危险废物填埋场地下水污染风险评价中指标权重计算方法优化比选

韩 旭, 生 贺, 夏 甫, 徐祥健, 尚长健, 杨 昱, 姜永海

中国环境科学研究院， 国家环境保护地下水污染模拟与控制重点实验室， 北京 100012

随着我国生态环保理念的推广，相关部门对场地风险管理也投入了更高的关注，编制了多项管理办法及标准作为政策支持. 对场地进行风险评价是场地管理的一个重要方向和环节，通过风险评价不仅可以确定场地中的风险点也可以判断各场地的风险大小[1]，以此确定风险管理的场地优先级排序和重点关注指标[2-4].

由于工业场地建设水平参差不齐、场地特性各有差异，并且各个场地的风险特征差异较大，要想针对已建成的工业场地实施风险评价，就需要选择适用于同一类场地的风险评价方法. Visual MODFLOW[5-6]、HYDRUS-1D[7-9]等数值模拟方法可以考虑场地中装置、源-汇项等多种因素，并能描述多维、多相态、多组分、多过程的污染物迁移转化过程，形成定量化的描述，为地下水污染风险评价提供基础. 数值模拟方法涵盖全面、因素多样、模拟结果贴合实际，但过程复杂、需要专业人员操作、工作量大，因此，建立一种简便、可操作性强、结果准确的污染风险评价方法对于部门管理人员更具有可行性. 场地地下水污染风险评价指数方法是通过构建评价指标体系、分配指标权重、计算风险综合指数分析地下水污染风险[10]，指标数量少、计算方法简单，且结果可以直接进行排序从而确定风险管控的关键点，最重要的是该方法可以体现污染源释放特征等生产复杂性. 权重计算是风险指数计算中一个至关重要的环节. 常用的权重计算方法归类为主观赋权法、客观赋权法和综合赋权法3种[11]. 主观赋权法根据决策者(专家)主观上对各属性的重视程度来确定属性权重，包含专家调查法(Delphi法)[12]、层次分析法(AHP)[13-15]等. 客观赋权法可以完全采用已有数据，不加入人为判断进行权重计算，但是缺乏人类经验的总结，常用的包含熵权法[16-17]、模糊集理论[18]、主成分分析法[19]、离差及均方差法等[20]. 主客观综合赋权法，即分别计算主观、客观权重，利用加法或乘法将2项权重进行融合[21].

钟秀等[10]运用层次分析法确定了地下水饮用水源地污染源风险等级评价指标体系中21个指标的权重，通过加权求和模型，构建了污染源风险等级评价指数的计算方法，并针对不同风险区域提出了修复技术要求. 屈飞行等[11]利用层次分析法的4种不同计算方法进行了地质灾害危险性评价的指标权重计算，并采用边界确定的实际滑坡及崩塌面对评价结果进行验证，确定了地质灾害危害性评价时优先选择特征向量法计算权重. 李艳萍等[22]利用主观赋权法中的层次分析法对工业园区环境风险评价19项指标的权重进行了计算，得出基于不同人群打出的分值而得到的权重结果各有不同，体现了人群认识不同，则层次分析法标度不同，对计算结果的影响程度较大的观点. 李帅等[23]利用AHP和熵权法结合的方法确定指标权重，并对城市人居环境质量大小进行综合评价，确定了5个城市的人居环境质量大小顺序，并相应提出了建议.

为了探讨层次分析法(主观赋权法)、熵权法(客观赋权法)、层次分析-熵权法(综合赋权法)对于风险评价的适用性，以我国37家危险废物填埋场为案例，进行地下水污染风险评价，通过风险指数与地下水污染指数拟合结果进行分析比较，确定风险指数计算中推荐选择的赋权方法.

1 数据来源及研究方法

1.1 研究方法

场地地下水污染风险评价指数计算的基本步骤：①构建指标体系；②指标数值量化；③分配指标权重；④计算风险指数；⑤结果验证. 具体如下：首先采用层次分析法构建指标体系，之后利用聚类分析法和赋分法将各指标进行统一量化，然后分别采用层次分析法、熵权法、层次分析-熵权法计算指标权重，最后采用积和法计算地下水污染风险综合指数，并利用场地调查获取的地下水苯浓度进行风险指数与地下水污染指数的线性拟合，确定最优的权重计算方法. 其中权重计算、风险指数计算及结果验证方法介绍如下.

1.1.1权重计算

a) 层次分析法权重λj的计算步骤[24-25]：①建立递阶层次结构模型，绘制层次结构图；②依据表1所示的标度方法构造各层次中的成对比较矩阵；③针对每个成对比较矩阵计算层次单排序及进行一致性检验；④层次总排序及一致性检验. 一致性检验中的指标CI计算如式(1)所示，一致性比率(CR)计算如式(2)所示.

表1 判断矩阵元素aij的标度方法

(1)

式中，λ为最大特征根.

b) 熵权法[26]的计算步骤：①按照式(3)将各指标的数据进行标准化处理，构建标准化矩阵xij′；②利用式(4)计算各指标的信息熵ej；③通过式(5)计算各指标权重μj.

