危險廢物填埋場地下水污染風險評價中指標權重計算方法優(yōu)化比選

韓 旭, 生 賀, 夏 甫, 徐祥健, 尚長健, 楊 昱, 姜永海

中國環(huán)境科學研究院， 國家環(huán)境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室， 北京 100012

隨著我國生態(tài)環(huán)保理念的推廣，相關部門對場地風險管理也投入了更高的關注，編制了多項管理辦法及標準作為政策支持. 對場地進行風險評價是場地管理的一個重要方向和環(huán)節(jié)，通過風險評價不僅可以確定場地中的風險點也可以判斷各場地的風險大小[1]，以此確定風險管理的場地優(yōu)先級排序和重點關注指標[2-4].

由于工業(yè)場地建設水平參差不齊、場地特性各有差異，并且各個場地的風險特征差異較大，要想針對已建成的工業(yè)場地實施風險評價，就需要選擇適用于同一類場地的風險評價方法. Visual MODFLOW[5-6]、HYDRUS-1D[7-9]等數值模擬方法可以考慮場地中裝置、源-匯項等多種因素，并能描述多維、多相態(tài)、多組分、多過程的污染物遷移轉化過程，形成定量化的描述，為地下水污染風險評價提供基礎. 數值模擬方法涵蓋全面、因素多樣、模擬結果貼合實際，但過程復雜、需要專業(yè)人員操作、工作量大，因此，建立一種簡便、可操作性強、結果準確的污染風險評價方法對于部門管理人員更具有可行性. 場地地下水污染風險評價指數方法是通過構建評價指標體系、分配指標權重、計算風險綜合指數分析地下水污染風險[10]，指標數量少、計算方法簡單，且結果可以直接進行排序從而確定風險管控的關鍵點，最重要的是該方法可以體現污染源釋放特征等生產復雜性. 權重計算是風險指數計算中一個至關重要的環(huán)節(jié). 常用的權重計算方法歸類為主觀賦權法、客觀賦權法和綜合賦權法3種[11]. 主觀賦權法根據決策者(專家)主觀上對各屬性的重視程度來確定屬性權重，包含專家調查法(Delphi法)[12]、層次分析法(AHP)[13-15]等. 客觀賦權法可以完全采用已有數據，不加入人為判斷進行權重計算，但是缺乏人類經驗的總結，常用的包含熵權法[16-17]、模糊集理論[18]、主成分分析法[19]、離差及均方差法等[20]. 主客觀綜合賦權法，即分別計算主觀、客觀權重，利用加法或乘法將2項權重進行融合[21].

鐘秀等[10]運用層次分析法確定了地下水飲用水源地污染源風險等級評價指標體系中21個指標的權重，通過加權求和模型，構建了污染源風險等級評價指數的計算方法，并針對不同風險區(qū)域提出了修復技術要求. 屈飛行等[11]利用層次分析法的4種不同計算方法進行了地質災害危險性評價的指標權重計算，并采用邊界確定的實際滑坡及崩塌面對評價結果進行驗證，確定了地質災害危害性評價時優(yōu)先選擇特征向量法計算權重. 李艷萍等[22]利用主觀賦權法中的層次分析法對工業(yè)園區(qū)環(huán)境風險評價19項指標的權重進行了計算，得出基于不同人群打出的分值而得到的權重結果各有不同，體現了人群認識不同，則層次分析法標度不同，對計算結果的影響程度較大的觀點. 李帥等[23]利用AHP和熵權法結合的方法確定指標權重，并對城市人居環(huán)境質量大小進行綜合評價，確定了5個城市的人居環(huán)境質量大小順序，并相應提出了建議.

為了探討層次分析法(主觀賦權法)、熵權法(客觀賦權法)、層次分析-熵權法(綜合賦權法)對于風險評價的適用性，以我國37家危險廢物填埋場為案例，進行地下水污染風險評價，通過風險指數與地下水污染指數擬合結果進行分析比較，確定風險指數計算中推薦選擇的賦權方法.

