基于水污染治理目標需求的AHP-TOPSIS技術適用性評估方法研究

梁家豪，王振北，朱洪濤，孫德智*

1.北京林業大學水體污染源控制技術北京市重點實驗

2.北京林業大學污染水體源控與生態修復技術北京高校工程研究中心

隨著人們對于美好生活的不斷追求，對水環境 質量的要求也越來越高。近年來，國家相繼出臺了《水污染防治行動計劃》《關于全面加強生態環境保護 堅決打好污染防治攻堅戰的意見》等指導性文件，旨在推動我國水環境污染的治理進程[1-2]。由于我國不同區域在自然地理、經濟水平、產業結構和治理目標等方面存在顯著的差異性[3]，如何根據水污染治理目標篩選合適的治理技術對于治理目標能否實現往往起到關鍵作用。

水環境污染治理技術評估是篩選技術適用性的重要方法。我國學者已經從不同的角度建立了多種水環境污染治理技術評估方法。例如，李叢[4]利用模糊綜合評價法，從污染物去除效果和經濟效益2個方面進行了技術性能的綜合評價，將分值較高的技術作為遼寧省六大典型行業優選的水污染治理技術；李嬌等[5]從“環境、經濟、技術”3個維度構建了水污染治理技術綜合評估指標體系，采用排序賦值法和分級賦值法評估了各項技術，在此基礎上綜合考慮各項技術在3個維度的特征進行技術選擇。這些研究極大地豐富了技術評估的方法學理論，為正確認知不同技術在多個維度上的特征提供了重要支撐。然而，這些技術評估方法主要關注于技術自身的特性，并未考慮不同水污染治理目標需求的差異性，存在技術評估后選擇的技術與治理目標需求不匹配的問題。

針對以上問題，筆者基于層次分析法（AHP）和優劣解距離法（TOPSIS）建立一套以水污染治理目標需求為導向的技術適用性評估方法，并以某海綿城市建設和某黑臭水體治理項目為案例，開展技術適用性評估和篩選應用研究，以期為地方政府部門、企業等單位根據區域水污染治理目標需求篩選出適宜的技術提供技術支撐。

1 方法技術內容

1.1 技術適用性評估流程

基于水污染治理目標需求的技術適用性評估流程主要包含備選技術庫構建、技術綜合評估指標體系構建、適用性技術初篩以及技術綜合性能評估4 個步驟（圖1）。

圖1 技術適用性評估方法流程Fig.1 Flow-chart of technical applicability assessment

1.1.1 備選技術庫構建

根據水體污染控制與治理技術就緒度評價準則，技術就緒度6級及以上的技術具有實際工程應用的潛能和可以實施的建設方法[6]。因此，可將技術就緒度6級及以上的技術納入到區域水污染治理的備選技術庫。本研究以國家水體污染控制與治理科技重大專項已研發的水污染治理技術作為后續案例的技術儲備庫，其治理技術體系如圖2所示。

圖2 水污染治理技術體系Fig.2 Water environment treatment technology system

1.1.2 技術評估指標體系構建

收集包括區域水體污染特征、區域水體控制目標、經濟社會發展水平等維度的信息，具體如水環境污染成因、水體水質現狀、區域水質目標、計劃治理投資成本等。對區域信息進行分析，確定區域水污染治理的目標需求，并將其分解成為需要治理的目標指標。利用這些目標指標從技術基礎信息中凝練與之對應的技術評估指標。

需要說明的是，如果某區域水體水污染治理目標無法依靠單一技術實現，需將治理目標分解為幾項分目標，每項分目標按照本研究介紹的方法進行適配性技術的篩選。

1.1.3 適用性技術初篩

不同備選技術其適用條件不盡相同，為避免出現所選的備選技術不適用的情況，在對技術綜合性能評估之前，需要通過比較技術特征與區域客觀條件（如地理特征、水體特征、自然氣候特征、區域開發程度等），對備選技術庫中的技術進行初篩，能夠滿足區域水污染治理客觀條件的技術進入綜合性能評估環節。

