两阶段评估体系筛选水源突发污染应急最优技术方案

曲建华，孟宪林，2*，尤 宏，2（.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 50090；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 50090）

两阶段评估体系筛选水源突发污染应急最优技术方案

曲建华1，孟宪林1，2*，尤 宏1，2（1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150090）

为预判突发污染对水源的威胁程度，进而筛选适宜污染情景的最优应急处置技术，本研究构建了包含10个评价指标的水源突发污染威胁度判别指标体系，依据威胁度等级判定，确定与不同威胁度对应的应急处置技术评估指标体系的指标权重.同时，为合理体现群决策过程中专家差异对权重的影响，提出了基于循环修正的群组G1指标赋权法.以Spearman等级相关系数作为检验标准，应用平均值法、Board法、Copeland法3种组合评价方法对单一专家评价结果进行循环迭代修正，最终得到评价指标的一致性排序和各位专家的权重，使各项指标的权重赋值更为准确.将综合评估模型应用于2012年广西龙江镉污染事故中，成功筛选出“调水稀释—絮凝沉降—水厂强化混凝”的组合应急技术方案，同实际情况吻合，验证了评估模型的可行性.

威胁度判定；饮用水源地；循环修正；群组G1；应急处置技术

水源地因关系到饮用水水质安全问题，故其具有社会敏感性，一旦遭受污染，应急专家需在短时间内筛选出最优的应急处置技术方案对污染进行有效处置［1］.目前，国内外针对应急技术筛选方面的研究处于起步阶段，相关研究主要集中于通过AHP［2-4］、FAHP［5-6］、G1［7-8］、TOPSIS［9-10］等方法对单一评价指标体系进行权重赋值，进而对研究对象进行评估.然而，突发污染对水源地威胁程度的不同势必导致评估体系中经济型指标和技术时效型指标权重比重的不同，因此，固定一套指标体系权重进行应急技术评估缺乏科学性.同时，应急技术的筛选与评估是多专家群决策过程，上述方法均未合理体现专家差异对指标权重的影响，无法确保评估结果的准确性.

为此，本文构建了基于威胁度判定的应急处置技术评估模型.依据威胁度分级标准，采用基于循环修正的群组G1法确定了与之对应的应急技术评估体系的指标权重，旨在实现多重指标体系对应急处置技术的联合评估.

1 水源突发污染威胁度等级判定

1.1 威胁度评估指标体系的构建

为确定影响突发污染对水源危害程度的因素，对1985～2013年间近300起水源突发污染案例进行了调研，依据调研结果从污染情况、水源地规模、应急管理和备用水源等4方面构建了包含10个关键评价指标的水源突发污染威胁度评估指标体系，如图1所示.

图1 水源地突发污染威胁度评估指标体系Fig.1 Threat evaluation index system for drinking water source pollution

1.2 基于循环修正的群组G1指标赋权

1.2．1 单专家的G1主观赋权 （1）邀请专家根据威胁度评估指标体系中B1～B4指标的相对重要性程度，确定指标间的排序关系；（2）根据专家给出的相邻指标xi-1与xi重要性程度之比rk的理性赋值，计算第p个指标的G1法权重wp.计算公式为：

（3）依据权重wp的值，计算第p-1，p-2，…，3，2个指标的权重：

应用上述方法获得了各位专家对B1～B4指标的G1赋权矩阵：

1.2．2 多专家指标排序的一致性检验 为统一多位专家意见、合理体现群体决策思想，以Spearman等级相关系数作为检验标准［11］，剔除未通过一致性检验的专家排序.

设第j位专家给出的排序为Aj=（a1j，a2j，…，apj），则第j和第---k位专家排序的斯皮尔曼系数βjk为：

通过计算得到各专家排序的βjk矩阵及针对指标间相对重要程度的判定是群决策过程，需反映多数人意见；即针对某一排序结果应得到至少半数专家的认可，而针对个别专家的极端指标排序结果应进行删除.因此，设定≥0.50时，专家排序通过检验，否则剔除该专家排序.

1.2．3 指标排序的二次排序 为逼近指标权重的理想值，采用平均值法、Board法、Copealand法对通过Spearman系数检验的专家指标排序进行二次排序.

（1）平均值法：将通过一致性检验的各位专家的指标排序结果转换成分数：

式中：Rkj为第k个指标（k=1，2，…，n）在第j位专家（j=1，2，…，m）排序下的分数；rkj为指标k在专家j排序中的排名.其次，计算指标k在多专家评价下的综合评价值：

按各指标综合评价值的大小对评价指标重新排序，若两指标评价值相等，则通过计算不同得分的标准差来确定排序，标准差小者为优.

（2）Board法：通过一致性检验的群组专家中，若认为指标a优于指标b的人数大于认为指标b优于指标a的人数，则记为xaSxb.定义Board矩阵B=｛qab｝n×n，其中：

则指标a的组合得分为：

依据Ba分值大小对指标重新排序，若2个指标的得分相同，则采用公式（6）确定排序先后.

（3） Copealand法：为在Board法的基础上区分“相等”和“劣”，以期得到更好的比较结果，定义Copealand矩阵C=｛cab｝n×n，其中：

则指标a的组合得分为：

表1 指标（B1～B4）的专家一致性排序Table 1 Consistency in group ordering of B1～B4

对均值法、Board法、Copealand法得到的指标排序结果进行Spearman一致性检验，结果如表1所示.若检验结果一致，则得到指标一致性排序；否则，需对排序结果进行2次迭代修正，直到得到一致性排序为止.