1 數據來源及研究方法

1.1 研究方法

場地地下水污染風險評價指數計算的基本步驟：①構建指標體系；②指標數值量化；③分配指標權重；④計算風險指數；⑤結果驗證. 具體如下：首先采用層次分析法構建指標體系，之后利用聚類分析法和賦分法將各指標進行統(tǒng)一量化，然后分別采用層次分析法、熵權法、層次分析-熵權法計算指標權重，最后采用積和法計算地下水污染風險綜合指數，并利用場地調查獲取的地下水苯濃度進行風險指數與地下水污染指數的線性擬合，確定最優(yōu)的權重計算方法. 其中權重計算、風險指數計算及結果驗證方法介紹如下.

1.1.1權重計算

a) 層次分析法權重λj的計算步驟[24-25]：①建立遞階層次結構模型，繪制層次結構圖；②依據表1所示的標度方法構造各層次中的成對比較矩陣；③針對每個成對比較矩陣計算層次單排序及進行一致性檢驗；④層次總排序及一致性檢驗. 一致性檢驗中的指標CI計算如式(1)所示，一致性比率(CR)計算如式(2)所示.

表1 判斷矩陣元素aij的標度方法

(1)

式中，λ為最大特征根.

b) 熵權法[26]的計算步驟：①按照式(3)將各指標的數據進行標準化處理，構建標準化矩陣xij′；②利用式(4)計算各指標的信息熵ej；③通過式(5)計算各指標權重μj.

(3)

(4)

(5)

c) 層次分析-熵權法采用“加法”集成法[27-28]，具體步驟是：①構建2種權重的距離函數D(λj,μj)；②計算分布系數α和β；③根據組合積分權重計算公式得到綜合權重ωj.

(6)

D(λj,μj)2=(α-β)2

(7)

α+β=1

(8)

ωj=αλj+βμj

(9)

式中，λj和μj分別為層次分析法權重和熵權法權重計算結果，α和β分別為λj和μj的分布系數.

1.1.2風險指數計算

地下水污染風險綜合指數(R)利用綜合指數法進行計算.

R=R1W1+R2W2+…+RnWn

(10)

式中，Rn為各指標分值，Wn為各指標權重，n為指標序號.

1.1.3污染指數與風險指數擬合

利用距平指數法構造場地地下水污染指數C，計算公式如式(11)所示，并利用軟件將C與R進行線性擬合.

(11)

1.2 數據來源

該研究以我國37家危險廢物填埋場為案例，采用的數據均來自于收集的危險廢物填埋場可行性研究報告、地質勘探報告及現場調研獲得的信息，具體見表2. 37家危險廢物填埋場分別位于我國37個城市，占地面積普遍為1.0×105～1.5×105m2，填埋場填埋年限10～30年，涉及丘陵、平原、臺地、溝谷4種地形地貌，地下水類型為孔隙水或裂隙水或巖溶水，地下水埋深普遍小于10 m.

2 案例分析

2.1 構建指標體系

構建指標體系首先需要明確風險原因，危險廢物填埋場地下水污染的主要風險來源于滲濾液的泄露，造成滲濾液泄漏的主要因素一般為場內原因，也就是由于填埋場自身構造造成的[29-31]. 而從滲濾液泄漏到產生地下水污染風險，涉及填埋場建設特性、滲濾液性質、場地水文地質情況、受體距離及管理水平等[32-33]. 借鑒國內外針對危險廢物填埋場的風險研究，結合所收集的我國37家危險廢物填埋場資料，利用層次分析法確定危險廢物填埋場地下水污染風險評價45個指標的初步指標體系[34]. 基于危險廢物滲濾液泄露污染地下水的3個層面進行主要影響因素篩選：一是危險廢物填埋場本身的風險指標，表征由于填埋場自身條件和性質而導致地下水受到污染的風險，包括填埋場建設規(guī)模和滲濾液及防滲系統(tǒng)特性；二是體現危險廢物填埋場地下水污染物垂向遷移風險指標，表征污染物通過包氣帶介質進入含水層的風險，包括水文條件和包氣帶介質特性；三是體現危險廢物填埋場地下水污染物水平遷移風險指標，表征污染物進入含水層后，隨著地下水流動遷移擴散至飲用水源地的風險，包含含水層介質特性和飲用水源地距離填埋場的距離. 最終建立了包含14項指標的指標體系，見表3.

