地表水源突發(fā)污染應急處置技術(shù)篩選評估體系

曲建華，孟憲林，2，尤 宏，2(.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院，50090哈爾濱;2.城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，50090哈爾濱)

水源地是為城市提供清潔和充足水源的生態(tài)環(huán)境基礎［1］.近年水源地突發(fā)污染事故頻發(fā)，嚴重威脅城市供水安全，影響人民正常的生活與生產(chǎn)秩序，造成極為嚴重的社會影響［2］.突發(fā)污染事故一旦影響到水源地，就會放大其影響程度、規(guī)模和時間.因此，迅速、準確地篩選出適宜污染情景的應急處置技術(shù)極為重要.目前，國內(nèi)外相關研究主要是通過經(jīng)驗總結(jié)或構(gòu)建單一的指標體系和賦予指標權(quán)重對所選技術(shù)進行篩選［3-6］.但水源地因其敏感性，一旦遭到突發(fā)污染，污染對水源地威脅度的不同勢必導致技術(shù)篩選指標體系指標權(quán)重的不同.突發(fā)污染對水源地威脅較低時，指標體系中經(jīng)濟成本指標的權(quán)重應相對較大.而威脅較高時，應更注重所選技術(shù)的時效性而適當降低經(jīng)濟成本指標的權(quán)重.因此，固定一套指標體系進行應急技術(shù)的篩選缺乏科學性.

本文采用層次分析法構(gòu)建了水源地突發(fā)污染威脅度評估指標體系，并給出了威脅等級的判定方法;構(gòu)建了應急處置技術(shù)評估指標體系，并根據(jù)不同威脅度確定了2套應急處置技術(shù)篩選指標體系的權(quán)重值.通過2個指標體系和3套權(quán)重值對應急技術(shù)的共同篩選，確保了評估方法的準確性和科學性.

1 威脅度的判定方法

1.1 構(gòu)建評價指標體系

根據(jù)1985—2012年共300余起國內(nèi)外水源地突發(fā)污染事件的調(diào)研結(jié)果［7］，突發(fā)污染對水源地的威脅度主要與污染情況、污染位置、水源地規(guī)模、應急管理、備用水源等因素有關;本文選擇廣泛應用于多目標決策的層次分析法構(gòu)建了包含12項評價指標的水源地突發(fā)污染威脅度評估指標體系，見表1.

表1 地表水源地突發(fā)污染威脅度評估指標體系

1.2 計算指標權(quán)重

邀請專家依據(jù)Saaty提出的1～9標度法［8］對指標的相對重要性打分，統(tǒng)計所有專家意見，作為確定權(quán)重的依據(jù).

1)構(gòu)造判斷矩陣.建立層次結(jié)構(gòu)后，層次之間元素的隸屬關系就被確定.假定上一層次的元素Bi作為準則，對下一層次的元素C1，…，Cn有支配關系，將其下一層次中所有與之關聯(lián)的元素之間兩兩比較其重要性，比較結(jié)果按1～9的比較尺度定量表示標出，采用專家打分法構(gòu)建判斷矩陣B=(bij)n×n直至底層.1～9級比較尺度含義見表2.

表2 1～9級比較尺度含義

2)層次單排序的一致性檢驗.Saaty等［8］定義CI為B(判斷矩陣)的一致性指標，CI=0時，B為一致陣，CI越大，B的不一致性程度越嚴重.一致性指標式中:λmax為判斷矩陣的最大特征根;n為判斷矩陣的階數(shù).

為了確定B的不一致程度的容許范圍，需找出衡量B的一致性指標的標準，Saaty等［8］引入隨機一致性指標RI，即式中:CR為層次單排序的一致性比率，CI為一致性指標，RI為隨機一致性指標，其隨機均值見表3.

若CR≤0.10，判斷矩陣具有可接受的一致性;若CR＞0.10，判斷矩陣的一致性不滿足要求，需調(diào)整.

表3 RI取值

計算得 A－B=0.012 3，B1－C=0.017 6，B2－C=0.051 5，B3－C=0.000 0，B4－C=0.000 0，B5－C=0.000 0，均＜0.10，通過一致性檢驗.同時計算得到準則層B對于目標層A的權(quán)重(bj)及指標層C對于準則層B的權(quán)重(wi)，見表4.

3)層次總排序的一致性檢驗.綜合bj與wi得指標層C對目標層A的層次總排序，即指標權(quán)重

Saaty等［8］定義CR為層次總排序的一致性比率，當CR≤0.10時，總排序的結(jié)果是滿意的.

