基于层次分析法的河道底泥重金属污染环境风险评价研究

朱喜龙

（中元国际投资咨询中心有限公司河南分公司，河南 郑州 450000）

0 引言

随着现代工业的迅猛发展，河流污染问题日渐凸显，河道底泥作为河流污染物的重要“汇集所”和水体二次污染“源”引起了极大关注。重金属污染物进入水体后在物理、化学、生物等作用下，绝大多数最终转存至固相、沉积于底泥中［1］。沉入底泥的重金属随着水流形态、水体环境的变化被再次释放，造成水体环境的二次污染［2］，对周边环境构成潜在污染风险，因此，针对河道底泥的风险评价显得愈加重要。

风险评价研究起步于20世纪30年代，我国风险评价研究始于20世纪80年代，起初主要围绕突发环境事故开展，后随着技术进步和方法改进逐步应用于更广领域［3-6］。田园［7］选择层次分析法构建对化工园区内企业的风险指数评价模型，计算了各化工企业综合环境风险指数。彭丽梅等［8］采用层次分析法对耕地土壤重金属污染风险区域进行划分，划分结果与取样检测结果一致，区域划分合理、精确度满足要求。乔俊等［9］采用层次分析法对新河干渠污染状况进行了综合评估，结果与单项指标评价结果基本一致，不同之处在于突出了营养元素类污染物的贡献。汪长永等［10］采用层次分析法对油气田敏感目标、风险事故类型等进行排序，明确了油气田污染事故防范重点。

风险评价的源项分析方法多借鉴和结合安全评价中的事故分析方法，只是两者的侧重点不同［11］。安全生产中安全评价事故分析的目的主要有经分析找出事故原因，针对原因提出相应的预防对策，从而降低同类事故发生概率。安全管理中安全评价事故分析的目的主要是经过分析筛选出系统中的薄弱环节、潜在危害，分析事故发生概率及可能产生的后果，进而对系统进行优化调整，加强薄弱环节，消除隐患，确保系统最优化运行。风险评价源项分析主要目的是通过分析系统潜在危险识别、事故发生概率计算［3］，从而筛选出本系统最大可信事故并估计事故可能导致的危害，最终确定本系统的风险值，较之相关标准，进而判断评价该系统能否达到环境可接受风险水平。事故源项分析是在风险识别的基础上对主要危险源进一步分析、筛选，从而筛选出最大可信灾害事故，并根据对最大可信灾害事故的重点分析确定其事故源项，以预测事故对环境造成的影响。目前，环境风险评价中最大可信事故的筛选常用层次分析法来确定。

本研究将层次分析方法引入并用于河道底泥重金属污染因素筛选，利用层次分析法筛选计算出河道底泥重金属污染对周边各环境要素产生的最大污染类型，定量评估河道底泥重金属污染类型影响程度，并为可能出现的环境污染类型的环境治理提供基础支撑。

1 层次分析法（AHP）

19世纪70年代，美国著名运筹学家萨蒂教授首次提出一种决策新方法——层次分析法［12］，该方法采用定性与定量相结合，可实现对定性问题的定量化分析，其特点是将分析人员的经验判断量化，在政治、经济、金融、管理等很多领域中得到了广泛的应用，该方法一经提出就吸引了各行业的专家学者对该决策方法做更为深入的理论研究，成为近年来最活跃的决策理论研究领域之一，各种新的研究成果大量涌现。目前，层次分析法广泛应用于环境质量评价［13］、环境风险评估［14-15］、水环境治理效果评估［16-17］等多个研究领域。

1.1 层次分析法的基本原理

层次分析法通过对决策过程的简化、加速处理，能有效地对复杂问题进行定量化分析并作出有针对性的决策。层次分析法的三个基本准则［12，18］如下。

①构造递阶层次。将一个复杂问题分解为若干个有机组成要素，将这些要素整理成一种低阶层次的顺序。

②设置权重。根据经验，按各要素的相对重要性赋予其数量值。

③逻辑一致性。分解的要素按照逻辑准则进行一致性划分，确保按照逻辑性组合，最后综合分析哪些要素权重最大，即对结果影响最大。

1.2 层次分析法的步骤

建立层次分析模型用AHP法分析时，首先要将问题（系统）层次化，构造一个层次分析的结构模型。最简单的层次结构模型分为三层［18］，见图1。

图1 基本层次结构模型

1.2.1 构造判断矩阵。递阶层次结构建立后，下层要素对上层要素就有了明确的隶属关系。这时，可以通过赋予数量值的方法来对比各要素之间的优劣。如图1所示，Ci（i=1、2，...，x）准则在目标A下两两比较，可得到判断矩阵，见表1。

