基于层次分析法优选某黑臭水体综合治理方案

陈昱霖，刘蓬，刘琳，冯智，董明君，胡莉，李海波

(1. 湖北大学资源环境学院， 湖北 武汉 430062; 2. 黄石市生态环境局， 湖北 黄石435000；3. 武昌理工学院， 湖北 武汉 430223； 4. 湖北省长江水生态研究院有限责任公司， 湖北 武汉 430062)

0 引言

随着我国经济高速发展，城市建设进程的加快，部分行业产生的大量污水排入流域水体产生极大污染，各类污染物严重超标，形成了影响人类生产生活和制约可持续发展的黑臭水体.2015年国务院颁布《水污染防治行动计划》，提出“到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内，到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除，全国水环境质量总体得到改善”的控制性目标[1].因此以改善人居生态环境，促进现代生态文明建设为目的的黑臭水体治理工程显得十分必要.

黑臭水体的形成是物理、化学、生物多方面因素导致而成，应当采用合理、合适的综合治理方案[2].黑臭水体综合治理方案通常要遵循“外源减排、内源清淤、清水补给、水质净化、生态恢复”的技术路线[3].由于综合治理方案主要依据技术可行，经济合理，工程有效，生态提升等方面来拟定，因此治理方案的优选是一种多层次、多目标的决策性问题.

1 层次分析法计算模型

层次分析法能够将复杂的决策性方案优选问题分解为若干相关组成因素，按支配关系将各因素分组形成有序的递进层次结构，建立对应目标层、准则层和指标层的评价指标体系[4-6].通过两两比较的方式确定层次结构中诸组成因素的相对重要性，利用层次分析法计算评价指标的权重，最后对各决策方案权重进行总排序，最大的综合权重值对应最优方案[7].

1.1 构建评价指标体系评价指标体系的构建通常先确定决策性问题的目标层，再分解成对应的、关联的准则层，准则层分解为对应的指标层，来确立决策问题的评价指标体系[8-9].

决策性问题方案指标体系是含多级层次的系统，需要从多个方面和角度来确立指标体系，才能更全面体现各方案的优缺点.指标构建需遵循可行性、层次性、系统性、共同点与特点相结合的原则来保证结果的客观性、准确性[10].

1.2 构建比较矩阵如表1所示，基于1～9比例标度法[11]，通过专家赋值法对评价指标进行重要性的相互比较，做出分析判断.对于每层的指标，为了尽可能减少性质不同的指标相互比较的难度和不确定性，提高准确度，采用相对尺度以数量来表示两个指标的重要程度.

表1 1～9比例标度法

对同层级指标进行两两比较，按照公式(1)构建比较矩阵.

(1)

其中，aij为指标ai对aj的相对重要程度.

(2)

(3)

(4)

根据公式(5)计算比较矩阵的最大特征值λmax.

AVi=λmaxVi

(5)

相应指标Ai的全局总权重V为逐层权重的累乘，见公式(6)：

(6)

1.4 一致性检验通过公式(4)确定指标权重后，需要对相应的比较矩阵进行一致性检验[13].一致性检验公式见(7). 当CR<0.1时，表示一致性通过.

CR=CI/RI

(7)

其中，CI为一致性指数，其计算公式为

(8)

RI为平均随机一致性指标，如表2所示.

表2 平均随机一致性指标RI值表

2 工程案例

图1 黑臭水体现状图

2.1 工程概况本次黑臭水体治理工程位于某县城区中心地带月桥河支流污染严重典型河段，全长约121.2 m,两侧地面高程为16.2～20.77 m,水深约1.0～1.5 m，河面宽度为3 ～5 m，如图1.该河段地表水属于V类水体，超标因子主要是氨氮(NH3-N)、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)等.结合现场调查的情况，水环境污染现状如下：1)内源污染严重.底泥淤积严重区域底泥因水位较低暴露于水面之上，呈现严重的黑臭现象，长期释放氮磷等物质到水体中，造成内源性污染.2)面源污染严重.上游至沿岸农田菜地较多，垃圾随意堆放，经雨水冲刷，大量营养物质进入水体，造成水体富营养化，进一步造成了水体缺氧，加重了水体黑臭程度.3)生态系统脆弱.水生植物踪迹难觅，生态系统稳定性差，水体的自净能力弱.因此，基于此河段水环境质量改善和生态系统功能修复，近期目标水质指标透明度、氧化还原电位(ORP)、DO、NH3-N需达到消除黑臭的标准，远期水质达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)IV类及以上标准，综合治理工程显得十分必要.

