建設用地重金屬污染修復技術篩選模型構建

白貴琪,傅開彬*,諶 書,姚 俊,查 威,田 莉

建設用地重金屬污染修復技術篩選模型構建

白貴琪1,2,傅開彬1,2*,諶 書1,姚 俊3,查 威1,2,田 莉1,2

(1.西南科技大學環境與資源學院,四川 綿陽 621010；2.西南科大四川天府新區創新研究院,四川 成都 610299；3.中國地質大學(北京)水資源與環境學院,北京 100083)

為解決試驗優選建設用地重金屬污染修復技術效率低和過程繁瑣等問題,確定了建設用地重金屬污染修復技術篩選指標,建立了修復技術篩選指標體系,基于改進的層次分析法、改進的熵權法、乘法集成法與改進的逼近理想解排序法優選重金屬污染土壤修復技術,構成建設用地重金屬污染修復技術篩選模型.通過工程案例將篩選模型與其他模型和傳統方法進行對比,分析檢驗該模型的實際應用能力與可靠性.驗證結果表明,云南個舊某選冶渣場重金屬污染土壤的修復應用適用性順序為:化學鈍化>土壤淋洗>電動修復>工程物理,四川會理某選冶廢渣場備選四種修復技術方案的相對貼近度=[0.0519,0.0502,0.0830,0.0870],優選的化學鈍化技術與土壤固化技術符合現場實際,證明構建的技術篩選模型具備高效性和準確性,對完善重金屬污染修復技術篩選流程具有重要理論意義和工程應用價值.

重金屬污染；修復技術；指標體系；篩選模型

我國西南地區是有色金屬礦的主產區,礦山的開采和其他工業活動的開展,對礦區及其周邊土壤環境造成嚴重破壞[1-4].其中包括兩組主要污染物,一組是少量就能造成土壤污染,例如汞、鉛、鉻等元素,另一組是過量就可造成污染,例如銅、鋅等[5-7],土壤重金屬污染具有持久性、毒性以及通過食物鏈進行生物積累[8-11],嚴重危害人體健康.針對重金屬污染土壤修復技術及材料種類繁多,且某一建設用地篩選適用的修復技術過程仍較復雜、繁瑣,需要通過各種實驗室或田間試驗才能確定,耗費大量時間、人力與資源,降低了修復效率.為解決篩選效率不足等問題,以現代科學技術為基礎,構建修復技術篩選模型對提高修復技術篩選的準確性和高效性起著十分關鍵的作用.

國內外研究進展表明,部分學者已在土壤重金屬污染修復技術篩選評價方面展開研究,如:李忱昊等[12]采用層次分析法(AHP)和熵權法(EWM)構建修復技術指標體系與篩選方法,研究結果表明:隨著埋深增加,土壤中Pb和Sb的污染程度逐漸降低,土壤重金屬Pb的平均潛在生態風險大小為240.9,具有很強生態風險危害.楊子杰等[13]基于AHP與模糊綜合評判法構建評估模型,驗證結果表明:工程實施及政策實行、經濟支出、社會效益、生態效益與修復效果的協調統一,綜合效益評價分值為3.21,評價等級為良好.Chen等[14]以AHP、主成分分析和生態危害指數為基礎,建立生態危害評價體系,篩選出重金屬污染農田可采用的植物修復方法.朱曉星等[15]結合具體實例,從影響重金屬污染場地修復技術選擇的因素建立修復技術篩選指標體系,利用AHP和逼近理想解排序法(TOPSIS)篩選出適合建設場地重金屬污染土壤的最優修復技術.徐婭等[16]采用由灰色關聯度法與TOPSIS法構建的評價模型,對土壤重金屬污染進行評價和排序,結果表明:得到的土壤污染情況與實際相符,TOPSIS法有較高的適用性.張金婷等[17]將傳統模糊綜合評價方法通過AHP與EWM改進后,以組合賦權的方式應用于地質異常區的土壤重金屬污染的綜合評價,結果表明:部分樣點的綜合評價結果值波動明顯,可能是以交通為主的人類活動所致.許晨慧等[18]將最大熵模糊評價模型與通過三標度法改進的AHP法相結合,構建出改進的最大熵模糊評價方法,并通過對沈陽八一灌區土壤重金屬污染的評價來驗證這一新方法,結果表明:改進的最大熵模糊評價方法結合目標函數、隸屬度、層次分析法,能夠更直觀地反映土壤中重金屬污染物權重分配情況,考慮更多的土壤重金屬信息,為合理評價土壤重金屬污染提供參考方案.

