基于层次分析法的模糊综合评判在危险废物填埋场场址比选中的应用

张伯强，席北斗，高柏，安达*，王月，梁欢欢,3，周炼,4，安志民

1.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013 2.国家环境保护地下水污染过程模拟与控制重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012 3.上海大学环境与化学工程学院，上海 200444 4.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074 5.承德市环境保护局，河北 承德 067000



基于层次分析法的模糊综合评判在危险废物填埋场场址比选中的应用

张伯强1,2，席北斗2，高柏1，安达2*，王月2，梁欢欢2,3，周炼2,4，安志民5

1.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013 2.国家环境保护地下水污染过程模拟与控制重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012 3.上海大学环境与化学工程学院，上海 200444 4.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074 5.承德市环境保护局，河北 承德 067000

以江苏省某市2个拟建危险废物填埋场址(E和F)为研究案例，通过综合比较2个拟建场址的地质条件、场地建设、环境保护和交通运输等影响因素，建立了基于层次分析法与模糊综合评判法相结合的优化选择方法；以层次分析法建立危险废物填埋场选址评价指标体系，构造判断矩阵，在确定各制约因素及子系统权重值的基础上，利用模糊综合评判法建立各指标因素相对应的隶属函数和模糊综合评判矩阵；评判矩阵与指标权重结合，计算出各场址相应的综合适宜性评价得分，参照危险废物填埋场适宜性等级标准，最终选出最佳场地。结果表明：场址E的综合适宜性评分为96.3，为最佳场地；场址F的综合适宜性评分为86.8，为适宜场地。

危险废物；填埋场；场址优选；层次分析法；模糊综合评判法

危险废物是危害人类生态环境和人体健康的重要污染源之一，其种类多、性质复杂，对地下水的危害表现出明显的长期性、潜伏性和不可逆性，长期存留于土壤中或扩散下渗污染地下水源，如不进行有效处置随意排放，将对水环境、空气环境和土壤环境造成严重的影响和破坏，同时对人体的安全健康构成直接威胁[1-2]，因此，对危险废物的无害化处理和最终安全处置问题已经引起各级政府和全社会的高度重视。废物处置手段中因危险废物填埋处理成本较低、技术成熟等优点，在我国得到广泛使用[3]。根据《国家环境保护“十一五”规划》中要求，各省应切实加快建设危险废物及医疗废物处置设施项目工作。

危险废物填埋场选址是填埋场建设极其重要的环节，是填埋场建设的第一步。危险废物填埋场选址需综合考虑处置设施的服务半径、防护距离、运输距离、交通、土地利用状况、工程地质、水文地质、气象条件、基础设施状况和公众意见等因素，因此其选址是一个多层次多目标的决策分析问题。目前，用于场地选址的方法很多，如灰色聚类法、模糊综合评判法、层次分析法、专家系统法和地理信息系统(GIS)等[4]。各种方法都有不同的优缺点：如专家系统法的推理能力依赖模糊知识库，学习能力较差，易发生错误[5]；地理信息系统需要大量数字化的栅格或矢量信息，获取有一定难度[6]；模糊综合评判法是应用模糊关系合成的特性，根据给出的评价准则和实测值，从多个指标对被评判事物隶属等级状况进行综合性评判，使分析结果更加准确[7-9]；层次分析法权重不容易确定，但能综合处理具有递阶层次结构的场地适宜性影响因素之间的复杂关系，易于操作，可得到比较量化的结果[10-12]。

危险废物填埋场选址具有较高的社会敏感性，需在环境、社会、经济上充分可行。针对这一问题，笔者采用层次分析法与模糊综合评判法相结合的方法对危险废物填埋场候选场址进行适宜性评价，以期通过量化评价结果的比较，科学准确地确定最佳危险废物填埋场地。

1 危险废物填埋场场址比选方法构建

利用GIS和地图作业等手段[13]，通过现场踏勘获取多个候选场址的基础资料(主要包括环境因素和社会因素等)；应用层次分析法建立评价指标体系；算出评价指标的权重值；通过模糊评判法建立隶属函数[14]，实现定性和定量的结合；建立场址比选模型；进行危险废物填埋场适宜性评价，根据各候选场址的综合评分选出最优场址。