(3)

(4)

(5)

c) 层次分析-熵权法采用“加法”集成法[27-28]，具体步骤是：①构建2种权重的距离函数D(λj,μj)；②计算分布系数α和β；③根据组合积分权重计算公式得到综合权重ωj.

(6)

D(λj,μj)2=(α-β)2

(7)

α+β=1

(8)

ωj=αλj+βμj

(9)

式中，λj和μj分别为层次分析法权重和熵权法权重计算结果，α和β分别为λj和μj的分布系数.

1.1.2风险指数计算

地下水污染风险综合指数(R)利用综合指数法进行计算.

R=R1W1+R2W2+…+RnWn

(10)

式中，Rn为各指标分值，Wn为各指标权重，n为指标序号.

1.1.3污染指数与风险指数拟合

利用距平指数法构造场地地下水污染指数C，计算公式如式(11)所示，并利用软件将C与R进行线性拟合.

(11)

1.2 数据来源

该研究以我国37家危险废物填埋场为案例，采用的数据均来自于收集的危险废物填埋场可行性研究报告、地质勘探报告及现场调研获得的信息，具体见表2. 37家危险废物填埋场分别位于我国37个城市，占地面积普遍为1.0×105～1.5×105m2，填埋场填埋年限10～30年，涉及丘陵、平原、台地、沟谷4种地形地貌，地下水类型为孔隙水或裂隙水或岩溶水，地下水埋深普遍小于10 m.

2 案例分析

2.1 构建指标体系

构建指标体系首先需要明确风险原因，危险废物填埋场地下水污染的主要风险来源于渗滤液的泄露，造成渗滤液泄漏的主要因素一般为场内原因，也就是由于填埋场自身构造造成的[29-31]. 而从渗滤液泄漏到产生地下水污染风险，涉及填埋场建设特性、渗滤液性质、场地水文地质情况、受体距离及管理水平等[32-33]. 借鉴国内外针对危险废物填埋场的风险研究，结合所收集的我国37家危险废物填埋场资料，利用层次分析法确定危险废物填埋场地下水污染风险评价45个指标的初步指标体系[34]. 基于危险废物渗滤液泄露污染地下水的3个层面进行主要影响因素筛选：一是危险废物填埋场本身的风险指标，表征由于填埋场自身条件和性质而导致地下水受到污染的风险，包括填埋场建设规模和渗滤液及防渗系统特性；二是体现危险废物填埋场地下水污染物垂向迁移风险指标，表征污染物通过包气带介质进入含水层的风险，包括水文条件和包气带介质特性；三是体现危险废物填埋场地下水污染物水平迁移风险指标，表征污染物进入含水层后，随着地下水流动迁移扩散至饮用水源地的风险，包含含水层介质特性和饮用水源地距离填埋场的距离. 最终建立了包含14项指标的指标体系，见表3.

表3 危险废物填埋场地下水污染风险评价指标

2.2 指标数值量化

为了减少指标量化赋分差异对综合指数结果的影响，选择通过聚类分析法的方法，将收集到的所有指标数据分为3个等级，部分指标分级标准见表4. 按照单个指标可能造成地下水污染风险等级高、中、低进行赋分：若指标属于高风险则为一级，分值为50分； 若指标属于中风险则为二级，分值为30分； 若指标为低风险则为三级，分值为10分.

表4 危险废物填埋场地下水污染风险部分指标分级标准

2.3 分配指标权重

根据式(1)～(9)计算14项指标的权重，3种权重方法对应的权重结果分别用λj、μj及ωj表示，结果见表5.

表5 指标权重计算结果

2.4 计算风险指数

利用式(10)计算37家危险废物填埋场的地下水污染风险综合指数R，3种权重方法对应的地下水污染风险综合指数分别用Rλ、Rμ和Rω表示，计算结果取2位有效数字，见表6.

表6 37个危险废物填埋场地下水污染风险综合指数

3 结果与讨论

3.1 权重计算结果对比

按照权重大小排序形成3组权重对比图. 由图1可知，层次分析法和熵权法计算得出的评价指标权重有比较明显的差异. 层次分析法中权重前5名由大到小依次为含水层渗透系数、包气带渗透系数、地下水埋深、含水层厚度、防渗膜HDPE厚度；熵权法中权重前5名由大到小依次为含水层渗透系数、包气带渗透系数、地形坡度、年填埋量、渗滤液产生量. 2种方法差异的主要原因在于2种计算方法的内涵，层次分析法反映的是基于专家认知得出的指标重要性排序，熵权法是单纯通过指标数值计算得到的权重，反映的是指标数据差异的大小.