1.1.4 技術綜合性能評估

由于區域水污染治理目標需求存在差異，導致其對不同技術指標重視程度有所不同，因此需要采用AHP法對技術指標進行賦權[7-9]。在AHP賦權的基礎上，為了判斷技術是否能達到區域水污染治理的目標需求，需采用TOPSIS法對技術綜合性能和區域水污染治理需求目標進行評估賦值[10-11]。最后，比較技術綜合性能評估值和治理目標評估值，技術綜合性能評估值較治理目標評估值越高，其越適于作為該治理目標下的技術。需要注意的是，若某技術綜合性能評估值高于治理目標評估值，但其某項指標值沒有達到目標值，則需排除該技術。

1.2 技術甄選與適用性評估方法

1.2.1 AHP賦權法

根據技術評估指標對區域水環境污染治理的重要程度采用AHP方法進行賦權，具體步驟如下[12-13]。

采用標度法量化比較技術評估指標的重要程度，技術指標相對重要等級見表1，量化后所構造的判斷矩陣A見式（1）。

表1 標度法相對重要程度等級表Table 1 Relative importance level of scale method

式中：i為技術評估指標；n為技術評估指標個數；a1i為第1項技術指標比第i項技術指標的重要程度賦值。A應滿足a>0，a11=a22=···=ann=1，aij=1/aji。

為了避免指標間賦值不合理，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。其中，一致性指標（CI）計算方法如下：

式中λmax為判斷矩陣A的特征值。

確定CI后，查表2確定平均隨機一致性指標（RI），采用式（3）計算一致性比例（CR）。如果 CR<0.1，則認為判斷矩陣的一致性可以接受；否則需要對判斷矩陣一致性進行修正。

表2 平均隨機一致性指標查詢表Table 2 Average random consistency index query table

在確定判斷矩陣具有一致性后，利用幾何平均法計算各技術指標的權重占比()，公式如下:

1.2.2 TOPSIS賦值法

TOPSIS賦值法具體步驟如下[14]。

（1）由于技術指標包括極小型指標、極大型指標和中間型指標，因此需要將所有技術指標統一轉換為極大型指標，即指標正向化。

技術指標數值越低代表其性能越好，則該指標為極小型指標，需采用極小型指標轉換為極大型指標的方法。

若技術指標數值越靠近中間某個值代表其性能越好，則該指標為中間型指標，需采用中間型指標轉換為極大型指標的方法。

式中：xbest為最佳指標數值；M為指標數值與最佳指標數值的最大差值。

（2）對于正向化后的指標進行標準化，消除不同指標間量綱的影響。

式中：j為各項技術；xij為各技術指標的正向化值；zij為技術指標的標準化值。

（3）將標準化值組合構建標準化矩陣Z。

（4）求解標準化矩陣的正理想解Z+和負理想解Z-。

式中：m為技術個數；Z+為技術指標中技術性能最優的指標值；Z-為技術指標中技術性能最差的指標值。

（5）結合技術指標權重，計算技術與正負理想解的距離Di+和Di-。

（6）計算技術與理想解的貼近度（Si）并將其歸一化得到。

2 典型案例應用研究

選取T城市某海綿城市建設試點區水污染治理和C城市某湖黑臭水體治理作為典型案例，對基于區域水污染治理目標需求的技術適用性評估方法進行應用。

2.1 T城市某海綿城市建設試點區水污染治理

T城市某老舊城區水體主要污染特征：1）合流制管網占比較高、排水管網運行效率低且地面透水和滲水功能較弱，容易發生嚴重積水；2）生活點源和降雨徑流面源污染嚴重，導致該區域水體氨氮為劣Ⅴ類水質、化學需氧量（COD）和總磷（TP）為Ⅴ類水質（GB 3838—2002《地表水環境質量標準》）[15]。因此，擬在該老舊城區建設海綿城市試點區，通過實施面源過程控制類技術實現水污染治理，治理區域面積0.115 km2，治理投資4 427萬元。在建設海綿城市試點區后，擬實現徑流總量控制率達78%以上，總懸浮物（TSS）凈化率達65%以上，氨氮削減率達41%以上，COD削減率達32%以上，TP削減率達17%以上，雨水收集回用率達30%以上。