表3 危險廢物填埋場地下水污染風險評價指標

2.2 指標數值量化

為了減少指標量化賦分差異對綜合指數結果的影響，選擇通過聚類分析法的方法，將收集到的所有指標數據分為3個等級，部分指標分級標準見表4. 按照單個指標可能造成地下水污染風險等級高、中、低進行賦分：若指標屬于高風險則為一級，分值為50分； 若指標屬于中風險則為二級，分值為30分； 若指標為低風險則為三級，分值為10分.

表4 危險廢物填埋場地下水污染風險部分指標分級標準

2.3 分配指標權重

根據式(1)～(9)計算14項指標的權重，3種權重方法對應的權重結果分別用λj、μj及ωj表示，結果見表5.

表5 指標權重計算結果

2.4 計算風險指數

利用式(10)計算37家危險廢物填埋場的地下水污染風險綜合指數R，3種權重方法對應的地下水污染風險綜合指數分別用Rλ、Rμ和Rω表示，計算結果取2位有效數字，見表6.

表6 37個危險廢物填埋場地下水污染風險綜合指數

3 結果與討論

3.1 權重計算結果對比

按照權重大小排序形成3組權重對比圖. 由圖1可知，層次分析法和熵權法計算得出的評價指標權重有比較明顯的差異. 層次分析法中權重前5名由大到小依次為含水層滲透系數、包氣帶滲透系數、地下水埋深、含水層厚度、防滲膜HDPE厚度；熵權法中權重前5名由大到小依次為含水層滲透系數、包氣帶滲透系數、地形坡度、年填埋量、滲濾液產生量. 2種方法差異的主要原因在于2種計算方法的內涵，層次分析法反映的是基于專家認知得出的指標重要性排序，熵權法是單純通過指標數值計算得到的權重，反映的是指標數據差異的大小.

圖1 3組權重對比Fig.1 Comparison chart of three sets of weights

層次分析-熵權法是基于層次分析法和熵權法二者的分配系數綜合得出的權重，層次分析-熵權法中權重前5名由大到小依次為含水層滲透系數、包氣帶滲透系數、含水層厚度、防滲膜HDPE厚度、地下水埋深. 可以看出，層次分析-熵權法與層次法得出的權重前5名指標完全相同，只是排序不同，這是由于層次分析-熵權法中層次分析法分配系數為0.58，熵權法分配系數為0.42，在計算綜合權重時，層次分析法的權重具有更大的比重，而以上5個指標的λj都要大于μj，因此只有指標排序發(fā)生了變化.

3種方法的結果中前5名同時包含含水層滲透系數和包氣帶滲透系數，說明這2項指標在不同的危險廢物填埋場的數值有著明顯差異，也是可能造成危險廢物填埋場地下水污染風險的兩大主要因素. 3種方法均得出含水層滲透系數和包氣帶滲透系數是可能造成地下水污染風險的兩大指標，說明在建設或運行管理危險廢物填埋場時，為保護地下水選址需要優(yōu)先考慮含水層及包氣帶介質類型，必要時采取更高性能的防滲技術手段.

3.2 污染風險綜合指數結果對比

依據3組權重得到的37個危險廢物填埋場地下水污染風險綜合指數如圖2所示，按照風險指數由大到小排序前15家危險廢物填埋場如表7所示. 由表7可知，3組地下水污染風險綜合指數排序前15名危險廢物填埋場中共有10家同時出現在3組結果中，此外，層次分析-熵權法中的28號和14號場地、以及21和11號場地分別與層次分析法和熵權法的結果對應，僅有3號場地沒有出現在另外2組結果中，由此可見層次分析-熵權法將2種權重進行了融合，而層次分析法和熵權法雖然有13家重合，但是排序完全不同.