图1 3组权重对比Fig.1 Comparison chart of three sets of weights

层次分析-熵权法是基于层次分析法和熵权法二者的分配系数综合得出的权重，层次分析-熵权法中权重前5名由大到小依次为含水层渗透系数、包气带渗透系数、含水层厚度、防渗膜HDPE厚度、地下水埋深. 可以看出，层次分析-熵权法与层次法得出的权重前5名指标完全相同，只是排序不同，这是由于层次分析-熵权法中层次分析法分配系数为0.58，熵权法分配系数为0.42，在计算综合权重时，层次分析法的权重具有更大的比重，而以上5个指标的λj都要大于μj，因此只有指标排序发生了变化.

3种方法的结果中前5名同时包含含水层渗透系数和包气带渗透系数，说明这2项指标在不同的危险废物填埋场的数值有着明显差异，也是可能造成危险废物填埋场地下水污染风险的两大主要因素. 3种方法均得出含水层渗透系数和包气带渗透系数是可能造成地下水污染风险的两大指标，说明在建设或运行管理危险废物填埋场时，为保护地下水选址需要优先考虑含水层及包气带介质类型，必要时采取更高性能的防渗技术手段.

3.2 污染风险综合指数结果对比

依据3组权重得到的37个危险废物填埋场地下水污染风险综合指数如图2所示，按照风险指数由大到小排序前15家危险废物填埋场如表7所示. 由表7可知，3组地下水污染风险综合指数排序前15名危险废物填埋场中共有10家同时出现在3组结果中，此外，层次分析-熵权法中的28号和14号场地、以及21和11号场地分别与层次分析法和熵权法的结果对应，仅有3号场地没有出现在另外2组结果中，由此可见层次分析-熵权法将2种权重进行了融合，而层次分析法和熵权法虽然有13家重合，但是排序完全不同.

表7 危险废物填埋场地下水污染风险综合指数前15名及其计算结果

图2 3组地下水污染风险综合指数对比Fig.2 Comparison chart of three groups of comprehensive index of groundwater pollution risk

进一步分析地下水污染风险前5名的场地，按照层次分析法的结果排序为7号>36号>19号>18号>29号；按照熵权法的结果排序为12号>19号>16号>7号>23号；按照层次分析-熵权法的结果排序为7号>18号>9号>10号>14号. 在危险废物填埋场指标分值固定的情况下，地下水污染风险排序因为3种权重计算方法得出的权重结果而表现出显著差异，仅有7号危险废物填埋场在3组结果中同时出现. 可见，按照不同的权重计算方法判断的场地风险管理优先级是不同的，只有选用能更准确匹配实际情况的权重计算方法才可以保证风险管理实施的有效性和准确性.

3.3 权重计算的优化比选

3组污染风险指数(R)与苯污染指数(C)之间的拟合结果见图3. 结果显示，3组污染风险综合指数均可以和苯浓度形成线性关系，层次分析法得出的R2为0.75，熵权法得出的R2为0.51，层次分析-熵权法得出的R2为0.84，说明层次分析-熵权法优于层次分析法，更优于熵权法，层次分析-熵权法得出的污染风险综合指数更能准确的描述场地的污染情况，即相对于另外2种权重计算方法，综合权重法更适用于危险废物填埋场地下水污染风险评价.

图3 3种权重计算方法下风险指数与污染指数的拟合结果Fig.3 Relationship between risk index and contamination indexunder three weight calculation methods

将表5中3组权重分别按由大到小排序后，可以看到3组排序完全不同，依次加和得到的总权重如图4所示. 当总权重达到0.96时，层次分析-熵权法包含了12项指标，层次分析法包含了11项指标，熵权法包含了9项指标，层次分析-熵权法相较于其他2种方法可以在一定权重范围内体现更多的指标，且权重分配更加均衡. 层次分析-熵权法既体现了对地下水污染较大的2个指标的影响，同时平衡了数据差异与专家认知之间不同，由此建立的综合指数计算方法更加稳定，不易受到单个指标缺失的影响，在一定程度上可以为危险废物填埋场地下水污染的风险评价及运行管理提供支持.

图4 指标权重加和结果Fig.4 Sum results of index weights

4 结论

a) 从不同权重计算方法得出的权重可知，含水层渗透系数和包气带渗透系数是可能影响地下水污染风险最显著的2个指标，说明在建设或运行管理危险废物填埋场时，为保护地下水选址时需要优先考虑含水层及包气带介质类型或在建设中采取更高性能的防渗方法.

b) 层次分析-熵权法得出污染风险综合指数与场地的苯污染程度拟合度更高，即相对于层次分析法和熵权法，层次分析-熵权法更适用于危险废物填埋场地下水污染风险评价.

c) 层次分析-熵权法相对于其他2种方法权重分配更为均衡，建立的综合指数计算方法更加稳定，不易受到单个指标缺失的影响，在一定程度上可以为危险废物填埋场地下水污染的风险评价及运行管理提供支持.

d) 该研究建立的污染风险评价方法适用于危险废物填埋场地下水污染风险的批量评估与分级管理，该方法操作简便、所需数据量小且容易获取，与常规场地风险评价方法相比，大大节约人力、物力与时间成本. 在实施风险管理时，可配合详细调查分析场地风险特征，进而提出有针对性的风险防控方案.

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