基于水污染治理目标需求的AHP-TOPSIS技术适用性评估方法研究

梁家豪，王振北，朱洪涛，孙德智*

1.北京林业大学水体污染源控制技术北京市重点实验

2.北京林业大学污染水体源控与生态修复技术北京高校工程研究中心

随着人们对于美好生活的不断追求，对水环境 质量的要求也越来越高。近年来，国家相继出台了《水污染防治行动计划》《关于全面加强生态环境保护 坚决打好污染防治攻坚战的意见》等指导性文件，旨在推动我国水环境污染的治理进程[1-2]。由于我国不同区域在自然地理、经济水平、产业结构和治理目标等方面存在显著的差异性[3]，如何根据水污染治理目标筛选合适的治理技术对于治理目标能否实现往往起到关键作用。

水环境污染治理技术评估是筛选技术适用性的重要方法。我国学者已经从不同的角度建立了多种水环境污染治理技术评估方法。例如，李丛[4]利用模糊综合评价法，从污染物去除效果和经济效益2个方面进行了技术性能的综合评价，将分值较高的技术作为辽宁省六大典型行业优选的水污染治理技术；李娇等[5]从“环境、经济、技术”3个维度构建了水污染治理技术综合评估指标体系，采用排序赋值法和分级赋值法评估了各项技术，在此基础上综合考虑各项技术在3个维度的特征进行技术选择。这些研究极大地丰富了技术评估的方法学理论，为正确认知不同技术在多个维度上的特征提供了重要支撑。然而，这些技术评估方法主要关注于技术自身的特性，并未考虑不同水污染治理目标需求的差异性，存在技术评估后选择的技术与治理目标需求不匹配的问题。

针对以上问题，笔者基于层次分析法（AHP）和优劣解距离法（TOPSIS）建立一套以水污染治理目标需求为导向的技术适用性评估方法，并以某海绵城市建设和某黑臭水体治理项目为案例，开展技术适用性评估和筛选应用研究，以期为地方政府部门、企业等单位根据区域水污染治理目标需求筛选出适宜的技术提供技术支撑。

1 方法技术内容

1.1 技术适用性评估流程

基于水污染治理目标需求的技术适用性评估流程主要包含备选技术库构建、技术综合评估指标体系构建、适用性技术初筛以及技术综合性能评估4 个步骤（图1）。

图1 技术适用性评估方法流程Fig.1 Flow-chart of technical applicability assessment

1.1.1 备选技术库构建

根据水体污染控制与治理技术就绪度评价准则，技术就绪度6级及以上的技术具有实际工程应用的潜能和可以实施的建设方法[6]。因此，可将技术就绪度6级及以上的技术纳入到区域水污染治理的备选技术库。本研究以国家水体污染控制与治理科技重大专项已研发的水污染治理技术作为后续案例的技术储备库，其治理技术体系如图2所示。

图2 水污染治理技术体系Fig.2 Water environment treatment technology system

1.1.2 技术评估指标体系构建

收集包括区域水体污染特征、区域水体控制目标、经济社会发展水平等维度的信息，具体如水环境污染成因、水体水质现状、区域水质目标、计划治理投资成本等。对区域信息进行分析，确定区域水污染治理的目标需求，并将其分解成为需要治理的目标指标。利用这些目标指标从技术基础信息中凝练与之对应的技术评估指标。

需要说明的是，如果某区域水体水污染治理目标无法依靠单一技术实现，需将治理目标分解为几项分目标，每项分目标按照本研究介绍的方法进行适配性技术的筛选。

1.1.3 适用性技术初筛

不同备选技术其适用条件不尽相同，为避免出现所选的备选技术不适用的情况，在对技术综合性能评估之前，需要通过比较技术特征与区域客观条件（如地理特征、水体特征、自然气候特征、区域开发程度等），对备选技术库中的技术进行初筛，能够满足区域水污染治理客观条件的技术进入综合性能评估环节。

1.1.4 技术综合性能评估

由于区域水污染治理目标需求存在差异，导致其对不同技术指标重视程度有所不同，因此需要采用AHP法对技术指标进行赋权[7-9]。在AHP赋权的基础上，为了判断技术是否能达到区域水污染治理的目标需求，需采用TOPSIS法对技术综合性能和区域水污染治理需求目标进行评估赋值[10-11]。最后，比较技术综合性能评估值和治理目标评估值，技术综合性能评估值较治理目标评估值越高，其越适于作为该治理目标下的技术。需要注意的是，若某技术综合性能评估值高于治理目标评估值，但其某项指标值没有达到目标值，则需排除该技术。