表7 危險廢物填埋場地下水污染風險綜合指數前15名及其計算結果

圖2 3組地下水污染風險綜合指數對比Fig.2 Comparison chart of three groups of comprehensive index of groundwater pollution risk

進一步分析地下水污染風險前5名的場地，按照層次分析法的結果排序為7號>36號>19號>18號>29號；按照熵權法的結果排序為12號>19號>16號>7號>23號；按照層次分析-熵權法的結果排序為7號>18號>9號>10號>14號. 在危險廢物填埋場指標分值固定的情況下，地下水污染風險排序因為3種權重計算方法得出的權重結果而表現出顯著差異，僅有7號危險廢物填埋場在3組結果中同時出現. 可見，按照不同的權重計算方法判斷的場地風險管理優(yōu)先級是不同的，只有選用能更準確匹配實際情況的權重計算方法才可以保證風險管理實施的有效性和準確性.

3.3 權重計算的優(yōu)化比選

3組污染風險指數(R)與苯污染指數(C)之間的擬合結果見圖3. 結果顯示，3組污染風險綜合指數均可以和苯濃度形成線性關系，層次分析法得出的R2為0.75，熵權法得出的R2為0.51，層次分析-熵權法得出的R2為0.84，說明層次分析-熵權法優(yōu)于層次分析法，更優(yōu)于熵權法，層次分析-熵權法得出的污染風險綜合指數更能準確的描述場地的污染情況，即相對于另外2種權重計算方法，綜合權重法更適用于危險廢物填埋場地下水污染風險評價.

圖3 3種權重計算方法下風險指數與污染指數的擬合結果Fig.3 Relationship between risk index and contamination indexunder three weight calculation methods

將表5中3組權重分別按由大到小排序后，可以看到3組排序完全不同，依次加和得到的總權重如圖4所示. 當總權重達到0.96時，層次分析-熵權法包含了12項指標，層次分析法包含了11項指標，熵權法包含了9項指標，層次分析-熵權法相較于其他2種方法可以在一定權重范圍內體現更多的指標，且權重分配更加均衡. 層次分析-熵權法既體現了對地下水污染較大的2個指標的影響，同時平衡了數據差異與專家認知之間不同，由此建立的綜合指數計算方法更加穩(wěn)定，不易受到單個指標缺失的影響，在一定程度上可以為危險廢物填埋場地下水污染的風險評價及運行管理提供支持.

圖4 指標權重加和結果Fig.4 Sum results of index weights

4 結論

a) 從不同權重計算方法得出的權重可知，含水層滲透系數和包氣帶滲透系數是可能影響地下水污染風險最顯著的2個指標，說明在建設或運行管理危險廢物填埋場時，為保護地下水選址時需要優(yōu)先考慮含水層及包氣帶介質類型或在建設中采取更高性能的防滲方法.

b) 層次分析-熵權法得出污染風險綜合指數與場地的苯污染程度擬合度更高，即相對于層次分析法和熵權法，層次分析-熵權法更適用于危險廢物填埋場地下水污染風險評價.

c) 層次分析-熵權法相對于其他2種方法權重分配更為均衡，建立的綜合指數計算方法更加穩(wěn)定，不易受到單個指標缺失的影響，在一定程度上可以為危險廢物填埋場地下水污染的風險評價及運行管理提供支持.

d) 該研究建立的污染風險評價方法適用于危險廢物填埋場地下水污染風險的批量評估與分級管理，該方法操作簡便、所需數據量小且容易獲取，與常規(guī)場地風險評價方法相比，大大節(jié)約人力、物力與時間成本. 在實施風險管理時，可配合詳細調查分析場地風險特征，進而提出有針對性的風險防控方案.

參考文獻(References)：

[1] KAJENTHIRA A,HOLMES J,MCDONNELL R.The role of qualitative risk assessment in environmental management:a Kazakhstani case study[J].Scienceof the Total Environment,2012,420:24-32.

[2] 尹榮堯,楊瀟,孫翔,等.江蘇沿?；^(qū)環(huán)境風險分級及優(yōu)先管理策略研究[J].中國環(huán)境科學,2011,31(7):1225-1232.

YIN Rongyao,YANG Xiao,SUN Xiang,etal.Environmental risk rankings and prior management strategies on chemical industry parks in the coastal area of Jiangsu Province[J].China Environmental Science,2011,31(7):1225-1232.