1.2．4 专家权重计算 记专家一致性排序为A0，通过一致性检验的m位专家的指标排序分别为A1，A2，…，Am；应用公式（3）计算m位专家排序和A0的Spearman等级相关系数，记为：β01，β02，…，β0m.则第j位专家的权重为：

指标k的综合权重Wk为：

表2 威胁度评估 体系的指标权重Table 2 Weights of indexes from threat evaluation system

1.3 指标评分标准的确立

在威胁度判定过程中，依据各指标对水源地的威胁程度，将评价因子划分为5个等级，并赋予相应分值，见表3.

表3 评价因子的评分标准Table 3 Grading for assessment factors

1.4 威胁度分级标准的确定

依据表2中指标的综合权重（Wk）和表3中指标评分标准，采用线性加权确定突发污染威胁度的评判结果：

式中：Wk为指标层各指标的综合权重；Vk为指标层各指标对应的评分值.以威胁度评判结果的最大值与最小值为界，均分为4个区间，定义为威胁度的4个级别，如表4所示.

2 基于威胁度判定的应急处置技术评估模型

2.1 构建应急技术评估指标体系

通过历史案例的调研发现［15-16］，突发污染应急处置技术的可行度主要与技术的时效性、可操作性、处置成本等因素有关；基于上述考虑，建立了包含6个准则指标和19个评价指标的水源污染应急处置技术评估指标体系，如图2所示.

2.2 计算指标权重

当突发污染威胁度为I/II级时，表明城市供水安全受到极大威胁，此时应急技术评估的核心指标应为技术时效性；III/IV级威胁度表明突发污染对水源地破坏程度有限，不会对供水安全造成严重影响，此时在考虑技术性能的同时，应尽可能减少应急处置的成本.

为在不同威胁度下对应急处置技术进行准确评估，本文采用循环修正的群组G1赋权法计算得到了2套与威胁度等级对应的应急技术评估指标体系的权重值，如表5所示.

表4 威胁度分级标准Table 4 Criterion of threat classification

图2 水源污染应急处置技术评估指标体系Fig.2 Technology evaluation index system for water source pollutions disposal

表5 指标（C1～C19）对目标层（A1）的权重Table 5 Weights of indexes C1～C19

续表5

2.3 确定指标评分标准

表6 应急技术评估体系事中控制指标评分标准Table 6 Scoring criteria of the mid-control indexes on emergency treatment technology

表7 应急技术评估体系事后处置指标评分标准Table 7 Scoring criteria of the post-disposal indexes on emergency treatment technology

本文构建的应急技术评估指标体系综合考虑了突发污染的事中控制和事后处置.事中控制指标突出强调了应急技术性能和处置成本，各指标评分标准如表6所示.

事后处置指标着重考虑了应急技术实施及应急废弃物的处置对周围生态环境、居民社会生活所产生的影响，指标评分标准如表7所示.

3 案例应用

本文以广西龙江镉污染事故为例对综合评估模型的可行性进行了验证.

2012年1月15日，由于企业违法排污导致约21t含镉废水通过地下溶洞进入龙江，对下游饮用水源地柳江造成极大威胁，严重危及柳州市的供水安全.实时监测数据显示龙江中镉浓度峰值为0.408mg/L，超出《地表水环境质量标准》III类水体中镉浓度标准限值约83倍［17-18］.

根据镉的化学性质及相似的历史应急处置案例，筛选出了5套可行的应急处置技术方案，如表8所示［19-20］.来自水体污染防治领域的20位专业人士对污染事故进行了详细调研，采用基于威胁度判定的应急处置技术评估模型对可行的应急技术方案进行评估.依据实际污染情况对威胁度评估指标进行打分，判定事故为II级威胁（6.2566），因此选用与II级威胁度对应的应急技术评估指标体系的权重值对各应急技术方案进行评估，综合各位专家的打分结果，得出的方案评价值及优选顺序为：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 可行的应急处置技术方案Table 8 The feasible technology schemes

图3 龙江镉污染应急处置技术方案概况Fig.3 The sketch map of the emergent disposal plan for the cadmium pollution accident

实际应急处置过程为：在龙江河沿岸的拉浪、叶茂、洛东、三岔、糯米滩等5级梯级电站处，投加液碱（将河水的pH值提升至8.1～8.4）和PAC，尽可能地将河流污染团中的溶解性镉离子沉降至河底，并控制龙江河污染水团的下泄流量；同时，在龙江与融江交汇处，采用调水稀释技术，即通过加大浮石、古顶、大浦等电站的放流量，进一步稀释污染团的浓度；最后，对柳北、城中等5个水厂进行应急改造，采用强化混凝技术对污染物进行去除，见图3.通过多重应急技术的联合处置，镉污染团的浓度降至0.0039mg/L，满足供水要求.案例应用结果表明，本研究构建的应急技术综合评估模型成功筛选出了与实际案例相符的应急处置技术方案.

4 结论

4.1 提出了突发水源污染威胁度判定理论，确定了与不同威胁度等级对应的应急技术评估指标体系的权重值；通过多重指标体系对应急处置技术的联合评估，确保了评估模型的科学性.

4.2 应用基于循环修正的群组G1法对评估指标进行赋权.通过Spearman等级相关系数对未通过一致性检验的专家排序的剔除，确保了多专家主观排序的一致性；通过对指标一致性排序和单专家排序相关系数的循环修正计算得到了单体专家权重，合理体现了专家差异对权重的影响. 4.3 通过广西龙江镉污染事故实例对评估模型进行了验证.结果表明，基于威胁度判定的应急技术综合评估模型可迅速、准确地筛选出适宜污染情景的最优应急处置技术方案，为应急决策者提供有效的技术支撑.

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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

曲建华（1987-），男，黑龙江密山人，哈尔滨工业大学博士研究生，主要从事环境规划与管理、环境工程技术评价方面的研究.发表论文5篇.

2015-03-16

国家环保公益性行业科研专项项目（201209048）

* 责任作者， 副教授， hgdmxl@163.com