在技術的篩選評價方面,基于AHP、EWM、TOPSIS及其衍生方法的篩選指標賦權與排序的評價模型取得一些研究成果,但篩選系統模型應用于建設用地重金屬污染土壤篩選適應的修復技術方面的研究還很少.因此,本文提出構建一個建設用地重金屬污染修復技術篩選模型,該模型以改進的AHP法計算修復技術篩選指標的主觀權重,改進的EWM法計算指標的客觀權重,通過乘法集成法計算指標的組合權重,采用改進的TOPSIS法對指標組合權重值進行比較,篩選出合適的修復技術,并以云南個舊某選冶渣場和四川會理某選冶廢渣場重金屬污染修復技術篩選為例進行驗證.采用篩選模型解決重金屬污染土壤的修復技術篩選問題,提高篩選效率,篩選出最有效、最合適的技術,有針對性的進行實際應用.

1 模型構建方法

1.1 建立修復技術篩選指標體系

針對建設用地重金屬污染治理的特點和修復技術實際應用現狀,在查閱大量文獻的基礎上,綜合業內專家的意見,分析設計出建設用地重金屬污染修復技術篩選指標體系,如圖1所示.

圖1 篩選指標體系

從圖1可以看出,以目標層為總目標,以準則層的篩選指標為一級指標,其中,技術性指標主要從修復技術自身的優越性和影響區重金屬污染修復的實際需求兩方面出發;環境性指標主要以修復技術工程實踐中對生態環境的影響及環境適應度為依據;經濟性指標主要考慮修復工程示范的建設與運行維護,解決修復場地人力資源合理利用問題;場地性指標主要選擇能夠體現不同污染場地類型、修復場地特點以及修復目標的特定因素,以指標層的篩選指標為二級指標,進一步對準則層一級指標進行評價,以備選修復技術為方案層,形成一個完整的篩選指標體系.

1.2 篩選模型構建

建設用地重金屬污染修復技術篩選的關鍵在于對篩選指標權重賦值方法的選擇,常見賦值方法有主、客觀兩種,為了避免主觀性對篩選評價過程的影響,本模型通過乘法集成法綜合改進AHP和改進EWM法確定組合權重,使得賦權結果更加準確和可信,再通過改進的TOPSIS法計算備選修復技術與絕對理想解的距離,按貼近度值的大小進行排序,最終構建出如圖2所示的篩選評價模型.

圖2 篩選評價模型

1.2.1 改進AHP法計算主觀權重 對每個層次的篩選指標相對重要程度進行賦權,權重值越大,則相對重要程度越高,適用于多目標、多層次決策問題[19].改進AHP法不需對計算得到的權重值進行一致性檢驗,減少了權重的計算量,計算步驟如下:

步驟1:利用0.1～0.9標度法[20-21]如表1所示,構造指標層各二級指標與準則層之間、準則層各一級指標與目標層之間的成對比較矩陣A.

式中:為成對比較矩陣中兩兩比較的篩選指標個數;a表示因素對比因素所得到的比較結果值.

表1 重要性程度定義

步驟2:將成對比較矩陣A轉化為模糊一致性矩陣A'=(a')×n.

步驟3:計算模糊一致性矩陣中各因素的相對權重θ.

從最底層各篩選指標的相對權重向上層進行加權,得到主觀權重1=(11,12,…,1j).

1.2.2 改進EWM法計算客觀權重 改進EWM法用來衡量系統的無序程度,表示為某一篩選指標的變異性[22].其主要根據各個指標所包含的信息量來確定其值的大小,熵值越小,則相應指標在多指標綜合篩選體系中的權重越大;反之,熵值越大,則權重越小.

設有個備選建設用地重金屬污染修復技術以及個篩選指標,指標數據集為=(x)×,其中:x為第個修復技術的第項篩選指標值,計算步驟如下:

步驟1:用向量歸一化法對進行處理[23],得到標準規范化矩陣.

式中:g為第個修復技術的第個篩選指標值.

步驟2:計算第個篩選指標的第個修復技術特征比重值p、熵值e以及客觀權重值2j,得到客觀權重2=(21,22,…,2j).

1.2.3 基于乘法集成賦權理論的組合權重計算.乘法集成賦權法包含主觀與客觀賦權信息,使得AHP與EWM的優勢集中展現在組合權重上[24].乘法集成的實質是在乘法的基礎之上對主客觀權重進行歸一化處理,得到第個篩選指標的組合權重w.

