基于IAHP-DS的流域突发化学品污染事故应急处理技术动态优选体系研究

罗玉兰，刘 颖，陈青松，杜倩颖，程之蕙

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 611731；2.四川省环保科技工程有限责任公司，四川 成都 610041)

我国化工企业在总体布局上呈现沿流域、沿城镇的分布特征，随着化学品使用量的逐年上升，因生产、运输和储存等原因，流域突发化学品污染事故频发，严重威胁着水生生态系统、饮用水供水安全与人体健康[1-2]。

由于突发化学品水污染事故的应急过程具有一定的被动性和复杂性，因此在事故发生后难以及时地确定出最佳的应急处理技术方案。近年来对于突发化学品水污染事故应急处理技术的筛选与评估方法的研究才刚刚起步，部分学者提出了排列质心法[3]、熵权法[4-6]和层次分析法[7-9]等确定指标权重系数的方法。其中，基于排列质心的指标权重确定方法计算过程简单，但主观性较强，应用极少；熵权法属于一种客观赋权法，能够降低主观性影响，但需要较为完备的数据支撑；层次分析法是目前应用较为广泛的一种指标权重确定方法，可以较好地将一些难以量化的指标转化为重要度进行比较，但是采用传统层次分析法的1～9标度容易导致计算过程的模糊性和复杂性，且判断矩阵也较难通过一致性检验。另外，上述方法均无法较好地综合不同专家的意见，这使得结果受主观性的影响较大。

鉴于此，本文利用三标度(0,1,2)对层次分析法进行了改进，一方面可以利用层次分析法的优点，另一方面可以使计算过程更加简洁明了，且不需要进行一致性检验。此外，将D-S证据理论引入到改进的层次分析法中，可以综合不同专家的知识经验，利用证据间的相似程度解决专家意见之间的冲突性，有效地避免了信息丢失。因此，本文结合改进的层次分析法和D-S证据理论确定评价指标的权重系数，并建立了流域突发化学品事故应急处理技术动态优选体系，实现了对突发化学品事故应急处理技术方案的优选。

1 应急处理技术评估指标体系

1.1 建立评估指标体系的层次结构

在查阅相关文献与事故案例调研的基础上，对各个流域突发化学品污染事故应急处理技术的相关信息进行了归纳分类，构建完备的流域突发化学品污染事故应急处理技术库。在流域突发化学品污染事故应急处理过程中，应急处理技术实施的可行性和适用性与事故现场的监测数据密切相关，因此本文选择出应急处理技术的基本适用条件：流量、pH值范围、温度、可处理浓度范围和可依托工程5个可由该事故现场监测数据客观度量的指标作为一级识别指标。利用一级识别指标在应急处理技术库中初步识别出备选应急处理技术，再根据二级评估指标对其进行评估与筛选。在提取各应急处理技术基本信息的基础上，构建了流域突发化学品污染事故应急处理技术二级评估指标体系，其中包括技术特征、经济成本和社会环境影响3个因素的准则层、9个指标的指标层，以及包括具体应急处理技术方案的方案层，详见图1。

图1 流域突发化学品污染事故应急处理技术二级评估指标体系Fig.1 Secondary evaluation index system of emergency treatment technology for suddern chemical pollution accidents

1.2 构建评估指标评分标准

对于具体的流域突发化学品污染事故，为了更好地度量各种应急处理技术，实现技术方案的优选，本文对所构建的流域突发化学品污染事故应急处理技术二级评估指标体系中各指标建立了相应的评分标准，见表1。事故发生后，专家在对实际污染情况进行详细调研的基础上，综合技术特征、污染物特性、当地社会经济和环境条件等因素，依据评分标准对各备选应急处理技术对应的二级评估指标赋予分值，最终产生最适宜的应急处理技术。

表1 流域突发化学品污染事故应急处理技术二级评估指标评分标准Table 1 Scoring criteria of the secondary evaluation indexes of emergency treatment for suddern chemical polltuion accidents