層次總排序一致性比率為式中bj為準則層元素的權(quán)重，CIj為與bj對應的準則層判斷矩陣的一致性指標，RIj為與bj對應的準則層判斷矩陣的平均隨機一致性指標;計算得 CR=0.032 6，滿足一致性要求.

表4 目標層至指標層的指標權(quán)重

1.3 確定評價標準

在評價過程中，依據(jù)各指標對水源地的威脅程度將評價因子劃分為 5 級，分別賦予 2、4、6、8、10 的相應分值.各評價因子依據(jù)現(xiàn)行環(huán)境標準和技術(shù)導則的相關要求，對應的分值如表5所示.

1)污染情況.通過水中優(yōu)先控制污染物黑名單［9］確定突發(fā)污染物的優(yōu)先控制性(C1)，判斷污染物的毒性大小及對水源地的危害程度;發(fā)展態(tài)勢(C2)指不對突發(fā)污染采取任何應對措施可能導致的后果，后果越嚴重對水源的威脅越大;依據(jù)突發(fā)污染物相關應急處置技術(shù)可應對的最大超標倍數(shù)確定取水口處污染物超標倍數(shù)(C3)的評分標準，描述其對水源的威脅程度.

若突發(fā)污染為多種污染物導致的復合污染，應分2種情況確定指標C3的分值.

①若各污染物為同屬性物質(zhì)(如均為有機物)，因?qū)ζ洳捎玫膽碧幹眉夹g(shù)方案相似，在對此項指標的評判過程中，應先根據(jù)各自超標倍數(shù)進行打分，然后對各污染物超標倍數(shù)的打分結(jié)果進行累積相加，確定復合污染物的綜合超標倍數(shù)分值.

②若污染物為不同屬性物質(zhì)，因應對不同污染物的應急處置技術(shù)方案有區(qū)別，應分別根據(jù)各自污染物超標倍數(shù)進行打分，計算出各自的威脅度;然后針對每一污染物的應急處置技術(shù)進行評估，確定適宜于各污染物的應急處置技術(shù)方案，最后進行方案的綜合優(yōu)化.

2)污染位置.根據(jù)《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》確定污染發(fā)生位置(C4)的評分標準，突發(fā)污染的保護區(qū)級別越高，水源受到的威脅越大;依據(jù)《水污染防治法》中對造成水污染事故導致居民停水12 h以上的相關責任人實行刑事處罰的相關規(guī)定，確定污染團到達、影響取水口時間(C5、C6)的評分標準.

3)水源地規(guī)模.依據(jù)水源地供水對象，確定水源地級別(C7)的評分標準;根據(jù)《城市規(guī)劃法》對城市規(guī)模的劃分確定水源地服務人數(shù)(C8)的評分標準;水源地供水地區(qū)級別越高，供水服務人數(shù)越多，污染對水源的威脅程度越大.

4)應急管理.能否現(xiàn)場監(jiān)測污染物(C9)及監(jiān)測周期的長短對于能否盡快判明現(xiàn)場污染情況，迅速采取應急措施起著至關重要的作用;依據(jù)《國家突發(fā)公共事件總體應急預案》，發(fā)生突發(fā)污染事件后，信息報告最遲不得超過4 h，以此確定預警情況(C10)的評分標準;預警不及時會加大居民中毒、死亡的風險，進而加大污染對水源的威脅.

5)備用水源.備用水源啟動速度(C11)快慢與否關乎居民的用水安全，若備用水源迅速啟動而不致居民停水，將使突發(fā)污染的威脅度大大降低;根據(jù)文獻［10］調(diào)研，應急狀態(tài)下供水量為正常的50%即可滿足居民的生活用水量，以此為參考確定應急供水滿足程度(C12)的評分標準.

表5 評價因子的評分標準

2 結(jié)果與討論

2.1 威脅度分級標準的確定

依據(jù)表4各指標的全局權(quán)重(Wi)和表5的指標評分標準，采用線性加權(quán)確定威脅度的評價結(jié)果，即式中:Wi為指標層各指標的綜合權(quán)重;βi為指標層各指標對應的指標評分值.將其最大值與最小值之間均分為4個區(qū)間，定義為4個威脅度分級標準，并給出了相應的威脅程度描述，見表6.

表6 威脅度分級標準

2.2 突發(fā)污染應急技術(shù)篩選與評估

根據(jù)文獻調(diào)研［11-12］，地表水源突發(fā)污染應急處置技術(shù)的可行性和適宜性主要與技術(shù)的時效性、可操作性、處置成本等因素有關;綜合考慮上述因素，建立了包含6個準則指標和19個評價指標的地表水源污染應急處置技術(shù)評估指標體系，見圖1.

