流域突發水污染最優應急處理技術決策模型研究

杜 倩 穎，劉 穎，羅 玉 蘭，王 沛 禹，付 雨 潔

(西南交通大學 地球科學與環境工程學院，四川 成都 611756)

隨著經濟的發展，近年我國突發水污染事故頻率增加，其中流域突發水污染事故約占突發環境事故的94.7%[1-2]。流域突發水污染事故具有事發突然、污染范圍不確定、負面影響大、處理處置艱巨等特點[3]，因此，在流域突發水污染事故發生后，決策者快速選擇高效、經濟的應急處理技術顯得尤為重要。

當前，Liu R T等[4]運用差異驅動修正策略，建立了油類污染應急處理技術多案例推理模型。 Liu J D等[5]基于案例匹配法，利用案例結構相似度和屬性相似度的案例整體相似度算法，實現了案例檢索和匹配，使得到的處理技術更加科學合理。劉仁濤等[6]應用基于熵權G1法的案例推理技術和多屬性決策模型相結合的方法，對2011年浙江省建德市新安江苯酚污染事件進行了分析。曲建華[7]應用基于威脅度與案例匹配相結合的方法，從應急技術評估指標體系中篩選得到最優應急處理技術。張智超[8]利用案例匹配法聯合改進層次分析法和粗糙集信息熵得到應急處理技術篩選模型，對邳蒼砷污染進行分析。上述研究均是利用歷史案例和突發污染事故的相似性，從案例處理技術中進行篩選，從而得到最佳應急處理技術。但對于有些突發流域水污染事故，既有案例少，案例匹配法則難以實施。

在案例信息不完備時，還需要依靠專家的知識和經驗來作出決策。但是受專家知識經驗和主觀判斷影響，不同專家對指標賦值可能出現較大偏差。研究從水環境特征、應急工程技術特征、應急處理成本、社會環境影響4個方面建立流域突發水污染應急處理技術識別指標體系，提出了指標證據間距離函數，運用D-S證據理論合成規則，可有效解決各專家意見之間的沖突，并以此確立了應急處理技術的識別指標關系圖，從而建立了應急處理技術的決策方法，為決策者確定突發水污染事故的最優應急處理技術提供了技術支持。

1 應急處理技術識別指標篩選方法

1.1 識別指標間關系的合成方法

設Ω為辨識框架即應急處理技術兩識別指標間關系的集合，Ij(j=1，2，3，…，N)是Ω的子集，基本信任分配函數m(Ij)表示專家對指標關系Ij的信度，令：

(1)

假設有n個專家，相應的基本信任分配函數為mi(i=1，2，3，…，n)，mi(Ij)表示第i個專家對指標關系的信度，則多位專家對Ij的合成信度m(I)用D-S合成規則表示為[9-10]

(2)

1.2 識別指標證據間距離函數

設Ω為辨識框架即待求權重指標的集合，其子集為Iq和Ip(q，p=1，2，3，…，Z)。Xr和Xk(r，k=1，2，3，…，v)為兩位專家所給的兩組證據，表示兩位專家根據知識和經驗對辨識框架的所有子集的兩組基本信任分配函數，分別為mr，mk。mr(Iq)表示第r個專家對子集Iq的權重信度，mk(Ip)表示第k個專家對子集Ip的權重信度，則兩證據間的距離drk表示為[11]

(3)

由此可知drk∈[0，1]且drk值越大，兩證據間距離越大，基本信任分配函數間相似度越差，專家分歧越大；相反，drk值越小，兩證據間距離越小，基本信任分配函數間相似度越高，專家意見越統一。

共有v個專家，則由式(3)可得距離矩陣D：

(4)

對1與距離矩陣第r行各元素(除對角線外)的差求和，可表示證據Xr被其他所有證據支持的總支持度H(Xr)：

(5)

證據Xr的可信度θ(Xr)表示為

(6)

1.3 識別指標權重計算

識別指標的權重用可信度表示。θ(Xr)值越大，證據Xr與其他證據的距離越近，所能得到的支持越多，決策時所占比重越大；θ(Xr)值越小，Xr與其他證據的距離越大，越不被其他證據支持，決策時所占比重越小。則指標的權重矩陣W表示為

(7)