2.1.1 構建備選技術庫

從水污染治理體系的面源過程控制類技術中，選擇技術就緒度達到6級及以上的技術納入到備選技術庫。構建的備選技術庫如表3所示。

表3 T城市案例面源過程控制類備選技術庫構建Table 3 Construction of alternative technology library for non-point source process control in the case of T city

2.1.2 技術評估指標體系

結合T城市特點以及該海綿城市試點區水環境污染特征和海綿城市相關治理規劃文件[16-17]，確定T城市某海綿城市試點區在面源過程控制方面的水污染治理目標需求，形成面源過程控制方面的水污染治理目標，將治理目標分解成相應的治理指標，再根據治理指標從備選技術的基礎信息中篩選出技術評估指標。技術評估指標包括徑流總量控制率、TSS凈化率、COD削減率、氨氮削減率、TP削減率、技術投資成本和雨水收集回用率。

2.1.3 適用性技術初篩

將備選技術的技術特征與T城市某海綿城市建設試點區水污染治理的客觀條件進行比較，初步篩選出滿足該試點區水污染治理客觀條件的技術。初篩過程及結果如表4所示。

表4 T城市案例面源過程控制類備選技術初篩過程及結果Table 4 Preliminary screening process and results of alternative technologies in the case of T city

2.1.4 技術綜合性能評估

T城市案例為海綿城市建設試點區水污染治理，根據《海綿城市建設技術指南》，其徑流總量控制率需要達到基本目標要求，所以徑流總量控制率是最重要的指標。其次，由《海綿城市建設評估指標》可知，TSS凈化率作為海綿城市建設重要參考指標之一，需要充分考慮。由于該試點區的氨氮削減率>COD削減率>TP削減率，所以氨氮削減效果更為重要。此外，海綿城市建設還需進行雨水的回用收集，由于T城市經濟基礎雄厚但極為缺水，與技術投資成本相比，雨水收集回用率更為重要。綜上，T城市某海綿城市建設試點區水污染治理的判斷矩陣賦值見表5。

表5 T城市案例面源控制類技術指標判斷矩陣賦值Table 5 Judgment matrix of technical indicators of non-point source control in the case of T city

對建立好的判斷矩陣采用式（2）進行一致性檢驗。根據CI為0.032 5，由表2確定RI為1.36，利用式（3）計算出CR，其結果小于0.1，判斷矩陣的一致性可以接受。

采用式（4）計算技術評估指標權重占比，從大到小依次為徑流總量控制率（35.0%）、TSS凈化率（23.8%）、氨氮削減率（15.9%）、COD 削減率（10.6%）、TP削減率（7.0%）、投資成本（3.2%）、雨水收集回用率（4.6%）。

結合技術各指標權重，利用式（5）～式（15）計算T城市某海綿城市建設試點區水污染治理備選技術庫中技術的綜合性能評估值和案例治理目標評估值，結果見表6。其中，初期雨水水力旋流-快速過濾技術（3號技術）和復合流人工濕地處理系統與技術（4號技術）綜合性能評估值高于T城市案例治理目標評估值，并且各項指標性能值滿足案例治理目標需求，所以可將3號和4號技術作為該案例的適配推薦技術，供決策者選擇。