[3] 呂培辰,李舒,馬宗偉,等.中國環(huán)境風險評價體系的完善:來自美國的經驗和啟示[J].環(huán)境監(jiān)控與預警,2018,10(2):1-5.

LU Peichen,LI Shu,MA Zongwei,etal.Improvement of China′s environmental risk assessment system:experience and enlightenment from the United States [J].Environmental Monitoring and Forewarning,2018,10(2):1-5.

[4] 馮霞.環(huán)境風險管理中比較風險評價法的應用[J].中國資源綜合利用,2020,38(2):24-26.

FENG Xia.Application of comparative risk evaluation in environmental risk management[J].China Resources Comprehensive Utilization,2020,38(2):24-26.

[5] LYU Sidan,CHEN Weiping,WEN Xuefa,etal.Integration of HYDRUS-1D and MODFLOW for evaluating the dynamics of salts and nitrogen in groundwater under long-term reclaimed water irrigation[J].Irrigation Science,2019,37(1):35-47.

[6] HUSSEIN I A,LIU Junmin,ZHANG Yinqin,etal.Numerical simulation of groundwater of large-scale irrigation in northern China:case of Baoyang Irrigation Area,Shaanxi,China[J].International Journal of Water Resources and Environmental Engineering,2013,5(9):533-545.

[7] BEHERA S K,PANDA R K.Assessing soil and groundwater contamination with HYDRUS-1D:a study from West Bengal[J].Environmental Quality Management,2011,20(3):59-75.

[8] PONTEDERIO E M,HEILBRON P F,PEREZ-GUERRERO J,etal.Reassessment of the Goiania radioactive waste repository in Brazil using HYDRUS-1D[J].Nephron Clinical Practice,2018,66(2):202-210.

[9] ADHIKARI K,PAL S,CHAKRABORTY B,etal.Assessment of phenol infiltration resilience in soil media by HYDRUS-1D transport model for a waste discharge site[J].Environmental Monitoring and Assessment,2014,186(10):6417-6432.

[10] 鐘秀,馬騰,劉林,等.地下水飲用水源地污染源風險等級評價方法研究[J].安全與環(huán)境工程,2014,21(2):104-108.

ZHONG Xiu,MA Teng,LIU Lin,etal.Method research on the risk level evaluation of contamination sources for drinking groundwater wellhead[J].Safety and Environmental Engineering,2014,21(2):104-108.

[11] 屈飛行,湯明高,王自高,等.地質災害危險性區(qū)劃中不同權重計算方法的對比分析[J].水利水電技術,2016,47(11):136-140.

QU Feihang,TANG Minggao,WANG Zigao,etal.Comparative analysis on different methods for weight calculation in geohazard risk zoning[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2016,47(11):136-140.

[12] LU Peng.Structural effects of participation propensity in online collective actions:based on big data and Delphi methods[J].Journal of Computational and Applied Mathematics,2018,344:288-300.

[13] XUE Rui,WANG Chong,LIU Mengli,etal.A new method for soil health assessment based on analytic hierarchy process and meta-analysis[J].Science of The Total Environment,2018,650:2771-2777.

[14] ABESSI O,SAEEDI M.Hazardous waste landfill siting using GIS technique and analytical hierarchy process[J].Environment Asia,2010,3(2):69-78.

[15] AHYAPRATAMA A,SARNO R.Application of Analytic Hierarchy Process (AHP) and Simple Additive Weighting (SAW) cethods in singer selection process[J].International Conference on Information and Communications Technology,2018,9:234-239.

[16] YUAN Zhong,ZHANG Xianyong,FENG Shan.Hybrid data-driven outlier detection based on neighborhood information entropy and its developmental measures[J].Expert Systems with Applications,2018,112:243-257.

[17] PAN Guangbo,XU Youpeng,YU Zhihui,etal.Analysis of river health variation under the background of urbanization based on entropy weight and matter-element model:a case study in Huzhou City in the Yangtze River Delta,China[J].Environmental Research,2015,139:31-35.

[18] XU Linyu,LIU Guiyou.The study of a method of regional environmental risk assessment[J].Journal of Environmental Management,2009,90:3290-3296.