1.2.4 采用改進TOPSIS法進行排序計算 通過計算備選方案與正負理想方案之間的距離來進行排序,最貼近正理想方案且離負理想方案最遠的就是最優方案[25-26].因為指標權重改變原始數據結構或者理想解的改變,傳統TOPSIS法會產生逆排序問題,引入絕對理想解得到改進的TOPSIS法[27].在模型運算中將絕對正理想解設為向量l×1=(1,1,…,1),絕對負理想解設為向量0×1=(0,0,…,0),加快計算的速率,提高模型的準確度,計算步驟如下:

步驟1:在組合賦權的基礎上構造加權規范化矩陣.

式中:v為標準規范化矩陣中元素g與乘法集成權重向量w的乘積.

步驟2:計算備選修復技術的貼近度并排序.

備選修復技術的貼近度值越大,則認為其對影響區建設用地重金屬污染修復的適用度就越高,效果越好,越能體現精準篩選模型的準確性.

2 結果與討論

為了驗證篩選評價模型的準確度和高效性,通過云南個舊某選冶渣場和四川會理某選冶廢渣場地的各項數據對該模型進行實際應用能力檢驗.

2.1 應用案例1

由于建設用地重金屬污染修復過程具有地域性強、工程實施規模大的特點,以云南個舊某選冶渣場的修復工程為研究案例,驗證上述構建的建設用地重金屬污染修復技術篩選模型的適用性與可靠性.結合污染場地的地形地貌、修復技術特點和發展趨勢,初步選取成熟度相對較高,能基本滿足修復要求的四種修復技術(電動修復、工程物理(客土/覆土、土壤包埋等)、土壤淋洗、化學鈍化)作為備選方案.本模型邀請10位相關領域的專家對4個備選修復技術進行評判,打分采取10分制,區間為[0,10],指標分值高者為優,打分依據為云南個舊某選冶渣場現有重金屬污染修復技術的運行情況,篩選指標數據集如表2所示.

表2 篩選指標數據集

2.1.1 權重計算 由式(1)～(8),通過改進AHP、改進EWM和乘法集成法分別計算出篩選指標的主觀、客觀與組合權重值如表3所示.

表3 三種賦權方法的權重值

由圖3可知,通過乘法集成法組合計算后的篩選指標權重,在數值上盡量保留了技術成熟度、修復持效性和重金屬種類指標的主、客觀初始權重的特性,該法提升了運維成本指標的權重值,集成了技術可行性、土壤安全利用、人體健康風險、生態景觀性、施工成本、污染等級和場地標準指標的權值,提高了重要指標權重值的可信度.

圖3 篩選指標權重值

2.1.2 排序計算 由式(9)和(10),采用改進TOPSIS法計算得到相對貼近度值,各備選修復技術方案排序情況如圖4所示,云南個舊某選冶渣場重金屬污染修復技術適用程度高低順序為:化學鈍化>土壤淋洗>電動修復>工程物理,與當地工程試驗采用的結果相符.

圖4 備選修復技術方案排序

2.2 應用案例2

基于四川會理某選冶廢渣場地的實例驗證,評價計算方法同應用案例1.結合該地區建設用地的地形地貌、重金屬污染特征和氣候環境等,考察溫度、濕度、土壤污染程度及其理化性質等因子,選出A方案(化學淋洗)、B方案(生態封閉)、C方案(客土/覆土)和D方案(土壤固化)作為備選方案,篩選評價指標數據集如表4所示.

表4 篩選評價指標數據集

結合主觀權重與客觀權重最終確定組合權重值為:

w=(0.0210,0.0495,0.0770,0.0382,0.0689,0.1536,

0.0736,0.1069,0.2458,0.0566,0.1089).

基于改進TOPSIS法的排序計算,得到四種修復技術方案的相對貼近度=[0.0519,0.0502,0.0830, 0.0870],相應貼近度示意圖如圖5所示,在四川會理某選冶廢渣場地建設用地重金屬污染修復治理中,土壤固化技術的貼近度值最大,即適用性最高,又因其具有快速、高效、適應性強等特點,可作為中小規模工程修復的主導技術,與當地工程試驗采用的結果相符,該防治技術常采用的固化劑有石灰、磷礦粉、赤泥、沸石等.

圖5 備選方案相對貼近度示意

2.3 模型方法比較

除此之外,本文還采用了傳統的評價模型方法(AHP?TOPSIS和EWM?TOPSIS)對案例進行了修復技術的優化篩選,其貼近度計算結果如表5所示.