2 应急处理技术方案的识别与评估模型的构建

2.1 改进的层次分析法

20世纪70年代初由美国运筹学家Saaty提出的层次分析(Analytic Hierarchy Process,AHP)法是一种基于定性和定量分析的层次权重决策方法。它运用1～9标度法对同一层次指标间的重要性进行两两比较，确定该层次中各指标的相对重要性，从而构造出判断矩阵以确定各指标的权重[10-11]。突发化学品水污染事故具有较强的复杂性，在构造判断矩阵时，由于1～9标度法的比较尺度较大，专家们可能给出一致性较差的判断矩阵，难以得到较为准确的指标权重值。因此，本文运用改进的层次分析(Improved Analytic Hierarchy Process,IAHP)法，采用3标度(0,1,2)对指标进行两两比较，建立比较矩阵，进而确定判断矩阵，用以确定各指标的权重，为应急处理技术方案的识别与评估提供依据。

2.2 基于IAHP-DS的指标权重确定

2.2.1 构造聚合判断矩阵

(1) 建立比较矩阵：邀请m名来自高校、环保部门、环科院和环保公司的应急专家，根据事故现场情形分别对图1中准则层以及指标层各指标的相对重要程度进行打分(0,1,2)，形成m个比较矩阵。用“0”表示第i行指标不如第j列指标重要；用“1”表示第i行指标与第j列指标同等程度重要；用“2”表示第i行指标比第j列指标更重要。

(2) 构造判断矩阵B：在m名专家给出的m个比较矩阵的基础上，利用如下公式构造出m个判断矩阵B：

(1)

式中:bij为判断矩阵B中第i行第j列元素;X表示比较矩阵中的行和。

(3) 计算专家权重：为了最大程度地弱化特殊专家的意见，且在充分综合各位专家意见的基础上解决专家意见之间的冲突性，本文根据每位专家给出的判断矩阵之间的相似程度，利用基于证据间相似系数的Dempster-Shafer(D-S)证据理论来计算专家权重，以获得最佳的聚合判断矩阵。D-S证据理论是由Dempster[12-13]提出的，Shafer[14]对其进行了完善与推广。该理论能够较好地融合多个证据源提供的信息[15]，且证据间相似系数能够反映各证据间的一致性。因此，将D-S证据理论引入到改进的层次分析法中，利用各个专家给出的判断矩阵的相似程度可得到专家权重。具体计算过程如下：

首先，对m个专家的判断矩阵进行准半向量化(提取判断矩阵的下三角元素，将其按列依次排列为一个列向量)，组合成D-S证据理论原始数据矩阵Cv×m，可表示为由m个专家给出的m组证据E1,E2,…,Em组成。矩阵C中的元素crp和crq分别表示专家p和专家q(p,q=1,2,…,m)给出的判断矩阵准半向量化后的第r(r=1,2,…,v)个数据。则专家p和专家q给出的两组证据Ep和Eq之间的相似系数Spq可表示为[16]

(2)

则各证据组之间的相似程度，可利用相似度矩阵S来表示：

(3)

其次，在相似度矩阵的基础上，将相似度矩阵S的每行相加，可得到某证据Ep被其余各证据所支持的总支持度σ(Ep)，可表示如下：

(4)

最后，对证据的被支持程度σ(Ep)进行归一化处理，可得到证据Ep的可信度λ(Ep)，即证据Ep的权重，表现为专家权重λp，可表示如下：

(5)

(4) 判断矩阵的聚合：在得到各专家权重的基础上，将各专家给出的判断矩阵聚合成共识矩阵B′，然后利用共识矩阵计算各指标权重。则共识矩阵B′的计算公式如下：

(6)

2.2.2 计算层次单排序

层次单排序即根据共识矩阵B′来分别确定指标体系中准则层对于目标层和指标层对于准则层的权重向量。具体计算步骤如下：

(1) 计算传递矩阵D：传递矩阵的计算公式为

(7)

式中:dij为传递矩阵D中第i行第j列元素。

(2) 构造拟优一致矩阵L:构造的拟优一致矩阵为

(8)

式中：lij为拟优一致矩阵L中第i行第j列元素；n为传递矩阵D中的指标个数。

2.2.3 计算层次总排序

通过层次单排序计算可分别得到准则层对于目标层和指标层对于准则层的权重向量，再计算指标层各指标的层次总排序。即加权组合计算指标层对于准则层的权重和准则层对于目标层的权重，从而获得指标层各指标最终的总权重ω。