式中：wIq表示第q個指標的權重；θXr表示第r條證據的可信度；mrq表示第r個專家對第q個指標的權重信度。在應急處理技術綜合評估時，指標權重越大，表示指標越重要，對綜合評分結果影響越大；指標權重越小，表示指標重要程度越小，對綜合評分結果影響越小。

2 應急處理技術決策方法

2.1 應急處理技術識別指標體系

依據流域突發水污染事故發生后相關信息和應急處理技術特點、處置成本及其影響，從水環境特征、應急工程技術特征、應急處理成本、社會環境影響4個方面共20個指標建立流域突發水污染應急處理技術識別指標體系，見圖1。在此基礎上，通過對突發水污染事故歷史案例、水污染治理工程技術和實驗技術的資料收集與研究，構建了包含30余種常見污染物的流域突發水污染事故應急處理技術庫。

圖1 流域突發水污染應急處理技術識別指標體系Fig.1 Emergency treatment technology comprehensive assessment results

2.2 應急處理技術初步識別

在應急處理技術識別指標體系中，溫度(I11)、流量(I12)、pH范圍(I13)、可處理濃度范圍(I27)、可依托工程(I28)既是判斷應急處理技術是否適用的基本條件，在水污染事故發生后，又可通過現場檢測和流域基本信息快速確定，故作為應急處理技術初步識別指標。在水污染事故發生后，運用流域突發水污染事故應急處理技術庫，根據目標污染物進行技術篩選后，利用初步識別指標對污染物的應急處理技術進行直接識別，得到符合該次污染事故條件的基本適用應急處理技術。

2.3 應急處理技術決策指標的確定

上述2.2節初步識別得到的多個基本適用應急處理技術需從應急工程技術特征、應急處理成本、社會環境影響等方面做進一步決策，得到最優應急處理技術。因上述應急工程技術特征、應急處理成本、社會環境影響3個方面的指標相互之間存在一定的滲透、干涉等關聯，研究采用指標證據間距離函數，運用D-S證據理論合成規則，建立起指標間的關聯性，從而確定決策指標。具體步驟如下：

(1) 將流域突發水污染應急處理技術識別指標體系中除初步識別指標外的所有指標用專家打分法確定指標間關系。專家對各指標間關系的信度進行賦值，規定“Ia→Ib”表示指標Ia直接影響Ib，“Ia←Ib”表示指標Ib直接影響Ia，“Ia↑Ib”表示兩指標間無直接影響，“Ia?Ib”表示兩指標間關系無法確定，每個專家對兩指標間4種關系的評分和為1。用式(2) 對專家的賦值結果進行合成，得到指標間關系的信度合成值。I2與I3合成結果見表1。

表1 I2與I3合成結果Tab.1 I2 and I3 synthesis results

(2) 根據指標間關系的信度合成值，建立指標關系圖。規定合成值α≥0.95，則指標間關系成立；α<0.95，則指標間關系不成立。識別指標關系見圖2。

(3) 由圖2分析指標間關系，選擇決策指標。在選擇時，既要保證決策指標的獨立性和全面性即選擇的決策指標間互不影響且同時包含應急工程技術特征、應急處理成本、社會環境影響這三部分的指標，又要使定量指標的選擇級別優于定性指標。選擇的決策指標包括：去除速率(I21)、去除率(I23)、應用情況(I24)、物資成本(I31)、廢棄物處置成本(I32)、人力成本(I33)、運輸成本(I34)、殘留物的環境影響(I44)、廢棄物的環境影響(I45)。

圖2 識別指標關系Fig.2 Identification indicators relationship

2.4 應急處理技術綜合評估

在流域突發水污染事故后，先確定決策指標的權重，并對識別出的基本適用應急處理技術評分，最后對應急處理技術進行綜合評估，選擇分值最高的應急處理技術作為流域突發水污染事故的最優應急處理技術。

(1) 邀請來自高校、環保部門、環科院、環保公司的專家在充分了解流域突發水污染事故后，結合污染物特性、當地社會經濟條件和地理位置等因素，對決策指標的權重信度進行賦值，要求每位專家對9項指標的權重信度和為1。

(2) 用式(3)～(7)計算決策指標權重。

(3) 專家在詳細了解流域污染狀況相關信息后，依據決策指標評分標準與分值對識別出的應急處理技術的決策指標評分，并用線性加權法即式(8)計算得到應急處理技術的綜合評估分值M，得分最高的應急處理技術即為該突發水污染事故的最優應急處理技術。

(8)