表5 兩種模型的貼近度值

由表5可知,2種模型計算得到的各備選修復技術貼近度值排列順序有明顯差異,篩選評價模型融合了前兩個傳統模型的優點,其對備選修復技術的排列順序更符合修復場地的實際綜合情況,同時也說明了本文構建的篩選評價模型在修復技術優化選型實際工程應用中具有可靠性和準確性.除此之外,通過篩選模型計算的權重結果離散程度較大,能夠更好的顯示各備選修復技術間的差異性,體現了該模型方法的合理性和適用性.

3 結論

針對建設用地重金屬污染土壤修復技術的篩選程序復雜等系列問題,本文建立重金屬污染土壤修復技術篩選指標體系,構建重金屬污染土壤修復技術篩選評價系統模型,利用編程、權重計算和評價排序優選適用技術,通過案例驗證模型的實際應用能力、高效性及可靠性,得到結論如下:

3.1 確定修復技術適用性篩選評價模型的備選修復技術及評價指標與方法.通過文獻分析與專家咨詢,比較后選取物理、化學和生物三方面的土壤修復技術作為模型中的備選技術;1、2、3、4、1、2、1、2、1、2和3等評價因素為篩選指標;改變傳統AHP與EWM篩選指標賦值方法,引入絕對理想解改進TOPSIS法,結合乘法集成法形成適用于篩選評價模型的方法.

3.2 基于篩選指標權重計算方法不同對結果的影響,選取乘法集成的賦權方法對主、客觀權值進行綜合,案例驗證表明,該賦權方法提高了權重的可信度,再運用絕對理想解對傳統TOPSIS法進行改進,加快排序計算效率.

3.3 分別以云南個舊某選冶渣場和四川會理某選冶廢渣場為案例,驗證本文構建的方法模型的準確性與高效性,結果表明,化學鈍化技術對云南個舊某選冶渣場建設用地的修復治理效果較好,土壤固化技術與四川會理某選冶廢渣場當地建設用地修復治理的需求相符,實驗場地選用的修復技術與本文篩選評價模型計算結果基本一致.

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Construction of screening model for remediation of heavy metal pollution in construction land.

BAI Gui-qi1,2, FU Kai-bin1,2*, CHEN Shu1, YAO Jun3, ZHA Wei1,2, TIAN Li1,2

(1.School of Environment and Resource, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China；2.Tianfu Institute of Research and Innovation, Southwest University of Science and Technology, Chengdu 610299, China；3.School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China)., 2023,43(8)：4147～4153

To solve the problems of low efficiency and cumbersome process of remediating heavy metal contamination in construction land, this article determined the screening indicators for heavy metal pollution remediation technology in construction land, established the screening indexes for remediation technology, selected optimum heavy metal contaminated soil remediation technology based on improved analytic hierarchy process, improved entropy weight method, multiplication integration method, and improved approximate ideal solution sorting method, and constructed a screening model for heavy metal pollution remediation technology in construction land. The screening model was compared with other models and traditional methods using engineering cases, and the usability and reliability of the model are assessed and verified. The verification results show that the application order of remediation of heavy metal contaminated soil in a sorting and smelting residue field in Gejiu, Yunnan is as follows: chemical passivation > soil leaching > electric restoration > engineering physics. The relative closeness of the four alternative remediation technologies in a smelting waste site in Huili, Sichuan Province is P=[0.0519, 0.0502, 0.0830, 0.0870]. The optimized chemical passivation technology and soil solidification technology are in line with the field practice. It is demonstrated that the constructed technical screening model is efficient and accurate, which has significant theoretical value and engineering application value for enhancing the heavy metal pollution remediation technology screening process.

heavy metal pollution；remediation technique；index system；screening model

X53

A

1000-6923(2023)08-4147-07

白貴琪(1997-),男,四川成都人,碩士研究生,主要研究方向為土壤重金屬污染修復技術篩選和評價.發表論文1篇. baiguiqi2022@163.com.

白貴琪,傅開彬,諶 書,等.建設用地重金屬污染修復技術篩選模型構建 [J]. 中國環境科學, 2023,43(8):4147-4153.

Bai G Q, Fu K B, Chen S, et al. Construction of screening model for remediation of heavy metal pollution in construction land [J]. Construction of screening model for remediation of heavy metal pollution in construction land [J]. China Environmental Science, 2023,43(8):4147-4153.

2023-01-09

國家重點研發計劃項目(2019YFC1803500);四川省科技計劃項目(2022YFS0507);甘孜州科技計劃項目(21zkjjh0017)

* 責任作者, 教授, fukaibin@126.com