1.2 技术甄选与适用性评估方法

1.2.1 AHP赋权法

根据技术评估指标对区域水环境污染治理的重要程度采用AHP方法进行赋权，具体步骤如下[12-13]。

采用标度法量化比较技术评估指标的重要程度，技术指标相对重要等级见表1，量化后所构造的判断矩阵A见式（1）。

表1 标度法相对重要程度等级表Table 1 Relative importance level of scale method

式中：i为技术评估指标；n为技术评估指标个数；a1i为第1项技术指标比第i项技术指标的重要程度赋值。A应满足a>0，a11=a22=···=ann=1，aij=1/aji。

为了避免指标间赋值不合理，需要对判断矩阵进行一致性检验。其中，一致性指标（CI）计算方法如下：

式中λmax为判断矩阵A的特征值。

确定CI后，查表2确定平均随机一致性指标（RI），采用式（3）计算一致性比例（CR）。如果 CR<0.1，则认为判断矩阵的一致性可以接受；否则需要对判断矩阵一致性进行修正。

表2 平均随机一致性指标查询表Table 2 Average random consistency index query table

在确定判断矩阵具有一致性后，利用几何平均法计算各技术指标的权重占比()，公式如下:

1.2.2 TOPSIS赋值法

TOPSIS赋值法具体步骤如下[14]。

（1）由于技术指标包括极小型指标、极大型指标和中间型指标，因此需要将所有技术指标统一转换为极大型指标，即指标正向化。

技术指标数值越低代表其性能越好，则该指标为极小型指标，需采用极小型指标转换为极大型指标的方法。

若技术指标数值越靠近中间某个值代表其性能越好，则该指标为中间型指标，需采用中间型指标转换为极大型指标的方法。

式中：xbest为最佳指标数值；M为指标数值与最佳指标数值的最大差值。

（2）对于正向化后的指标进行标准化，消除不同指标间量纲的影响。

式中：j为各项技术；xij为各技术指标的正向化值；zij为技术指标的标准化值。

（3）将标准化值组合构建标准化矩阵Z。

（4）求解标准化矩阵的正理想解Z+和负理想解Z-。

式中：m为技术个数；Z+为技术指标中技术性能最优的指标值；Z-为技术指标中技术性能最差的指标值。

（5）结合技术指标权重，计算技术与正负理想解的距离Di+和Di-。

（6）计算技术与理想解的贴近度（Si）并将其归一化得到。

2 典型案例应用研究

选取T城市某海绵城市建设试点区水污染治理和C城市某湖黑臭水体治理作为典型案例，对基于区域水污染治理目标需求的技术适用性评估方法进行应用。

2.1 T城市某海绵城市建设试点区水污染治理

T城市某老旧城区水体主要污染特征：1）合流制管网占比较高、排水管网运行效率低且地面透水和渗水功能较弱，容易发生严重积水；2）生活点源和降雨径流面源污染严重，导致该区域水体氨氮为劣Ⅴ类水质、化学需氧量（COD）和总磷（TP）为Ⅴ类水质（GB 3838—2002《地表水环境质量标准》）[15]。因此，拟在该老旧城区建设海绵城市试点区，通过实施面源过程控制类技术实现水污染治理，治理区域面积0.115 km2，治理投资4 427万元。在建设海绵城市试点区后，拟实现径流总量控制率达78%以上，总悬浮物（TSS）净化率达65%以上，氨氮削减率达41%以上，COD削减率达32%以上，TP削减率达17%以上，雨水收集回用率达30%以上。

2.1.1 构建备选技术库

从水污染治理体系的面源过程控制类技术中，选择技术就绪度达到6级及以上的技术纳入到备选技术库。构建的备选技术库如表3所示。

表3 T城市案例面源过程控制类备选技术库构建Table 3 Construction of alternative technology library for non-point source process control in the case of T city

2.1.2 技术评估指标体系

结合T城市特点以及该海绵城市试点区水环境污染特征和海绵城市相关治理规划文件[16-17]，确定T城市某海绵城市试点区在面源过程控制方面的水污染治理目标需求，形成面源过程控制方面的水污染治理目标，将治理目标分解成相应的治理指标，再根据治理指标从备选技术的基础信息中筛选出技术评估指标。技术评估指标包括径流总量控制率、TSS净化率、COD削减率、氨氮削减率、TP削减率、技术投资成本和雨水收集回用率。

2.1.3 适用性技术初筛

将备选技术的技术特征与T城市某海绵城市建设试点区水污染治理的客观条件进行比较，初步筛选出满足该试点区水污染治理客观条件的技术。初筛过程及结果如表4所示。

表4 T城市案例面源过程控制类备选技术初筛过程及结果Table 4 Preliminary screening process and results of alternative technologies in the case of T city