1.1 建立层次结构模型

参考蔡木林等[15-16]对生活垃圾填埋场、城市垃圾地质填埋场选址的层次分析模型，结合危险废物填埋场场址比选原则，将危险废物填埋场的综合适宜性作为层次分析的目标层(A)；将填埋场选址的制约因素作为层次分析的资源层(B)，包括环境保护条件(B1)、交通运输条件(B2)、建厂条件(B3)、地质环境条件(B4)、与市区距离(B5)；将制约因素的子系统作为层次分析的元素层(C)。其层次结构如图1所示。

1.2 构造两两比较判断矩阵

由于层次结构模型确定了上下层元素间的隶属关系，就可以针对上一层的准则构造不同层次的两两判别矩阵。设两两判别矩阵为aij，则有：aij>0；aij=1aji，(i,j=1,2,…,n)；aij=1(i=j)[17]。通过相关专业专家的经验判断，得出第1层制约因素在适宜性分析中的相对重要性顺序为地质环境条件>环境保护条件>交通运输条件>建场条件>与市区距离。在以危险废物填埋场综合适宜性作为层次分析的目标层下，根据城市的规划与发展，交通运输条件、环境保护条件、场地建设条件和地质环境条件等在适宜性评价中所占的相对比例来确定各因素的重要性，构造该级别的判断矩阵[18]。可以通过相关专业专家根据判断矩阵标度含义(表1)，对每层因素之间的相对重要性进行赋值，构造该层次(A-B)结构的判断矩阵。同样根据各影响因素的重要性构造(B-C)结构的判断矩阵。判断矩阵的最大特征值(λmax)和特征向量ω=[ω1,ω2,…,ωt]T为所求特征向量近似值及各因素权重。

图1 危险废物填埋场选址层次分析法结构模型Fig.1 The hierarchy structure of assessment for hazardous waste landfill

标度含义12个因素相比,具有相同重要性32个因素相比,前者比后者稍重要52个因素相比,前者比后者明显重要72个因素相比,前者比后者强烈重要92个因素相比,前者比后者极端重要2,4,6,8表示上述相邻判断的中间值倒数一种因素较另一种因素的不重要程度

1.3 判断矩阵一致性检验

为了检验判断矩阵的一致性，需计算其一致性指标：CI=(λmax-n)(n-1)，当CI=0时，判断矩阵具有完全一致性；反之，CI愈大，则判断矩阵的一致性就愈差。为了检验判断矩阵是否具有令人满意的一致性，则需要将CI与平均随机一致性指标(RI)进行比较(表2)。一般而言，1或2阶判断矩阵总是具有完全一致性的。对于2阶以上的判断矩阵，其CI与同阶的RI之比，称为判断矩阵的随机一致性比例，记为CR。当CR<0.10时，认为判断矩阵具有令人满意的一致性；否则，当CR≥0.10时，就需要调整判断矩阵，直至满意为止。

表2 RI与矩阵维数的关系Table 2 Relationship between RI and matrix dimension

1.4 模糊综合评判模型指标选取

采用与层次分析法相同的评价指标因素，评判因素集(U)={U1,U2,U3,U4,U5}={环境保护条件，交通运输条件，场地条件，地质环境条件，与市区距离}；环境保护条件因素集(U1)={U11,U12,U13,U14,U15,U16}={常年风向，场地库容，居民地距离，对地下水污染危险性，对地表水污染危险性，占地质量好坏}；U2={U21,U22}={运输距离，运输方式}；U4={U41,U42,U43,U44,U45,U46,U47}={潜水水质水量情况，地下水埋深，黏土层厚度，场地稳定性，与水源地距离，边坡稳定型，与供水井距离}；建立评语集(V)={V1,V2,V3,V4,V5}={最佳场地，适宜场地，较适宜场地，勉强适宜场地，不适宜场地}。