2.2 治理备选方案根据黑臭水体治理目标，技术规范和标准，相关规划，结合区域特点，本工程治理方案从投资费用、点源污染控制工程、面源污染控制工程、内源污染控制工程、异位水质净化工程、原位生态修复工程7个方面来设计[14-15].本工程4个备选治理方案具体内容见表3.

表3 黑臭水体综合治理备选方案

3 层次分析法计算模型应用

3.1 构建方案评价指标体系本工程根据调查结果和专家，技术人员的意见，按照指标选取的原则，以黑臭水体治理工程方案优选为目标层.以技术效果，投资费用，工程效益为准则层，属于目标层的一级指标.建设费用，运行费用，水质透明度，COD削减率，BOD削减率，氨氮浓度削减率，溶解氧浓度，氧化还原电位，景观提升效果，水体自净能力，社会经济价值，生态系统稳定性为二级指标.黑臭水体综合治理方案优选指标体系见下图2.

图2 黑臭水体综合治理工程方案优选指标体系

3.2 构建比较矩阵并权重赋值计算征询专家意见，按1～9尺度比例标度法对准则层、指标层各指标间的相对重要性程度赋值，对准则层、指标层构建比较矩阵，通过MATLABr2016a编程，根据和积法计算指标权重并计算最大特征值，对得到的最大特征值进行一致性检验.以准则层赋值为例，如表4.

表4 一级指标相对重要性程度赋值

构建指标矩阵如下：

计算指标权重：

V=[0.649 1 0.279 0 0.071 9]T.

计算最大特征值：

λMAX=3.064 9

一致性检验：

3.3 治理方案组合权重计算结果根据层次分析法计算模型得到各级指标的权重值、备选方案组合权重值，各比较矩阵对应的CR值以及各方案总权重值.计算结果见表5、表6.

表5 C层各因素对目标A层权重

表6 各方案层对目标A层总权重

3.4 结果分析通过将各级指标权重加权，得到各备选方案总权重排序为P3(0.466 6)>P4(0.287 5)>P2(0.123 0)>P1(0.122 8).计算结果表明方案3最优，方案4其次，方案1与方案2基本一致.

在工程投资方面，方案3的建设费用和运行费用的权重值显著大于其他方案.方案3在工程运行维护指标权重值是其他方案的2倍以上，表明运行费用经济优势显著.综合评价分析，方案3在工程投资方面更具有经济适用性.

在技术效果方面，方案3在水质透明度、氨氮浓度削减率、溶解氧浓度、氧化还原电位指标权重显著大于其他方案.虽然方案3的COD削减率指标权重为方案4的1/3，BOD削减率指标权重为方案1的4/5，表明方案3在COD、BOD治理效果上不及方案4和方案1,但方案3对溶解氧浓度提升效果显著，经水处理工艺稳定运行后高浓度溶解氧将有助于COD、BOD削减率提高.总体看方案3在水质净化工程中技术效果优势明显.

在工程效益方面，方案3的各项指标权重均为最大，表明方案3景观提升效果好，水体自净能力强，生态系统稳定性好.其工程效益显著得益于水质透明度高，溶解氧浓度高，氨氮浓度削减率高，氧化还原电位达标，能够为水生动植物、微生物创造较好的生长环境，从而体现方案3点源、面源、内源控制技术的工程效益.

4 结语

本工程应用层次分析法优选方案3为最终施工方案.方案3的点源污染控制工程采用HDPE双壁波纹管拥有耐腐蚀、耐磨损和柔韧性等优点；钢筋混凝土检查井抗渗透性强，施工效率高.面源污染控制工程采用的景观生态驳岸，能起到水土保持作用，同时形成生态景观带.内源污染控制工程采用陆地机械干挖，同时便于污泥的及时转移.水质净化工程核心MBBR污水处理工艺结合了传统流化床和生物接触氧化法两种工艺的优点，具有良好的脱氮除磷效果；人工湿地能滞留沉积物、有毒物、营养物质，提升水质.原位生态修复工程中引入水生动植物、微生物能增加生物多样性，维持水生生态系统结构和功能.

按照方案3进行设计施工后，工程预期效果基本达成.水体黑臭得到消除，水质逐渐恢复，景观性显著提高，生态系统功能恢复，表明方案3在实际工程应用中效果显著，产生了良好的社会效益和环境效益.应用层次分析法计算模型有助于在黑臭水体治理方案决策中，选出技术效果好、经济适用型强、工程效益突出的治理方案.