基于IAHP-DS的流域突發化學品污染事故應急處理技術動態優選體系研究

羅玉蘭，劉 穎，陳青松，杜倩穎，程之蕙

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 611731；2.四川省環保科技工程有限責任公司，四川 成都 610041)

我國化工企業在總體布局上呈現沿流域、沿城鎮的分布特征，隨著化學品使用量的逐年上升，因生產、運輸和儲存等原因，流域突發化學品污染事故頻發，嚴重威脅著水生生態系統、飲用水供水安全與人體健康[1-2]。

由于突發化學品水污染事故的應急過程具有一定的被動性和復雜性，因此在事故發生后難以及時地確定出最佳的應急處理技術方案。近年來對于突發化學品水污染事故應急處理技術的篩選與評估方法的研究才剛剛起步，部分學者提出了排列質心法[3]、熵權法[4-6]和層次分析法[7-9]等確定指標權重系數的方法。其中，基于排列質心的指標權重確定方法計算過程簡單，但主觀性較強，應用極少；熵權法屬于一種客觀賦權法，能夠降低主觀性影響，但需要較為完備的數據支撐；層次分析法是目前應用較為廣泛的一種指標權重確定方法，可以較好地將一些難以量化的指標轉化為重要度進行比較，但是采用傳統層次分析法的1～9標度容易導致計算過程的模糊性和復雜性，且判斷矩陣也較難通過一致性檢驗。另外，上述方法均無法較好地綜合不同專家的意見，這使得結果受主觀性的影響較大。

鑒于此，本文利用三標度(0,1,2)對層次分析法進行了改進，一方面可以利用層次分析法的優點，另一方面可以使計算過程更加簡潔明了，且不需要進行一致性檢驗。此外，將D-S證據理論引入到改進的層次分析法中，可以綜合不同專家的知識經驗，利用證據間的相似程度解決專家意見之間的沖突性，有效地避免了信息丟失。因此，本文結合改進的層次分析法和D-S證據理論確定評價指標的權重系數，并建立了流域突發化學品事故應急處理技術動態優選體系，實現了對突發化學品事故應急處理技術方案的優選。

1 應急處理技術評估指標體系

1.1 建立評估指標體系的層次結構

在查閱相關文獻與事故案例調研的基礎上，對各個流域突發化學品污染事故應急處理技術的相關信息進行了歸納分類，構建完備的流域突發化學品污染事故應急處理技術庫。在流域突發化學品污染事故應急處理過程中，應急處理技術實施的可行性和適用性與事故現場的監測數據密切相關，因此本文選擇出應急處理技術的基本適用條件：流量、pH值范圍、溫度、可處理濃度范圍和可依托工程5個可由該事故現場監測數據客觀度量的指標作為一級識別指標。利用一級識別指標在應急處理技術庫中初步識別出備選應急處理技術，再根據二級評估指標對其進行評估與篩選。在提取各應急處理技術基本信息的基礎上，構建了流域突發化學品污染事故應急處理技術二級評估指標體系，其中包括技術特征、經濟成本和社會環境影響3個因素的準則層、9個指標的指標層，以及包括具體應急處理技術方案的方案層，詳見圖1。

圖1 流域突發化學品污染事故應急處理技術二級評估指標體系Fig.1 Secondary evaluation index system of emergency treatment technology for suddern chemical pollution accidents

1.2 構建評估指標評分標準

對于具體的流域突發化學品污染事故，為了更好地度量各種應急處理技術，實現技術方案的優選，本文對所構建的流域突發化學品污染事故應急處理技術二級評估指標體系中各指標建立了相應的評分標準，見表1。事故發生后，專家在對實際污染情況進行詳細調研的基礎上，綜合技術特征、污染物特性、當地社會經濟和環境條件等因素，依據評分標準對各備選應急處理技術對應的二級評估指標賦予分值，最終產生最適宜的應急處理技術。

表1 流域突發化學品污染事故應急處理技術二級評估指標評分標準Table 1 Scoring criteria of the secondary evaluation indexes of emergency treatment for suddern chemical polltuion accidents

