 2,0.125 6)

μ2j=(0.124 8,0.124 6,0.125 2,0.124 2,0.125 4,0.125 4,0.125 2,0.125 2)

μ3j=(0.126 0,0.125 3,0.124 8,0.125 8,0.124 6,0.124 3,0.124 5,0.124 7)

μ4j=(0.125 3,0.124 6,0.125 2,0.125 3,0.124 8,0.125 2,0.125 1,0.124 5)

③綜合權(quán)重。根據(jù)式(6)、式(7)得到每個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重，為：

(3)構(gòu)建加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣。

①求正理想方案C+和負(fù)理想方案C-。

(5)計(jì)算各個(gè)預(yù)案到理想方案的接近度Vi。

(6)計(jì)算各個(gè)預(yù)案的協(xié)調(diào)度Fi。根據(jù)式(14)～(16)，計(jì)算各預(yù)案的協(xié)調(diào)發(fā)展度，結(jié)果如下所示：

(7)確定最優(yōu)預(yù)案。根據(jù)式(17)可以得到：

根據(jù)結(jié)果可知，預(yù)案3為最優(yōu)預(yù)案。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于改進(jìn)TOPSIS和協(xié)調(diào)發(fā)展度模型的應(yīng)急預(yù)案評(píng)估方法。首先，根據(jù)預(yù)案的影響因素，選擇了8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并根據(jù)指標(biāo)的性質(zhì)將其劃分為成本型指標(biāo)和效益型指標(biāo)。其次，考慮到僅使用主觀方法或客觀方法來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重，會(huì)使結(jié)果有些不合理。因此采用熵方法和AHP方法相結(jié)合，以確定指數(shù)權(quán)重。然后，采用TOPSIS和協(xié)調(diào)發(fā)展度模型相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定最優(yōu)應(yīng)急預(yù)案。最后以南水北調(diào)中線總干渠典型渠道為例，運(yùn)用應(yīng)急預(yù)案綜合評(píng)價(jià)方法，確定了最優(yōu)方案。結(jié)果表明，該方法可行，而且結(jié)果很合理。該綜合評(píng)價(jià)方法為應(yīng)急預(yù)案評(píng)估提供了一種新的方法，可為研究區(qū)內(nèi)突發(fā)性水污染的治理，污染控制和處置提供有價(jià)值的信息。

□