1.5 建立因素集对备择集的隶属函数

危险废物填埋场场址比选应综合考虑社会因素、经济因素和场地环境因素等方面的影响。结合选址的原则和其他相关资料，根据《全国危险废物和医疗废物处置设施建设》和GB 18598—2001《危险废物填埋污染控制标准》，以及相关的国内外情况和工程实践经验[9,19]，建立模糊综合评判模型评价指标及适宜度等级[20](表3)。根据表3给出的各级指标定量评价指标包含上下限制，对隶属函数进行修正，修改后各定量评判指标的隶属函数关系，然后分别求得各定量评价指标对其相应各级填埋场适宜度的隶属度[7-9]，由隶属函数确定出各评判因素的隶属度。

1.6 模糊综合评判模型的建立

1.6.1 一级综合模糊评判

表3 危险废物填埋场选址指标及适宜度等级Table 3 The index and suitability ratings of hazardous waste landfill

式中rij(i=1,2,…,m;j=1,2,3,4,5)表示评判因素(Ui)对评语类别(Vj)的隶属程度。

一级模糊综合评判集：

Bi=Wi·Ri=(bi1,bi2,bi3,bi4,bi5)

其中bij(i=1,2,…,m;j=1,2,3,4,5)为评判指标，是综合考虑所有因素影响以及权重影响后，评判对象对评判集中第i个元素的隶属程度。

Bi归一化后得到标准评判矩阵：

评判分数向量(D)为：

D=(d1,d2,d3,d4,d5)=(100,90,80,70,60)

最后可求得综合评判结果：

评判值(Pi)得分越高，则适宜程度就越好。

1.6.2 二级综合模糊评判

若进行评判的因素(Ui)各因素可以进行再次划分，依次将可以进行再划分的影响因素进行划分，直到不能再细分为止。

二级权值向量(W)=(W1,W2,…,W5)，其中

1.7 评价结果

将所有候选场地的综合评分结果参照场址适宜性等级标准(表4)进行分级，确定场址的适宜等级，然后进行填埋场选址等级排序，选出排在前列的作为推荐场址。

表4 适宜性等级标准Table 4 The levels of suitability standard

2 危险废物填埋场场址比选应用实例

2.1 研究区概况

以江苏省某市为例，该市位于江苏省西南部，长江下游南岸。据当地环境保护部门统计，该市每年需要焚烧或填埋处置的危险废物量为1.4万t左右，其中70%分布在该市的新区，30%分布在该市其他区。新区位于该市区的东郊，北滨长江，南接沪宁高速公路和沪宁铁路。目前该市有4家危险废物处置利用单位，其中3家为危险废物综合利用企业，仅1家为危险废物填埋场，且场地规模小，无法满足当地危险废物的处置需求，需加强建设危险废物集中处置设施。

本次场址比选研究范围为69 km2，根据选址原则，对该市及周边地区可能建场的场址进行多次详细踏勘，经过筛选，初步选择了2个候选厂址，2个场址均位于该市国际化工园区内，分别为该市新区北山境内的报废采石宕口场址(场址E)和该市新区粮山南侧的甸上采矿场(场址F)，2个场址区域分布如图2所示，其基础信息如表5所示。

图2 拟建危险废物填埋场场址区域Fig.2 The geographical area of proposed hazardous waste landfill sites

表5 危险废物填埋场候选场址比较Table 5 Comparison between the selected hazardous waste landfill sites

2.2 构造判断矩阵及一致性检验

根据危险废物填埋场选址制约因素之间的层次关系(图1)，构造适宜性评价的层次分析结构图；通过组织相关领域的专家召开研讨会，获得各因素的相对权重；专家根据自身专业背景的经验判断，对同一层次的限制因素或评价因素进行两两比较，根据重要性做出标度判断，然后构成两两比较矩阵；计算得出各因素的平均相对权重，如表6和表7所示。通过一致性检验(CR<0.1)，表明具有满意的一致性。从表6可见，环境保护条件、交通运输条件、建场条件、地质环境条件和与市区距离等因素的权重分别为0.262 8、0.147 3、0.084 6、0.431 7和0.073 7。表明专家普遍对于危险废物填埋场的地质环境环境保护条件最为关注，其次是环境保护条件。

表6 目标层(A)与制约层(B)判断矩阵Table 6 The judgment matrix table of target layer A and control layer B