表6 T城市案例面源控制類技術評估結果Table 6 Technical assessment results in the case of T city

2.2 C城市某湖黑臭水體治理

C城市某湖水體呈重度黑臭，各項污染指標超標嚴重，其污染成因主要如下：1）該湖作為城市片區雨水的受納水體，初期雨水污染是湖體污染源之一；2）該湖上游雨污管網存在混接和破損情況，導致污水溢流入湖體[18]。為改善該湖水環境質量，計劃開展C城市某湖黑臭水體的治理工作。由于該湖位于城市主城區，無進行大規模改造的條件，因此擬采用面源過程控制類和污染負荷控制類技術進行治理。案例中某湖定位為城市生態濕地及景觀水體，面源過程控制類技術治理面積為0.012 km2，投資成本為480萬元。擬通過面源過程類控制技術實現全年外排雨量達3 800 mm以上，TSS凈化率達47%以上，TN削減率達51%以上，COD削減率達47%以上，TP削減率達45%以上，氨氮削減率達30%以上。

2.2.1 備選技術庫

C城市某湖黑臭水體治理面源過程控制類技術的備選技術庫構建參考表3，共包含強化混凝沉淀過濾凈化泵站雨水技術、基于旋流分離及高密度澄清裝備的初期雨水就地處理技術和初期雨水水力旋流-快速過濾技術等10項技術。

2.2.2 技術評估指標體系

結合C城市特點以及該湖水體污染特征和黑臭水體治理相關規劃文件[19-21]，確定C城市某湖黑臭水體在面源過程控制方面的水污染治理需求，形成面源過程控制方面的水污染治理目標，將C城市案例的治理目標分解成相應的治理指標，再根據治理指標從備選技術的基礎信息中篩選出技術評估指標。評估指標包括徑流總量控制率、TSS凈化率、TN削減率、COD削減率、氨氮削減率、TP削減率、技術投資成本。

2.2.3 適用性技術初篩

將備選技術的技術特征與C城市某湖黑臭水體治理的客觀條件進行比較，初步篩選出滿足區域水污染治理客觀條件的技術，結果如表7所示。

表7 C城市案例備選技術初篩過程及結果Table 7 Preliminary screening process and results of alternative technologies in the case of C city

2.2.4 技術綜合性能評估

C 城市某湖黑臭水體治理需首要保證的是該湖水體主要污染物的有效去除。由于該湖污染物削減壓力表現為TN>COD>TP>氨氮，所以TN的去除最為重要，其次是COD、TP和氨氮的去除。同時，初期雨水徑流總量和懸浮物濃度也需加以考慮。此外，治理黑臭水體時也應該有對投資成本的考慮。綜上，C城市某湖黑臭水體治理的判斷矩陣賦值見表8。

表8 C城市案例面源控制類技術指標判斷矩陣賦值Table 8 Judgment matrix of technical indicators of non-point source control in the case of C city

采用式（2）對建立好的判斷矩陣進行一致性檢驗。根據CI為0.014 3，由表2確定RI為1.26，計算出CR小于0.1，顯示該案例所構成判斷矩陣的一致性可以接受。

采用式（4）計算該案例的技術評估指標權重占比，從大到小依次為TN削減率（35.3%）、COD削減率（24.1%）、TP削減率（16.1%）、氨氮削減率（11.1%）、徑流總量控制率（5.0%）、TSS凈化率（5.0%）、投資成本（3.3%）。

利用式（5）～式（15）計算C城市某湖黑臭水體治理備選技術庫中技術的綜合性能評估值和案例治理目標評估值，結果見表9。其中，分流制排水系統末端滲蓄結合污染控制技術（3號技術）和城市面源污染凈化與生態修復耦合技術（6號技術）綜合性能評估值高于C城市案例治理目標評估值，并且各項指標性能值滿足治理目標需求，所以可將3號和6號技術作為該案例的適配推薦技術，供決策者選擇。