2 應急處理技術方案的識別與評估模型的構建

2.1 改進的層次分析法

20世紀70年代初由美國運籌學家Saaty提出的層次分析(Analytic Hierarchy Process,AHP)法是一種基于定性和定量分析的層次權重決策方法。它運用1～9標度法對同一層次指標間的重要性進行兩兩比較，確定該層次中各指標的相對重要性，從而構造出判斷矩陣以確定各指標的權重[10-11]。突發化學品水污染事故具有較強的復雜性，在構造判斷矩陣時，由于1～9標度法的比較尺度較大，專家們可能給出一致性較差的判斷矩陣，難以得到較為準確的指標權重值。因此，本文運用改進的層次分析(Improved Analytic Hierarchy Process,IAHP)法，采用3標度(0,1,2)對指標進行兩兩比較，建立比較矩陣，進而確定判斷矩陣，用以確定各指標的權重，為應急處理技術方案的識別與評估提供依據。

2.2 基于IAHP-DS的指標權重確定

2.2.1 構造聚合判斷矩陣

(1) 建立比較矩陣：邀請m名來自高校、環保部門、環科院和環保公司的應急專家，根據事故現場情形分別對圖1中準則層以及指標層各指標的相對重要程度進行打分(0,1,2)，形成m個比較矩陣。用“0”表示第i行指標不如第j列指標重要；用“1”表示第i行指標與第j列指標同等程度重要；用“2”表示第i行指標比第j列指標更重要。

(2) 構造判斷矩陣B：在m名專家給出的m個比較矩陣的基礎上，利用如下公式構造出m個判斷矩陣B：

(1)

式中:bij為判斷矩陣B中第i行第j列元素;X表示比較矩陣中的行和。

(3) 計算專家權重：為了最大程度地弱化特殊專家的意見，且在充分綜合各位專家意見的基礎上解決專家意見之間的沖突性，本文根據每位專家給出的判斷矩陣之間的相似程度，利用基于證據間相似系數的Dempster-Shafer(D-S)證據理論來計算專家權重，以獲得最佳的聚合判斷矩陣。D-S證據理論是由Dempster[12-13]提出的，Shafer[14]對其進行了完善與推廣。該理論能夠較好地融合多個證據源提供的信息[15]，且證據間相似系數能夠反映各證據間的一致性。因此，將D-S證據理論引入到改進的層次分析法中，利用各個專家給出的判斷矩陣的相似程度可得到專家權重。具體計算過程如下：

首先，對m個專家的判斷矩陣進行準半向量化(提取判斷矩陣的下三角元素，將其按列依次排列為一個列向量)，組合成D-S證據理論原始數據矩陣Cv×m，可表示為由m個專家給出的m組證據E1,E2,…,Em組成。矩陣C中的元素crp和crq分別表示專家p和專家q(p,q=1,2,…,m)給出的判斷矩陣準半向量化后的第r(r=1,2,…,v)個數據。則專家p和專家q給出的兩組證據Ep和Eq之間的相似系數Spq可表示為[16]

(2)

則各證據組之間的相似程度，可利用相似度矩陣S來表示：

(3)

其次，在相似度矩陣的基礎上，將相似度矩陣S的每行相加，可得到某證據Ep被其余各證據所支持的總支持度σ(Ep)，可表示如下：

(4)

最后，對證據的被支持程度σ(Ep)進行歸一化處理，可得到證據Ep的可信度λ(Ep)，即證據Ep的權重，表現為專家權重λp，可表示如下：

(5)

(4) 判斷矩陣的聚合：在得到各專家權重的基礎上，將各專家給出的判斷矩陣聚合成共識矩陣B′，然后利用共識矩陣計算各指標權重。則共識矩陣B′的計算公式如下：

(6)

2.2.2 計算層次單排序

層次單排序即根據共識矩陣B′來分別確定指標體系中準則層對于目標層和指標層對于準則層的權重向量。具體計算步驟如下：

(1) 計算傳遞矩陣D：傳遞矩陣的計算公式為

(7)

式中:dij為傳遞矩陣D中第i行第j列元素。

(2) 構造擬優一致矩陣L:構造的擬優一致矩陣為

(8)

式中：lij為擬優一致矩陣L中第i行第j列元素；n為傳遞矩陣D中的指標個數。

2.2.3 計算層次總排序

通過層次單排序計算可分別得到準則層對于目標層和指標層對于準則層的權重向量，再計算指標層各指標的層次總排序。即加權組合計算指標層對于準則層的權重和準則層對于目標層的權重，從而獲得指標層各指標最終的總權重ω。