表7 各制约层判断矩阵Table 7 The judgment matrix table of each control layer

2.3 模糊评判模型选取填埋场选址

2.3.1 建立隶属函数

对数值愈大、适宜度等级愈高的定量评价指标，如场地使用年限、潜水位埋深等，其隶属函数为：

其中j=2,3,4

式中：xi为第i个评价因素的特征值；sij为第i项评价因素第j级填埋场适宜程度的标准值[21-22]。同理，可求得对于数值愈大、适宜度等级愈低的定量评价指标的隶属函数[23]，如与城市距离等。根据模糊综合评判模型评价指标及适宜度等级(表3)，将2个场址基础信息转换为实际指标值代入相应隶属函数，经计算得出危险废物填埋场候选场址相关指标的隶属度(表8)。

表8 危险废物填埋场候选场址的隶属度Table 8 The membership degree of hazardous waste landfills

2.3.2 危险废物填埋场适宜性评价

BE=R*W=

(0.262 7,0.147 3,0.084 6,0.431 7,0.073 7)×

综合评分结果：

PE=BE*·DT=

(0.756 7,0.191 3,0,0.029 7, 0.022 3)×

(100,90,80,70,60)-1=96.3

采用上述方法可求得场址F的综合评分为86.8。

根据总评分数值，参照适宜性等级标准，对候选危险废物填埋场进行适宜性评价，结果显示，场址E判定为最佳场地，场址F为适宜场地。

3 结论

(1)将层次分析法与模糊综合评判法相结合应用于危险废物填埋场场址比选，应用层次分析法建立层次结构模型，算出各评价指标的权重值，通过模糊综合评判法建立各评价因素相对应的隶属函数，进行模糊综合评判，最后得出危险废物填埋场适宜性综合评分。从评价结果可以看出：江苏省某市候选场址E的综合评分为96.3，场址F综合评分为86.8。参照危险废物填埋场适宜性等级标准，判定场址E为最佳场地，场址F为适宜场地。

(2)在研究过程中，充分考虑到某市实际的发展规划，同时采纳相关专家的经验判断，采用层次分析与模糊综合评判法相结合的方法对危险废物填埋场候选场址进行综合评价，得到的结果与实际情况相符。证明该方法用于解决填埋场选址问题是可行的，可为决策者开展危险废物填埋场选址工作提供一定的参考。

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An Optimization Methodology for Hazardous Waste Landfill Sites Based on Analytic Hierarchy Process and Fuzzy Evaluation

ZHANG Boqiang1,2, XI Beidou2, GAO Bai1, AN Da2, WANG Yue2, LIANG Huanhuan2,3,ZHOU Lian2,4, AN Zhimin5

1.School of Water Resources and Environmental Engineering, East China Institute of Technology, Nanchang 330013, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groundwater Pollution,Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China 4.School of Civil Engineering Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China 5.Chengde Municipal Environmental Protection Bureau, Chengde 067000，China

As a case study of two proposed hazardous waste landfills (E and F) in a city, through the comprehensive comparison of the geological condition, venue construction, environmental protection, transportation and other factors, a method based on analytic hierarchy process and fuzzy evaluation method for hazardous waste landfill site selection was proposed. On the basis of the evaluation index system and the judgment matrix and the weights established by AHP, the index factor corresponding membership functions and fuzzy comprehensive evaluation matrix were established, by using fuzzy comprehensive evaluation method. The comprehensive suitability evaluation scores of the landfills were calculated combining evaluation matrix and index weights and, referring to the levels of suitability standard of hazardous waste landfills, the best site was chosen. The results showed that the comprehensive score of E was 96.3, which was the best site. F scored 86.8, and it was the suitable site.

hazardous waste; landfills; site optimization; analytic hierarchy process; fuzzy evaluation method

2015-11-30

2015年全国地下水基础环境状况调查评估项目(144130012110302)

张伯强(1992—)，男，硕士研究生，主要从事地下水污染风险评估研究，15135789378@163.com

*责任作者:安达(1979—)，女，副研究员，博士，主要从事地下水风险评估研究，anda@craes.org.cn

X705

1674-991X(2016)03-0275-09

10.3969j.issn.1674-991X.2016.03.041