表9 C城市案例技術評估結果表Table 9 Technical assessment results in the case of C city

3 結果與討論

由2.1.4節分析可知，T城市某海綿城市建設試點區水污染治理案例的適配性推薦技術為初期雨水水力旋流-快速過濾技術和復合流人工濕地處理系統與技術。根據各技術指標性能和綜合評估結果，比較分析這2項技術，由圖3可知，初期雨水水力旋流-快速過濾技術綜合評分為0.325，高于復合流人工濕地處理技術的0.141綜合評分。2項技術在TSS凈化率、TP削減率和COD削減率這3個指標的技術性能值差距較小，而在徑流總量控制率、氨氮削減率和雨水收集回用率3個指標上前者的技術性能值明顯高于后者，并且這3項指標累計權重占比達到55.5%，導致前項技術的綜合評分明顯高于后項技術。此外，根據表6可知，前項技術的技術投資成本為120元/m2，遠低于后項技術的380元/m2，表明前者技術性價比也優于后項技術。綜上，選用前項技術可以較好地控制T城市某海綿城市建設試點區在降雨時的地表徑流量，有效去除降雨徑流中的懸浮顆粒物，并且還能夠較好地收集回用雨水減緩城市水資源短缺壓力，性價比較高；而后項技術在COD和TP去除方面優于前項技術。

圖3 T城市案例適配性推薦技術指標性能雷達圖Fig.3 Suitability recommended technical indicators performance radar diagram in the case of T city

由2.2.4節分析可知，C城市某湖黑臭水體治理案例的適配性推薦技術為分流制排水系統末端滲蓄結合污染控制技術和城市面源污染凈化與生態修復耦合技術。根據各技術指標性能和綜合評估結果，比較分析這2項技術，由圖4可知，分流制排水系統末端滲蓄結合污染控制技術的綜合評分為0.194，高于城市面源污染凈化與生態修復耦合技術的0.152綜合評分。2項技術在氨氮削減率和TN削減率這2項指標上技術性能值差距較小，而在徑流總量控制率、TSS凈化率、TP削減率和TN削減率這4個技術指標上前者的技術性能值明顯高于后者，并且這4項指標累計權重占比達到53.5%，導致前項技術的綜合評分明顯高于后項技術。此外，根據表9可知，后項技術的技術投資成本為263元/m2，低于前項技術的300元/m2，表明后項技術性價比優于前項技術。綜上，選用前項技術可以在全方位改善C城市某湖水體污染程度的同時，有效控制初期雨水對湖體的徑流污染，但是性能較好的技術需要付出更高的投資成本代價，而后項技術的投資成本更低廉，所以也是一項可供選擇的技術。

圖4 C城市案例適配性推薦技術指標性能雷達圖Fig.4 Suitability recommended technical indicators performance radar diagram in the case of C city

4 結論

（1）構建以治理目標需求為導向的AHP-TOPSIS技術適用性評估方法，該方法包含備選技術庫構建、技術綜合評估指標構建、適用性技術初篩和技術綜合性能評估4個步驟。在綜合評估指標中，既包括根據水污染治理目標分解的評估指標，又包含技術本身的性能指標。

（2）采用AHP對指標體系中每項指標賦權，采用TOPSIS對備選技術進行綜合性能評估，進而篩選出滿足不同水污染治理目標需求的適配性推薦技術。

（3）應用該方法對某海綿城市建設和某黑臭水體治理項目所需技術的篩選評估結果表明，對于相同的備選技術庫，T城市某海綿城市建設案例篩選出技術綜合評分分別為0.325和0.141的初期雨水水力旋流-快速過濾技術和復合流人工濕地處理系統與技術作為其適配推薦技術，C城市某湖黑臭水體治理案例篩選出技術綜合性能評分分別為0.194和0.152的分流制排水系統末端滲蓄結合污染控制技術和城市面源污染凈化與生態修復耦合技術作為其適配推薦技術。綜上，本研究的技術適用性評估方法可以實現基于水污染治理目標需求的適配性技術篩選。