式中：yq表示專家對第q個指標評分的平均值。

2.5 最優應急處理技術決策方法

流域突發水污染最優應急處理技術決策方法主要是通過對污染物的應急處理技術進行初步識別，選出符合本次污染事故的基本適用應急處理技術，再邀請專家確定決策指標的權重，并對初步識別出的基本適用應急處理技術評分，計算得出應急處理技術的綜合評估分值，選出最佳應急處理技術。具體步驟如下：

9.4 菌絲生理成熟標準：段木表面菌絲生長潔白粗壯，看不到段木，段木內菌絲連接緊密，表面無雜菌污染，已有部分紅褐色菌被，段木輕壓有彈性，松軟，劈開菌木木質部呈淺黃色。

(1) 流域突發水污染事故后，用初步識別指標：溫度(I11)、流量(I12)、pH范圍(I13)、可處理濃度范圍(I27)、可依托工程(I28)對流域突發水污染事故應急處理技術庫的目標污染物的應急處理技術進行初步識別，得到基本適用應急處理技術。

(2) 邀請專家根據突發水污染事故相關信息對決策指標的權重信度賦值，并用公式(3)～(7)計算其權重。決策指標包括：去除速率(I21)、去除率(I23)、應用情況(I24)、物資成本(I31)、廢棄物處置成本(I32)、人力成本(I33)、運輸成本(I34)、殘留物的環境影響(I44)、廢棄物的環境影響(I45)。

(3) 專家依據決策指標評分標準與分值對識別出的基本適用應急處理技術評分。

(4) 用式(8)計算應急處理技術的綜合評估分值M，分值最大應急處理技術即為流域突發水污染事故的最優應急處理技術。

3 案例分析

3.1 廣東北江鎘污染事故

2005年12月15日，環保部門在對廣東省北江高橋斷面進行監測時，發現鎘濃度嚴重超標，最高濃度達0.06 mg/L，是GB3838-2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水體標準的12倍。排查發現，污染源頭是北江上游韶關冶煉廠在廢水處理系統停產檢修期間，違法將大量高濃度的含鎘廢水排入北江，導致北江受到嚴重污染，北江流域位置見圖3。經調查，北江pH在7.7左右，溫度在15 ℃上下，平均流量約為65 m3/s。鎘污染帶將途經白石窯水電站。12月22日，專家組決定在白石窯水庫渦輪機進水口投加聚合氯化鋁絮凝劑。經過40 d奮戰，2006年1月26日，鎘污染警報解除[12-16]。本文提出的流域突發水污染最優應急處理技術決策方法用該案例進行分析驗證過程如下。

圖3 廣東北江流域位置Fig.3 Location of the Beijiang River Basin in Guangdong

登錄流域突發水污染事故應急處理技術庫軟件，在技術查詢界面輸入目標污染物為鎘(界面如圖4所示)。進行技術篩選后，用初步識別指標包括溫度、流量、pH范圍、可處理濃度范圍(可依托工程對鎘污染應急處理技術進行識別)，得到4種基本適用應急處理技術：聚合氯化鋁混凝技術(t1)、粉末活性炭吸附技術(t2)、強化聚合氯化鋁鐵混凝技術(t3)、強化聚合氯化鋁混凝技術(t4)。

圖4 流域突發水污染事故應急處理技術庫Fig.4 Emergency treatment technology library for watershed sudden water pollution accidents

邀請數名專家根據事故現場情況、地理位置條件、污染物特性等因素對決策指標的權重信度賦值，賦值結果見表2。根據表2中的數據，利用式(3)～(7)計算決策指標權重，計算結果見表3。

表2 鎘污染決策指標權重信度賦值結果Tab.2 The result of weight reliability assignment of cadmium pollution decision index

表3 鎘污染決策指標權重Tab.3 The weights of decision index of cadmium pollution

根據應急處理技術信息，參考指標實際評分情況和有關文獻，建立決策指標的評分標準與分值，見表4。專家根據評分標準對各技術的決策指標進行評分，評分結果見表5。最后利用式(8)計算各應急處理技術綜合評估分值M，見表6。

表4 決策指標評分標準與分值Tab.4 Grading standards and scores of decision index

表5 鎘污染技術評分結果Tab.5 Grading result of Cadmium pollution emergency treatment technologies

表6 鎘污染應急處理技術綜合評估結果Tab.6 Comprehensive assessment results for cadmium pollution of emergency treatment technologies