2.3 基于加权秩和比法的应急处理技术综合评估

加权秩和比(WRSR)法[17]是由中国统计学家田凤调教授提出的一种综合评价方法。目前该方法已广泛应用于医疗卫生、桥梁工程和电气自动化等多个领域[18-20]。WRSR法通过将秩矩阵转化为无量纲的WRSR值，然后利用数理统计方法分析研究WRSR分布，最后根据各应急处理技术WRSR值的估计值进行评估与排序。由于对应急处理技术进行综合评估与排序的过程属于多属性决策过程，而WRSR法能够将应急处理技术的各个指标信息整理为一个可以反映应急处理技术整体特征的综合信息，因此可采用WRSR法对应急处理技术的各个指标进行统一表征。具体步骤如下：

(1) 确定应急处理技术各个指标的评分值：基于指标评分标准，确定应急处理技术的各个指标的评分值。

(2) 构建评价矩阵G：假设备选应急处理技术有N个，每个应急处理技术对应有M个二级评估指标,构建评价矩阵G。其中，gij为评价矩阵G中第i行第j列元素(其中i=1,2,…,N；j=1,2,…,M)。

(3) 根据评估指标为应急处理技术编秩，得到秩矩阵H：根据应急处理技术指标对评估结果的影响确定各个指标是成本型指标还是效益型指标，其中成本型指标按评分值从大到小的顺序对各应急处理技术方案进行编秩(N,N-1,…,2,1)，效益型指标按评分值从小到大的顺序对各应急处理技术方案进行编秩(1,2,…,N)；若两个应急处理技术的某个指标的评分值相同时，则取平均值作为秩，据此得到秩矩阵H。其中，hij为秩矩阵H中第i行第j列元素。

(4) 计算各应急处理技术的WRSR值：按下式计算各应急处理技术的WRSR值：

(9)

式中:ωj为指标j的总权重。

(6) 计算线性回归方程：以向下累计频率Pi对应的概率单位probiti为自变量，WRSR的估计值δWRSR fit作为因变量，按下式计算回归方程：

δSRSR fit=Y+Z·probiti

(10)

式中:Y,Z为系数。

WRSRi的估计值δWRSR fit越大，则对应的应急处理技术越优；一般在WRSR法分析中，认为线性回归方程的相关系数R2>0.90表明WRSRi值具有较好的正态性。

3 实例应用与分析

3.1 苯酚水污染事故简介

2011年6月4日，浙江建德境内一辆载有31 t苯酚的槽罐车发生交通事故导致槽罐破裂，约20 t苯酚泄漏，进入新安江。苯酚水污染事故发生后，入江点挥发酚最大浓度达到100 mg/L，超出我国《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅲ类水挥发酚限值的20 000倍，下游桐庐县和富阳市的5个自来水厂停止供水，导致55万多居民无法正常用水，引发市民恐慌。这是一起因交通事故引发的流域突发化学品污染事故，本文利用上述构建的基于IAHP-DS的流域突发化学品污染事故应急处理技术优选体系对该案例进行分析。

本次苯酚水污染事故发生在夏季，新安江平均河宽为155 m，水体温度约为14～17℃，pH值范围为6.8～7.9，水体流量约为268 m3/s；苯酚的最大浓度为100 mg/L；受污染水域存在桥梁可筑坝拦截。根据上述各一级识别指标信息在应急处理技术库中筛选出如下备选应急处理技术：高铁酸钾氧化技术、活性炭筑坝拦截技术、凹凸棒石吸附技术和粉煤灰吸附技术。

3.2 指标权重计算

首先组织参与应急处理工作的专家(本研究邀请16位专家学者)根据事故现场具体情况对所建立的应急处理技术二级评估指标体系中的准则层和指标层各指标的相对重要性给予判断，给出对应的比较矩阵；然后由公式(1)～(8)计算得到各指标的层次单排序权重；最后根据线性加权法计算各指标的层次总排序，从而获得指标层各指标的总权重ω，其计算结果见表2。

表2 二级评估指标层次单排序和层次总排序Table 2 Hierarchical single arrangement and total arrange- ment of the secondary evaluation indexes

3.3 备选应急处理技术综合评估与排序

事故发生后，在一级识别指标初步识别出的备选应急处理技术的基础上，专家可根据事故现场情况、污染物特性、当地经济和社会环境等因素参照评分标准对各个备选应急处理技术的二级评估指标进行评分，并结合指标总权重，利用WRSR法实现应急处理技术的优选。具体步骤如下：