2.3 基于加權秩和比法的應急處理技術綜合評估

加權秩和比(WRSR)法[17]是由中國統計學家田鳳調教授提出的一種綜合評價方法。目前該方法已廣泛應用于醫療衛生、橋梁工程和電氣自動化等多個領域[18-20]。WRSR法通過將秩矩陣轉化為無量綱的WRSR值，然后利用數理統計方法分析研究WRSR分布，最后根據各應急處理技術WRSR值的估計值進行評估與排序。由于對應急處理技術進行綜合評估與排序的過程屬于多屬性決策過程，而WRSR法能夠將應急處理技術的各個指標信息整理為一個可以反映應急處理技術整體特征的綜合信息，因此可采用WRSR法對應急處理技術的各個指標進行統一表征。具體步驟如下：

(1) 確定應急處理技術各個指標的評分值：基于指標評分標準，確定應急處理技術的各個指標的評分值。

(2) 構建評價矩陣G：假設備選應急處理技術有N個，每個應急處理技術對應有M個二級評估指標,構建評價矩陣G。其中，gij為評價矩陣G中第i行第j列元素(其中i=1,2,…,N；j=1,2,…,M)。

(3) 根據評估指標為應急處理技術編秩，得到秩矩陣H：根據應急處理技術指標對評估結果的影響確定各個指標是成本型指標還是效益型指標，其中成本型指標按評分值從大到小的順序對各應急處理技術方案進行編秩(N,N-1,…,2,1)，效益型指標按評分值從小到大的順序對各應急處理技術方案進行編秩(1,2,…,N)；若兩個應急處理技術的某個指標的評分值相同時，則取平均值作為秩，據此得到秩矩陣H。其中，hij為秩矩陣H中第i行第j列元素。

(4) 計算各應急處理技術的WRSR值：按下式計算各應急處理技術的WRSR值：

(9)

式中:ωj為指標j的總權重。

(6) 計算線性回歸方程：以向下累計頻率Pi對應的概率單位probiti為自變量，WRSR的估計值δWRSR fit作為因變量，按下式計算回歸方程：

δSRSR fit=Y+Z·probiti

(10)

式中:Y,Z為系數。

WRSRi的估計值δWRSR fit越大，則對應的應急處理技術越優；一般在WRSR法分析中，認為線性回歸方程的相關系數R2>0.90表明WRSRi值具有較好的正態性。

3 實例應用與分析

3.1 苯酚水污染事故簡介

2011年6月4日，浙江建德境內一輛載有31 t苯酚的槽罐車發生交通事故導致槽罐破裂，約20 t苯酚泄漏，進入新安江。苯酚水污染事故發生后，入江點揮發酚最大濃度達到100 mg/L，超出我國《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅲ類水揮發酚限值的20 000倍，下游桐廬縣和富陽市的5個自來水廠停止供水，導致55萬多居民無法正常用水，引發市民恐慌。這是一起因交通事故引發的流域突發化學品污染事故，本文利用上述構建的基于IAHP-DS的流域突發化學品污染事故應急處理技術優選體系對該案例進行分析。

本次苯酚水污染事故發生在夏季，新安江平均河寬為155 m，水體溫度約為14～17℃，pH值范圍為6.8～7.9，水體流量約為268 m3/s；苯酚的最大濃度為100 mg/L；受污染水域存在橋梁可筑壩攔截。根據上述各一級識別指標信息在應急處理技術庫中篩選出如下備選應急處理技術：高鐵酸鉀氧化技術、活性炭筑壩攔截技術、凹凸棒石吸附技術和粉煤灰吸附技術。

3.2 指標權重計算

首先組織參與應急處理工作的專家(本研究邀請16位專家學者)根據事故現場具體情況對所建立的應急處理技術二級評估指標體系中的準則層和指標層各指標的相對重要性給予判斷，給出對應的比較矩陣；然后由公式(1)～(8)計算得到各指標的層次單排序權重；最后根據線性加權法計算各指標的層次總排序，從而獲得指標層各指標的總權重ω，其計算結果見表2。

表2 二級評估指標層次單排序和層次總排序Table 2 Hierarchical single arrangement and total arrange- ment of the secondary evaluation indexes

3.3 備選應急處理技術綜合評估與排序

事故發生后，在一級識別指標初步識別出的備選應急處理技術的基礎上，專家可根據事故現場情況、污染物特性、當地經濟和社會環境等因素參照評分標準對各個備選應急處理技術的二級評估指標進行評分，并結合指標總權重，利用WRSR法實現應急處理技術的優選。具體步驟如下：