2.1.4 技术综合性能评估

T城市案例为海绵城市建设试点区水污染治理，根据《海绵城市建设技术指南》，其径流总量控制率需要达到基本目标要求，所以径流总量控制率是最重要的指标。其次，由《海绵城市建设评估指标》可知，TSS净化率作为海绵城市建设重要参考指标之一，需要充分考虑。由于该试点区的氨氮削减率>COD削减率>TP削减率，所以氨氮削减效果更为重要。此外，海绵城市建设还需进行雨水的回用收集，由于T城市经济基础雄厚但极为缺水，与技术投资成本相比，雨水收集回用率更为重要。综上，T城市某海绵城市建设试点区水污染治理的判断矩阵赋值见表5。

表5 T城市案例面源控制类技术指标判断矩阵赋值Table 5 Judgment matrix of technical indicators of non-point source control in the case of T city

对建立好的判断矩阵采用式（2）进行一致性检验。根据CI为0.032 5，由表2确定RI为1.36，利用式（3）计算出CR，其结果小于0.1，判断矩阵的一致性可以接受。

采用式（4）计算技术评估指标权重占比，从大到小依次为径流总量控制率（35.0%）、TSS净化率（23.8%）、氨氮削减率（15.9%）、COD 削减率（10.6%）、TP削减率（7.0%）、投资成本（3.2%）、雨水收集回用率（4.6%）。

结合技术各指标权重，利用式（5）～式（15）计算T城市某海绵城市建设试点区水污染治理备选技术库中技术的综合性能评估值和案例治理目标评估值，结果见表6。其中，初期雨水水力旋流-快速过滤技术（3号技术）和复合流人工湿地处理系统与技术（4号技术）综合性能评估值高于T城市案例治理目标评估值，并且各项指标性能值满足案例治理目标需求，所以可将3号和4号技术作为该案例的适配推荐技术，供决策者选择。

表6 T城市案例面源控制类技术评估结果Table 6 Technical assessment results in the case of T city

2.2 C城市某湖黑臭水体治理

C城市某湖水体呈重度黑臭，各项污染指标超标严重，其污染成因主要如下：1）该湖作为城市片区雨水的受纳水体，初期雨水污染是湖体污染源之一；2）该湖上游雨污管网存在混接和破损情况，导致污水溢流入湖体[18]。为改善该湖水环境质量，计划开展C城市某湖黑臭水体的治理工作。由于该湖位于城市主城区，无进行大规模改造的条件，因此拟采用面源过程控制类和污染负荷控制类技术进行治理。案例中某湖定位为城市生态湿地及景观水体，面源过程控制类技术治理面积为0.012 km2，投资成本为480万元。拟通过面源过程类控制技术实现全年外排雨量达3 800 mm以上，TSS净化率达47%以上，TN削减率达51%以上，COD削减率达47%以上，TP削减率达45%以上，氨氮削减率达30%以上。

2.2.1 备选技术库

C城市某湖黑臭水体治理面源过程控制类技术的备选技术库构建参考表3，共包含强化混凝沉淀过滤净化泵站雨水技术、基于旋流分离及高密度澄清装备的初期雨水就地处理技术和初期雨水水力旋流-快速过滤技术等10项技术。

2.2.2 技术评估指标体系

结合C城市特点以及该湖水体污染特征和黑臭水体治理相关规划文件[19-21]，确定C城市某湖黑臭水体在面源过程控制方面的水污染治理需求，形成面源过程控制方面的水污染治理目标，将C城市案例的治理目标分解成相应的治理指标，再根据治理指标从备选技术的基础信息中筛选出技术评估指标。评估指标包括径流总量控制率、TSS净化率、TN削减率、COD削减率、氨氮削减率、TP削减率、技术投资成本。

2.2.3 适用性技术初筛

将备选技术的技术特征与C城市某湖黑臭水体治理的客观条件进行比较，初步筛选出满足区域水污染治理客观条件的技术，结果如表7所示。

表7 C城市案例备选技术初筛过程及结果Table 7 Preliminary screening process and results of alternative technologies in the case of C city

2.2.4 技术综合性能评估

C 城市某湖黑臭水体治理需首要保证的是该湖水体主要污染物的有效去除。由于该湖污染物削减压力表现为TN>COD>TP>氨氮，所以TN的去除最为重要，其次是COD、TP和氨氮的去除。同时，初期雨水径流总量和悬浮物浓度也需加以考虑。此外，治理黑臭水体时也应该有对投资成本的考虑。综上，C城市某湖黑臭水体治理的判断矩阵赋值见表8。

表8 C城市案例面源控制类技术指标判断矩阵赋值Table 8 Judgment matrix of technical indicators of non-point source control in the case of C city

采用式（2）对建立好的判断矩阵进行一致性检验。根据CI为0.014 3，由表2确定RI为1.26，计算出CR小于0.1，显示该案例所构成判断矩阵的一致性可以接受。