(1) 利用第2.3节中的步骤对各种备选应急处理技术进行编秩，并且由公式(9)计算各应急处理技术的WRSR值，其结果见表3。利用表3中各应急处理技术的WRSR值编制频率分布表，依次得到各应急处理技术的频数、累计频数、秩次、平均秩次、向下累计频率、概率单位probiti；再根据公式(10)，以概率单位probiti为自变量，WRSR的估计值δWRSR fit为因变量，可得到对应的线性回归方程：

δWRSR fit=0.092 1+0.098 6×probiti

(11)

该线性回归方程的相关系数R2=0.999 2>0.90，方程具有显著的统计学意义，表明在本次应急处理技术方案的综合评估中，各应急处理技术的WRSR值具有较好的正态性。利用线性回归方程可得到各应急处理技术方案的WRSR估计值δWRSR fit，其计算结果见表4。

表3 某苯酚水污染事故各备选应急处理技术编秩结果和WRSR值Table 3 Compiled rank results and WRSRi values of alternative emergency treatment technologies for a phenol water pollution accident

表4 各应急处理技术WRSR值的频率分布表 Table 4 Table of WRSR frequency distribution

由表4可知，应急处理技术方案二的WRSR估计值δWRSR fit最大，则说明活性炭筑坝拦截技术为最适合本次事故的应急处理技术，其次为高铁酸钾氧化技术。与本案例实际采用的应急处理技术相比较，结果一致。

通过对各备选应急处理技术方案进行对比分析可知，方案一采用高铁酸钾氧化技术去除水体中苯酚，高铁酸钾虽然对pH值的要求较低，且能较好地降低水体中苯酚的含量，但其自身稳定性较差，制备条件要求严苛，使得其在实际应用中受到限制；方案二采用活性炭筑坝拦截技术去除水体中苯酚，活性炭对水体中苯酚有较好的吸附作用，且对流域水环境的二次污染相对较小，但应急处理后的废弃物处理成本较高；方案三利用凹凸棒石吸附技术去除水体中苯酚，其处理效果较好，但目前国内对凹凸棒石的开发利用水平较低，价格昂贵，且在流域水污染应急处理方面的应用极少，可参考性较低；方案四利用燃煤电厂的副产物粉煤灰吸附水体中苯酚，但是利用粉煤灰处理后的沉积污泥中可能含有一些重金属离子等有毒有害物质，如果不能较好地集中处理底泥，将会对新安江的生态环境产生极大的危害。

本次苯酚水污染事故污染区域的水体流量较大，在使用编织袋对活性炭进行封装的基础上，利用新安江污染源下游现存的桥梁筑拦截坝，可极大地节省应急响应时间与成本，且对水体中苯酚的去除效果好、对流域水环境的二次污染相对较小，另外对袋装吸附废料的处理难度小于流域底泥清淤以及无害化的处理难度。综上分析，利用本文提出的基于IAHP-DS的流域突发化学品污染事故应急处理技术动态优选体系选择出的活性炭筑坝拦截技术是比较合理的，且与本案例实际采用的污染物消除技术方案一致，说明该优选体系具有较强的适用性和可行性。

4 结 论

本文构建的基于IAHP-DS的流域突发化学品污染事故应急处理技术动态优选体系为突发化学品水污染事故应急处理技术最佳方案的确定提供了一种有效的方法。该优选体系首先利用一级识别指标对应急处理技术进行初步筛选,可以剔除明显不适用于研究事故的技术，且降低了技术评估工作的难度；然后结合事故现场信息，利用加权秩和比(WRSR)法实现了应急处理技术方案的优选,可从统计学的角度利用概率单位对备选应急处理技术方案进行量化排序且不受异常值的影响，这在一定程度上降低了主观影响，使应急处理技术方案的综合评估结果更具有实际意义；最后利用浙江建德苯酚水污染事故进行了验证分析，结果表明该优选体系具有较强的适用性和可行性，且可在专家对事故现场情况详细调研后的1 h内迅速识别出符合该事故的最佳应急处理技术方案，极大地缩短了应急响应的时间，可为应急响应工程的实施提供决策支持。