由應急處理技術綜合評估結果可知，本文提出的決策方法得到的鎘污染最優應急處理技術為強化聚合氯化鋁混凝技術。根據高中方等人[17]的研究，水體中的鎘大部分為溶解態鎘，小部分為吸附態鎘，且常規混凝技術對吸附態鎘的去除效果較好，而對溶解態鎘幾乎沒有影響。北江的pH為中性，聚合氯化鋁混凝技術只能去除水中的吸附態鎘，鎘濃度降低幅度有限。而強化聚合氯化鋁混凝技術利用NaOH或Ca(OH)2使水中溶解態鎘在弱堿條件下形成沉淀，進而被混凝劑吸附去除。而另外兩種應急處理技術，粉末活性炭的價格昂貴，且對鎘的去除效果較差；聚合氯化鋁鐵在實際中應用較少，缺乏參考性。因此，本次研究對廣東北江鎘污染事故的應急處理技術評估結果具有科學性和合理性。

3.2 云南富寧縣粗酚罐車泄漏事故

2008年6月7日，云南省富寧縣境內一輛裝有33.6 t粗酚(主要成分為苯酚)的罐車發生交通事故，導致約18 t的粗酚沿高速公路旁的溝渠進入者桑河，使得者桑河的苯酚濃度最高達1 106 mg/L，超過GB3838-2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水體標準的22萬倍，事故地點位置見圖5。者桑河下游25 km有廣西百色水庫，水庫下游20～30 km是廣西百色市的飲用水取水地。事故直接導致富寧縣4 200人飲用水停止供應，百色市20萬人飲用水安全受到嚴重威脅。事故發生后，云南、廣西兩政府決定使用活性炭吸附技術來消減苯酚濃度。6月18日，河流未檢測出揮發酚，應急處置工作結束[3]。該案例對最優應急處理技術決策方法的驗證過程如下。

圖5 事故地點位置Fig.5 Location of the phenol accident site

經查，者桑河水溫約為21 ℃，平均流量為19.7 m3/s，pH值在7.2左右，事故地點下游有大壩和橋梁。在應急技術庫中查找到苯酚的應急處理技術，用初步識別指標對苯胺的應急技術進行識別，得到了4種基本適用的應急處理技術：粉末活性炭吸附技術(e1)、酵母吸附技術(e2)、高鐵酸鉀氧化技術(e3)和Fenton氧化技術(e4)。

邀請應急處理專家在充分了解事故信息后對決策指標進行權重賦值，并用式(3)～(7)計算決策指標權重，決策指標權重計算結果見表7。

表7 苯酚污染決策指標權重計算結果Tab.7 Calculation result of weight of phenol pollution decision indices

決策指標權重計算后，專家依據表4的評分標準對初步識別出的4個基本適用應急處理技術評分，利用式(8)計算得到4個應急處理技術的綜合評估分值M，計算結果見表8。由表8的綜合評估結果可知，得分最高的應急處理技術是活性炭吸附技術，其次是Fenton氧化技術。

表8 苯酚污染應急處理技術綜合評估結果Tab.8 Results of comprehensive assessment for phenol pollution emergency treatment technology

對于初步識別出的4個基本適用應急處理技術，粉末活性炭吸附技術有大量的實驗研究，且已有實際應用，且粉末活性炭對環境的影響較小；酵母吸附技術尚處于實驗階段，且對苯酚的去除率較低；高鐵酸鉀價格較高，處理高濃度苯酚時花費巨大；Fenton氧化技術處理苯酚可能會使水體帶有顏色。因此本案例選用活性炭吸附技術處理苯酚是科學合理的。

4 結 論

(1) 本研究建立了流域突發水污染應急處理技術識別指標體系，在此基礎上運用D-S證據理論建立識別指標關系圖，利用識別指標證據間距離函數確定指標權重，最終建立了流域突發水污染最優應急處理技術的決策方法。在得到最優應急處理技術的過程中，綜合了多位專家意見，有效解決專家意見間的沖突性，杜絕了決策者在處理技術篩選過程中的主觀性，使結果可信度更高。

(2) 以廣東北江鎘污染事故和云南富寧縣粗酚罐車泄露事故作為案例，運用該決策方法，迅速、準確地篩選出事故的最優應急處理技術，驗證了該方法的科學性和合理性，為決策者提供決策支持。