[19] SAIKIA J,ROY S,BORDOLOI M,etal.Atmospheric aerosols around three different types of coal-based industries:emission parameters,cytotoxicity assay,and principal component analysis[J].Journal of Aerosol Science,2018,126:21-32.

[20] SANIKHANIA H,DEO C R,YASEEN M Z,etal.Non-tuned data intelligent model for soil temperature estimation:a new approach[J].Geoderma,2018,330:52-64.

[21] BAI Libiao,WANG Hailing,HUANG Ning,etal.An environmental management maturity model of construction programs using the AHP-Entropy approach[J].International Journal of Environmental Research & Public Health,2018,15(7):1317.

[22] 李艷萍,喬琦,柴發(fā)合,等.基于層次分析法的工業(yè)園區(qū)環(huán)境風險評價指標權重分析[J].環(huán)境科學研究,2014,27(3):334-340.

LI Yanping,QIAO Qi,CHAI Fahe,etal.Study on environmental risk assessment index weight of industrial park based on the analytic hierarchy process[J].Research of Environmental Sciences,2014,27(3):334-340.

[23] 李帥,魏虹,倪細爐,等.基于層次分析法和熵權法的寧夏城市人居環(huán)境質量評價[J].應用生態(tài)學報,2014,25(9):2700-2708.

LI Shuai,WEI Hong,NI Xilu,etal.Evaluation of urban human settlement quality in Ningxia based on AHP and the entropy method[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2014,25(9):2700-2708.

[24] GHIMIRE P L,KIM Y.An analysis on barriers to renewable energy development in the context of Nepal using AHP[J].Renewable Energy,2018,129:446-456.

[25] 楊昱,廉新穎,馬志飛,等.再生水回灌地下水環(huán)境安全風險評價技術方法研究[J].生態(tài)環(huán)境學報,2014,23(11):1806-1813.

YANG Yu,LIAN Xinying,MA Zhifei,etal.Risk assessment technology method on groundwater environment safety of reclaimed water injection[J].Ecology and Environmental Sciences,2014,23(11):1806-1813.

[26] BAHREINI F,SOLTANIAN A R.Identification of a gene set associated with colorectal cancer in microarray data using the entropy method[J].Cell Journal,2019,20(4):569-575.

[27] XU Hongshi,MAChao,LIAN Jijian,etal.Urban flooding risk assessment based on an integrated k-means cluster algorithm and improved entropy weight method in the region of Haikou,China[J].Journal of Hydrology,2018,563:975-986.

[28] YANG Yilin,LEI Xiaohui,LONG Yan,etal.A novel comprehensive risk assessment method for sudden water accidents in the Middle Route of the South-North Water Transfer Project (China)[J].Science of the Total Environment,2020,698:134167.

[29] 于可利,劉華峰,李金惠,等.危險廢物填埋設施的環(huán)境風險分析[J].環(huán)境科學研究,2005,18(S1):43-47.

YU Keli,LIU Huafeng,LI Jinhui,etal.The environmental risk assessment of hazardous waste landfill[J].Research of Environmental Sciences,2005,18(S1):43-47.

[30] VRIJHEID M.Health effects of residence near hazardous waste landfill sites:a review of epidemiologic literature [J].Environmental Health Perspectives,2000,108:101-112.

[32] LI Ying,LI Jinhui,CHEN Shusheng,etal.Establishing indices for groundwater contamination risk assessment in the vicinity of hazardous waste landfills in China[J].Environmental Pollution,2012,165:77-90.

[33] 楊昱,廉新穎,馬志飛,等.污染場地地下水污染風險分級技術方法研究[J].環(huán)境工程技術學報,2017,7(3):323-331.

YANG Yu,LIAN Xinying,MA Zhifei,etal.Risk ranking technology method on groundwater pollution of contaminated sites[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):323-331.

[34] 李娟,呂寧磬,楊洋,等.典型場地地下水污染源強分級評價方法研究[J].環(huán)境工程學報,2014,8(11):4726-4736.

LI Juan,Lü Ningqing,YANG Yang,etal.Study on groundwater pollution source intensity rating assessmentmethod of typical contaminated sites[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2014,8(11):4726-4736.