I、II級威脅度表示突發(fā)污染可能對水源地造成很大破壞，嚴重影響供水安全，此時篩選應急技術(shù)的核心指標應是技術(shù)性能，而適當削弱處置成本等指標的權(quán)重;III、IV級威脅度表示突發(fā)污染對水源地破壞程度有限，不會對供水安全造成嚴重影響，在篩選技術(shù)時應提高處置成本等指標的權(quán)重，適當削減時效性等指標的權(quán)重.

基于上述原因，采用層次分析法得出應急處置技術(shù)評估指標體系的兩套權(quán)重值，結(jié)果見表7.通過判定不同威脅度，選擇與威脅度對應的一套權(quán)重值進行應急技術(shù)的篩選與評估.

圖1 地表水源突發(fā)污染應急處置技術(shù)評估指標體系

2.3 案例分析

為進一步檢驗評估方法的準確性，采用2012年12月31日發(fā)生的山西長治濁漳河苯胺泄漏事故實例對評估體系進行了驗證.

事故發(fā)生于山西省潞城市，由于苯胺罐區(qū)一條軟管破損，造成約8.7 t苯胺泄漏進入濁漳河，對下游飲用水源地——越城水庫造成嚴重威脅，嚴重影響邯鄲、安陽等市的安全供水.實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示越城水庫苯胺最大質(zhì)量濃度為8.43 mg/L，高出《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中苯胺質(zhì)量濃度標準限值83倍.

來自水體污染防治領域的20位專家對污染事故進行了詳細調(diào)研，并采用基于威脅度判定的應急處置技術(shù)評估體系對可行的應急技術(shù)方案進行評估.首先，專家組依據(jù)實際污染情況對威脅度評估指標體系進行指標評分，判定事故為 II級威脅(6.037 8)，結(jié)果如表 8 所示.

同時，基于案例的詳細調(diào)研，從近300起水源污染應急處置案例中篩選出了5個相似案例，并將其所應用的應急技術(shù)提取出來進行評估，結(jié)果見表9.

最后，選用表7中與II級威脅度對應的應急技術(shù)評估指標體系的指標權(quán)重對5種可行的應急處置技術(shù)方案進行評估，綜合各位專家的打分結(jié)果，得出的方案評價值及優(yōu)選順序為:方案1(9.115 8)＞方案4(8.851 5)＞方案 3(8.764 2)＞方案 2(8.755 5)＞方案 5(8.642 5).

表7 指標(C1～C19)對目標層(A1)的權(quán)重

表8 威脅度指標評分

表9 可行的應急處置技術(shù)方案

實際應急處置過程為:關閉距越城水庫上游33 km的水電站閘門，通過小岳峰溝渠將受污染河水引到越城水庫下游;同時，將30 m寬、1 m高的袋裝活性炭網(wǎng)置入下游水中，以吸附水中苯胺，見圖2.采用此應急處置方案后，河流中苯胺質(zhì)量濃度降至0.097 5 mg/L，滿足供水要求.可見，案例應用的應急處置方案與采用本文應急技術(shù)評估體系篩選出的最優(yōu)應急方案一致.

圖2 山西苯胺泄漏事故應急處置技術(shù)方案

3 結(jié) 論

1)提出地表水源突發(fā)污染威脅度判定理論，構(gòu)建了威脅度評估指標體系，采用層次分析法確定指標權(quán)重并給出了各指標的評分標準;根據(jù)評價結(jié)果確定了威脅度的分級標準及意義.威脅度評估對于預判突發(fā)污染對水源的危害程度，進而準確篩選出適宜的應急處置技術(shù)方案十分必要.

2)提出基于威脅度等級判定的應急處置技術(shù)評估指標體系權(quán)重的確定方法;構(gòu)建了水源地突發(fā)污染應急處置技術(shù)篩選與評估指標體系，針對不同的威脅度等級，采用層次分析法確定了與之對應的應急處置技術(shù)評估指標體系的指標權(quán)重.

3)給出了更為科學的地表水源地突發(fā)污染應急處置技術(shù)的評估方法;通過山西苯胺泄漏事故實例對評估方法的準確性進行了檢驗.結(jié)果表明，本文采用的應急處置技術(shù)評估體系可迅速篩選出適宜污染情景的最優(yōu)應急處置技術(shù)方案，為應急決策者提供有效的技術(shù)支持.

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