(1) 利用第2.3節中的步驟對各種備選應急處理技術進行編秩，并且由公式(9)計算各應急處理技術的WRSR值，其結果見表3。利用表3中各應急處理技術的WRSR值編制頻率分布表，依次得到各應急處理技術的頻數、累計頻數、秩次、平均秩次、向下累計頻率、概率單位probiti；再根據公式(10)，以概率單位probiti為自變量，WRSR的估計值δWRSR fit為因變量，可得到對應的線性回歸方程：

δWRSR fit=0.092 1+0.098 6×probiti

(11)

該線性回歸方程的相關系數R2=0.999 2>0.90，方程具有顯著的統計學意義，表明在本次應急處理技術方案的綜合評估中，各應急處理技術的WRSR值具有較好的正態性。利用線性回歸方程可得到各應急處理技術方案的WRSR估計值δWRSR fit，其計算結果見表4。

表3 某苯酚水污染事故各備選應急處理技術編秩結果和WRSR值Table 3 Compiled rank results and WRSRi values of alternative emergency treatment technologies for a phenol water pollution accident

表4 各應急處理技術WRSR值的頻率分布表 Table 4 Table of WRSR frequency distribution

由表4可知，應急處理技術方案二的WRSR估計值δWRSR fit最大，則說明活性炭筑壩攔截技術為最適合本次事故的應急處理技術，其次為高鐵酸鉀氧化技術。與本案例實際采用的應急處理技術相比較，結果一致。

通過對各備選應急處理技術方案進行對比分析可知，方案一采用高鐵酸鉀氧化技術去除水體中苯酚，高鐵酸鉀雖然對pH值的要求較低，且能較好地降低水體中苯酚的含量，但其自身穩定性較差，制備條件要求嚴苛，使得其在實際應用中受到限制；方案二采用活性炭筑壩攔截技術去除水體中苯酚，活性炭對水體中苯酚有較好的吸附作用，且對流域水環境的二次污染相對較小，但應急處理后的廢棄物處理成本較高；方案三利用凹凸棒石吸附技術去除水體中苯酚，其處理效果較好，但目前國內對凹凸棒石的開發利用水平較低，價格昂貴，且在流域水污染應急處理方面的應用極少，可參考性較低；方案四利用燃煤電廠的副產物粉煤灰吸附水體中苯酚，但是利用粉煤灰處理后的沉積污泥中可能含有一些重金屬離子等有毒有害物質，如果不能較好地集中處理底泥，將會對新安江的生態環境產生極大的危害。

本次苯酚水污染事故污染區域的水體流量較大，在使用編織袋對活性炭進行封裝的基礎上，利用新安江污染源下游現存的橋梁筑攔截壩，可極大地節省應急響應時間與成本，且對水體中苯酚的去除效果好、對流域水環境的二次污染相對較小，另外對袋裝吸附廢料的處理難度小于流域底泥清淤以及無害化的處理難度。綜上分析，利用本文提出的基于IAHP-DS的流域突發化學品污染事故應急處理技術動態優選體系選擇出的活性炭筑壩攔截技術是比較合理的，且與本案例實際采用的污染物消除技術方案一致，說明該優選體系具有較強的適用性和可行性。

4 結 論

本文構建的基于IAHP-DS的流域突發化學品污染事故應急處理技術動態優選體系為突發化學品水污染事故應急處理技術最佳方案的確定提供了一種有效的方法。該優選體系首先利用一級識別指標對應急處理技術進行初步篩選,可以剔除明顯不適用于研究事故的技術，且降低了技術評估工作的難度；然后結合事故現場信息，利用加權秩和比(WRSR)法實現了應急處理技術方案的優選,可從統計學的角度利用概率單位對備選應急處理技術方案進行量化排序且不受異常值的影響，這在一定程度上降低了主觀影響，使應急處理技術方案的綜合評估結果更具有實際意義；最后利用浙江建德苯酚水污染事故進行了驗證分析，結果表明該優選體系具有較強的適用性和可行性，且可在專家對事故現場情況詳細調研后的1 h內迅速識別出符合該事故的最佳應急處理技術方案，極大地縮短了應急響應的時間，可為應急響應工程的實施提供決策支持。