表1 判断矩阵A-C表

Pj（j=1、2，...，y）方案在准则Ci（i=1、2，...，x）下两两比较，可得到判断矩阵，见表2。

表2 判断矩阵C-P表

判断矩阵中的aij和b ij为进行两两比较后得到的评分值，其值可按照表3中的原则来确定。

表3 取值方法

1.2.2 层次单排序。层次单排序主要包括两个部分：①以判断矩阵为依据，计算该层次与之有联系要素的权值；②检验判断矩阵的一致性。

如在目标A下，可通过求准则C判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量，对特征向量中的各元素进行归一化处理。即可得到准则C在目标A下的单排序权值。求解方案P相对于准则C的单排序权值方法同上。判断矩阵一致性检验需要计算一致性指标C I，其计算公式如式（1）。

当λmax=x时，C I=0，说明判断矩阵具有完全一致性；若C I≠0时，需要判断矩阵是否具有满意一致性。判断矩阵满意一致性指标为RI，对于1至10阶的判断矩阵R I的一致性指标见表4。

表4 判断矩阵一致性指标RI

判断矩阵的一致性指标与平均一致性指标的比值即为矩阵的随机一致性的判断依据。公式如式（2）。

当CR≤0.1时，判断矩阵具有满意一致性，当C R＞0.1时，需要重新构造判断矩阵直至其具有完全一致性或满意一致性。

1.2.3 层次总排序。在层次单排序的基础上，综合出各个要素对于更上一层的优劣排序即为层次总排序。以图1为例，方案层P对于目标层A的层次总排序法可用表5说明。

表5 层次总排序

表5中ai为层次C中各要素对于目标层A的单排序权值，Wij为方案层P相对于准则层C中各个要素的单排序权值，方案层P各个要素相对于目标层A的总排序权值由表5最右边一列公式计算得出。最后进行一致性检验，符合完全一致性或满意一致性即可，若不符合，要重新构建判断矩阵，直至符合完全一致性或满意一致性。

2 河道底泥最大可信污染类型筛选

本研究以一条黄河四级支流底泥为研究对象，根据调查情况分析底泥重金属污染特征和对周边环境的影响，采用层次分析法构建层次模型，筛选确定其最大可信污染类型，为后续评估治理奠定基础。

2.1 建立层次模型

最大可信污染类型是系统各因素发生概率、危害程度大且风险值最大的事故。根据风险识别的结果对河道底泥重金属污染建立环境风险层次分析模型（见图2）。

2.2 构造判断矩阵

对图2中，准则C对最大可信污染类型目标进行两两对比，构造判断矩阵，见表6。

图2 环境风险层次模型

表6 判断矩阵A-C

计算得λmax=3.137，C1、C2、C3对于A的单排序值分 别 为0.268、0.196、0.537。=0.068＜0.1，说明判断矩阵具有满意一致性。

通过查阅大量文献和资料，结合河道底泥重金属污染特点，经研究建立方案层P对准则层C的判断矩阵。判断矩阵如表7、表8、表9。

表7 判断矩阵C1-P

表8 判断矩阵C2-P

表9 判断矩阵C3-P

经计算λmax=4.1189，P1、P2、P3、P4对C1的单排序权值分别为0.472、0.186、0.236、0.105。

一致性判断：

经计算λmax=4.0459，P1、P2、P3、P4对C2的单排序权值分别为0.294、0.157、0.088、0.459。

一致性判断：

经计算λmax=4.2156，P1、P2、P3、P4对C2的单排序权值分别为0.248、0.195、0.419、0.137。

一致性判断：

2.3 层次排序

根据P对C1、C2的层次单排序的计算结果，计算出方案层P对于目标层A的层次总排序，结果见表10。

表10 层次总排序结果

检验一致性：

通过以上计算，说明判断矩阵具有满意一致性。

3 结语

由层次总排序计算结果可以看出，某河道重金属污染的环境风险事故类型重要性的排序为P1＞P3＞P2＞P4，即河道重金属污染对周边人群和环境影响程度最大的风险类型是通过引水灌溉引起的土壤环境的污染，其次是经食物链危害动物、灌溉引起的植物受污染以及经食物链危害人群健康。因此，本研究对象河道重金属污染最大可信污染事件为引水灌溉引起的土壤环境的污染。

本研究运用层次分析法筛选河道底泥重金属污染最大可信污染类型，对层次分析法的原理、分析步骤、计算方法等有了较为深入的了解，但在实际应用中，层次分析法应用在风险评价源项分析中还有很多缺陷需要完善。

①判断矩阵的建立、两两要素比较予以赋值，这些过程有很大的主观性，赋值的合理性在很大程度上取决于决策者的阅历和经验，没有通用的赋值依据。

②判断矩阵是否具有一致性计算过程复杂，计算量很大，对于阶数很多的系统，要精确计算最大特征值很困难，工作量也很大，是该方法广泛应用的重要局限因素。

③该方法本身就是以定性的思维将各要素定量化，相比从前仅定性不定量有了很大程度的进步，但其定量的结果还有很多的缺陷和不足，需要更多的专家学者更加深入的研究和探讨，使之更加完善。