基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的突發(fā)水污染事件應(yīng)急調(diào)控后評價(jià)研究

龍 巖, 李有明, 孔令仲, 朱 杰

(1. 中國水利水電科學(xué)研究院， 北京 100038； 2.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100038)

1 研究背景

近年來，流域突發(fā)水污染事故爆發(fā)頻率升高，對社會生產(chǎn)和環(huán)境安全造成極大危害和損失[1]；突發(fā)水污染事件是當(dāng)前國際社會和學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題，所以一旦發(fā)生突發(fā)水污染事件，若處置不當(dāng)和不及時(shí)，將造成難以估量的后果，因此需要及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急調(diào)控[2-3]。但是，調(diào)控后輸水工程是否安全、污染物是否得到有效控制、調(diào)控后是否有利于應(yīng)急處置等成為被關(guān)注的熱點(diǎn)問題。開展突發(fā)水污染事件應(yīng)急調(diào)控后評價(jià)的研究具有重要科學(xué)意義和社會價(jià)值。后評價(jià)是水利工程基本建設(shè)的重要程序，它對工程項(xiàng)目總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，提高決策水平、管理水平和投資效果有著重要的意義[4-5]。目前，我國已經(jīng)有一些行業(yè)和部門取得了一些研究成果，并建立了本部門的后評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)方法[6]。在水利工程方面，陳巖[7]的后評價(jià)基本內(nèi)容包括過程評價(jià)、經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)、影響評價(jià)和持續(xù)性評價(jià)等，評價(jià)指標(biāo)涉及社會、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境等多個方面。但涉及突發(fā)水污染事件應(yīng)急調(diào)控后評價(jià)的文獻(xiàn)較少。

南水北調(diào)中線干渠突發(fā)水污染應(yīng)急調(diào)度涉及保障工程安全、控制污染范圍、減少經(jīng)濟(jì)損失等多個目標(biāo)[8]，而應(yīng)急調(diào)度過程的節(jié)制閘關(guān)閉時(shí)間和閘前水位穩(wěn)定后允許漲幅等多項(xiàng)要素需要人工判定，不可能直接解析得到全局最優(yōu)的閘門群應(yīng)急調(diào)度措施。因此，需對人工設(shè)定的多組應(yīng)急調(diào)度措施的實(shí)施效果進(jìn)行比選，從而選擇出最優(yōu)的措施。本文采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(DEA)對長距離輸水工程突發(fā)水污染事件應(yīng)急調(diào)控后污染范圍和工程安全進(jìn)行評價(jià)，分析調(diào)控后輸水工程中不同渠段運(yùn)行情況及污染范圍控制情況，探討了影響其變化的主要因素，并提出了提高突發(fā)水污染事件應(yīng)急調(diào)控水平的建議。

2 研究方法

2.1 DEA模型

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(Data Envelopment Analysis，簡稱DEA)是一種非參數(shù)方法，是由Charnes等[9]于1978年首次提出的。DEA用于對多投入和多產(chǎn)出情況下不同決策單元(Decision Making Units，以下簡稱DMUs)的相對效率進(jìn)行評估。DEA方法是具有多輸入和多輸出的復(fù)雜系統(tǒng)，同時(shí)排除了很多主觀因素，國內(nèi)外學(xué)者在DEA方法的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用上取得了大量的成果[10-12]。自DEA模型提出以來，現(xiàn)已發(fā)展了C2R、BC2、C2GS等多種形式，本研究選用經(jīng)典的C2R模型進(jìn)行分析[13]。假設(shè)有n個決策單元DMUj(j=1,2,3,…,n)，每個DMU有m種類型的輸入Xj=(x1j,x2j,…,xmj)和s種類型的輸出Yj=(y1j,y2j,…,ysj)，其中，(x0,y0)為DMU0的輸入和輸出，具有非阿基米德無窮小量ε(小于任何正數(shù)且大于0，可取10-6)的DEA模型如下：

(1)

式中：θ為決策單元DMU0的效率值(0≤θ≤1)，θ值越接近1，其效率值越高；S+、S-分別為松弛變量；λj為輸入輸出指標(biāo)值的權(quán)系數(shù)；當(dāng)δ=0時(shí)，為C2R模型。