采用式（4）计算该案例的技术评估指标权重占比，从大到小依次为TN削减率（35.3%）、COD削减率（24.1%）、TP削减率（16.1%）、氨氮削减率（11.1%）、径流总量控制率（5.0%）、TSS净化率（5.0%）、投资成本（3.3%）。

利用式（5）～式（15）计算C城市某湖黑臭水体治理备选技术库中技术的综合性能评估值和案例治理目标评估值，结果见表9。其中，分流制排水系统末端渗蓄结合污染控制技术（3号技术）和城市面源污染净化与生态修复耦合技术（6号技术）综合性能评估值高于C城市案例治理目标评估值，并且各项指标性能值满足治理目标需求，所以可将3号和6号技术作为该案例的适配推荐技术，供决策者选择。

表9 C城市案例技术评估结果表Table 9 Technical assessment results in the case of C city

3 结果与讨论

由2.1.4节分析可知，T城市某海绵城市建设试点区水污染治理案例的适配性推荐技术为初期雨水水力旋流-快速过滤技术和复合流人工湿地处理系统与技术。根据各技术指标性能和综合评估结果，比较分析这2项技术，由图3可知，初期雨水水力旋流-快速过滤技术综合评分为0.325，高于复合流人工湿地处理技术的0.141综合评分。2项技术在TSS净化率、TP削减率和COD削减率这3个指标的技术性能值差距较小，而在径流总量控制率、氨氮削减率和雨水收集回用率3个指标上前者的技术性能值明显高于后者，并且这3项指标累计权重占比达到55.5%，导致前项技术的综合评分明显高于后项技术。此外，根据表6可知，前项技术的技术投资成本为120元/m2，远低于后项技术的380元/m2，表明前者技术性价比也优于后项技术。综上，选用前项技术可以较好地控制T城市某海绵城市建设试点区在降雨时的地表径流量，有效去除降雨径流中的悬浮颗粒物，并且还能够较好地收集回用雨水减缓城市水资源短缺压力，性价比较高；而后项技术在COD和TP去除方面优于前项技术。

图3 T城市案例适配性推荐技术指标性能雷达图Fig.3 Suitability recommended technical indicators performance radar diagram in the case of T city

由2.2.4节分析可知，C城市某湖黑臭水体治理案例的适配性推荐技术为分流制排水系统末端渗蓄结合污染控制技术和城市面源污染净化与生态修复耦合技术。根据各技术指标性能和综合评估结果，比较分析这2项技术，由图4可知，分流制排水系统末端渗蓄结合污染控制技术的综合评分为0.194，高于城市面源污染净化与生态修复耦合技术的0.152综合评分。2项技术在氨氮削减率和TN削减率这2项指标上技术性能值差距较小，而在径流总量控制率、TSS净化率、TP削减率和TN削减率这4个技术指标上前者的技术性能值明显高于后者，并且这4项指标累计权重占比达到53.5%，导致前项技术的综合评分明显高于后项技术。此外，根据表9可知，后项技术的技术投资成本为263元/m2，低于前项技术的300元/m2，表明后项技术性价比优于前项技术。综上，选用前项技术可以在全方位改善C城市某湖水体污染程度的同时，有效控制初期雨水对湖体的径流污染，但是性能较好的技术需要付出更高的投资成本代价，而后项技术的投资成本更低廉，所以也是一项可供选择的技术。

图4 C城市案例适配性推荐技术指标性能雷达图Fig.4 Suitability recommended technical indicators performance radar diagram in the case of C city

4 结论

（1）构建以治理目标需求为导向的AHP-TOPSIS技术适用性评估方法，该方法包含备选技术库构建、技术综合评估指标构建、适用性技术初筛和技术综合性能评估4个步骤。在综合评估指标中，既包括根据水污染治理目标分解的评估指标，又包含技术本身的性能指标。

（2）采用AHP对指标体系中每项指标赋权，采用TOPSIS对备选技术进行综合性能评估，进而筛选出满足不同水污染治理目标需求的适配性推荐技术。

（3）应用该方法对某海绵城市建设和某黑臭水体治理项目所需技术的筛选评估结果表明，对于相同的备选技术库，T城市某海绵城市建设案例筛选出技术综合评分分别为0.325和0.141的初期雨水水力旋流-快速过滤技术和复合流人工湿地处理系统与技术作为其适配推荐技术，C城市某湖黑臭水体治理案例筛选出技术综合性能评分分别为0.194和0.152的分流制排水系统末端渗蓄结合污染控制技术和城市面源污染净化与生态修复耦合技术作为其适配推荐技术。综上，本研究的技术适用性评估方法可以实现基于水污染治理目标需求的适配性技术筛选。