假設(shè)式(1)的最優(yōu)解分別為θ*、λ*、S+*、S-*，則C2R模型DEA有效性的經(jīng)濟(jì)含義[14-15]為：(1)當(dāng)θ*=1，且S+*=0，S-*=0時(shí)，決策單元DMU0為DEA有效，達(dá)到帕累托最優(yōu)，決策單元的生產(chǎn)活動同時(shí)存在技術(shù)有效和規(guī)模有效；(2)當(dāng)θ*=1，但至少有某個輸入或輸出松弛變量大于零時(shí)，決策單元DMU0為DEA弱有效，即在這n個決策單元組成的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，在保持原產(chǎn)出y0不變的情況下，投入x0可減少S-*，或在投入x0不變的情況下可將產(chǎn)出提高S+*；(3)當(dāng)θ*<1時(shí)，決策單元DMU0為DEA非有效，決策單元的生產(chǎn)活動既不是技術(shù)效率最佳，也不是規(guī)模效率最佳。

2.2 指標(biāo)和數(shù)據(jù)選取

從應(yīng)急調(diào)控過程來看，調(diào)控效果主要是取決于閘門關(guān)閉方式和速度、污染物擴(kuò)散過程以及輸水工程運(yùn)行情況。突發(fā)水污染應(yīng)急調(diào)控過程中會投入一定的資金，其中包括調(diào)節(jié)閘門時(shí)所需的技術(shù)費(fèi)和人工費(fèi)，還有污染物監(jiān)測成本，將這些費(fèi)用統(tǒng)稱為成本投資。而調(diào)控結(jié)束后，區(qū)域?yàn)?zāi)害損失度(包含污染影響程度、生態(tài)環(huán)境損失、直接經(jīng)濟(jì)損失等)是主要關(guān)注對象。因此本文選取成本投資作為應(yīng)急調(diào)控評價(jià)的投入指標(biāo)，而區(qū)域?yàn)?zāi)害損失度作為產(chǎn)出指標(biāo)。評價(jià)指標(biāo)和決策單元的選取如表1所示。

表1 評價(jià)指標(biāo)和決策單元

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 情景設(shè)置

假設(shè)南水北調(diào)中線干渠初流量為設(shè)計(jì)流量，在嚴(yán)陵河節(jié)制閘和淇河節(jié)制閘之間發(fā)生突發(fā)水污染事件，方式為瞬時(shí)點(diǎn)源污染，事件上游1 259 m處是嚴(yán)陵河節(jié)制閘，事件下游25 921 m處是淇河節(jié)制閘，污染物假設(shè)為不可降解物——苯酚，污染量為10 t，可在渠池內(nèi)處置，如圖1所示。

污染物擴(kuò)散計(jì)算結(jié)果如文獻(xiàn)[16-18]所述。通過計(jì)算可知[16]，如果將污染物控制在嚴(yán)陵河節(jié)制閘和淇河節(jié)制閘之間，在93 min同時(shí)關(guān)閉嚴(yán)陵河節(jié)制閘和淇河節(jié)制閘，閉閘結(jié)束后，苯酚峰值向前輸移5 223 m，最終最高濃度為38 mg/L，縱向長度影響范圍是13 852 m，苯酚溶液前緣距淇河節(jié)制閘的距離是14 413 m；如果將污染物控制在嚴(yán)陵河節(jié)制閘和十二里河節(jié)制閘之間，可采用異步閉閘方式，先關(guān)閉嚴(yán)陵河節(jié)制閘，一個水波傳播時(shí)間(30 min)之后關(guān)閉淇河節(jié)制閘，最后在淇河節(jié)制閘關(guān)閉后的一個水波傳播時(shí)間關(guān)閉十二里河南支節(jié)制閘，具體操作如表2所示。為了確定最優(yōu)的調(diào)控效果，構(gòu)建了嚴(yán)陵河節(jié)制閘至淇河節(jié)制閘段一維水動力水質(zhì)模型，對上述4種應(yīng)急調(diào)控措施進(jìn)行模擬，得到應(yīng)急調(diào)控措施1的效果最佳。

圖1 突發(fā)水污染事件示意圖

措施編號措施內(nèi)容事故渠池事故渠池上游段事故渠池下游段1234嚴(yán)陵河節(jié)制閘和淇河節(jié)制閘93 min關(guān)閉(譚寨分水口沒啟用,無需應(yīng)急調(diào)度)將污染物限制在嚴(yán)陵河節(jié)制閘和十二里河節(jié)制閘之間:嚴(yán)陵河節(jié)制閘15 min關(guān)閉,淇河節(jié)制閘晚30 min開始經(jīng)60 min關(guān)閉,十二里河南支節(jié)制閘晚120 min開始經(jīng)60 min關(guān)閉;潦河退水閘不啟用各分水口正常供水;各節(jié)制閘閘前水位穩(wěn)定后允許漲幅為30 cm;按上游段應(yīng)急調(diào)度模型進(jìn)行蓄量調(diào)配嚴(yán)陵河節(jié)制閘上游渠段通過閘門調(diào)控和石家分水口分水可保證輸水流量為200m3/s,可為處置提供6 h嚴(yán)陵河節(jié)制閘上游渠段通過閘門調(diào)控和石家分水口分水可保證輸水流量為200 m3/s,可為處置提供6 h各分水口正常供水;各節(jié)制閘閘前水位穩(wěn)定后允許漲幅為30 cm;按上游段應(yīng)急調(diào)度模型進(jìn)行蓄量調(diào)配淇河節(jié)制閘下游渠段以60 m3/s流量供水可供1146 h

3.2 調(diào)控后評價(jià)分析

首先基于實(shí)際工程情況并結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研，分別對4種應(yīng)急調(diào)控措施的投入指標(biāo)(成本投資)和產(chǎn)出指標(biāo)(區(qū)域?yàn)?zāi)害損失度)賦予具體數(shù)值(見表3)，然后對應(yīng)急調(diào)控措施1進(jìn)行DEA效果分析，對其應(yīng)急調(diào)控后效果進(jìn)行評價(jià)。

表3 應(yīng)急調(diào)度措施數(shù)據(jù)表

對應(yīng)急調(diào)控措施的DEA效果分析，應(yīng)首先確定應(yīng)急調(diào)控措施1～4的運(yùn)行是否DEA有效。對這4種應(yīng)急調(diào)控措施建立線性規(guī)劃模型，如式(2)～(5)所示。

(2)

(3)

(4)

(5)

式(2)～(5)計(jì)算得到：θ1=1，θ2=0.996，θ3=0.998，θ4=0.997，從結(jié)果可知，應(yīng)急調(diào)控措施1的運(yùn)行為DEA有效，達(dá)到帕累托最優(yōu)；應(yīng)急調(diào)控措施2至4的運(yùn)行為非DEA有效。

根據(jù)DEA模型，得到該突發(fā)事故的最優(yōu)調(diào)控措施為：(1)上游段，各分水口正常供水，各節(jié)制閘閘前水位穩(wěn)定后允許漲幅為30 cm，按上游段應(yīng)急調(diào)度模型進(jìn)行蓄量調(diào)配；(2)事故渠段，93 min同時(shí)關(guān)閉嚴(yán)陵河節(jié)制閘和淇河節(jié)制閘(譚寨分水口沒啟用，無需應(yīng)急調(diào)度)；(3)下游段，淇河節(jié)制閘下游渠段以60 m3/s流量供水可供1 146 h。該應(yīng)急調(diào)控措施不僅調(diào)節(jié)閘門最少，減少污染物擴(kuò)散范圍，而且還可以降低水位波動，從而減小對渠道邊坡的破壞，該結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果一致，由此可以看出基于DEA的調(diào)控后評價(jià)模型具有較好的分析效果。

4 結(jié) 論

針對突發(fā)水污染事件應(yīng)急調(diào)控后的效果評價(jià)問題，本文引入DEA模型，為突發(fā)水污染事件應(yīng)急調(diào)控后評價(jià)提供一種新的思路和方法。

(1)引入DEA模型，在調(diào)控后評價(jià)中可降低人為因素的影響，更加科學(xué)有效；

(2)將調(diào)節(jié)閘門時(shí)所需的技術(shù)費(fèi)和人工費(fèi)、污染物監(jiān)測費(fèi)作為DEA模型的投入指標(biāo)，調(diào)控結(jié)束后的污染影響程度、生態(tài)環(huán)境損失和直接經(jīng)濟(jì)損失作為DEA模型的產(chǎn)出指標(biāo)；

(3)經(jīng)模型計(jì)算，得到的最優(yōu)應(yīng)急調(diào)控措施與數(shù)值模擬得到的結(jié)果一致，說明基于DEA的調(diào)控后評價(jià)模型具有較好的分析效果。