突发水污染事件应急预案综合评价方法研究

郭维维， 龙 岩

(1.山西省水利水电科学研究院，太原 030002；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

可持续发展已成为各国政治议程中的一个重要议题。可持续利用水资源是可持续发展的一个重要方面，特别是在水资源稀缺的地区[1-3]。水资源时空分布不均是制约水资源可持续发展的重要因素。因此大量的调水工程应运而生[4,5]，如美国的中央亚利桑那工程[6]，中国的南水北调工程[7]等。而明渠输水路线长、交叉建筑物多，风险源密集等特点，大大增加了输水工程的污染风险。事故发生后，能否及时的采取有效地救援措施，进行有利的应急指挥，各种救援物资能否及时到位等等，这些问题其实反映出建立一个完善的预案库是十分必要的。因为应急预案对整个救援工作起到指导性作用，因此预案的好坏、优劣会直接影响到整个救援的效果。

目前一系列的突发水污染事件的发生已引起广泛的学者对突发水污染事件应急预案的关注，有些专家早已开始研究突发水污染事件应急预案[8]。例如，He[9]等人基于GIS系统，针对三峡工程突发水污染事件，提出了能够预测污染位置的应急体系；Liu[10]等将模糊综合评价方法与GRA方法相结合，针对突发化学污染事件提出了有效的应对措施；Shi[11]对苯胺污染事件进行评价分析，运用AHP方法构建了技术评价指标体系，从而提出最优的应急处置预案；有些学者针对突发水污染事件，从管理学角度出发[12,13]，提出了事件环境风险管理体制；但是他们只是局限于预案的编制，对预案的优劣评价研究的很少。因此，建立一种突发水污染事件应急预案评价方法是非常有必要的，不仅可以为确定出更合理、科学的应急预案提供指导，还可以为其他行业应急预案的评价提供参考。

为了确定有效合理的预案，本文基于AHP法[14,15]、熵权法[16,17]、TOPSIS法[18-20]和社会协调发展度模型(CDDM)[21,22]构建了应急预案定量评价模型。并以南水北调中线典型渠段为例验证了此方法在突发水污染事件应急预案评价过程中的科学有效性。

1 构建模型

模型的具体思路是根据预案的影响因素，建立应急预案评价指标体系，然后采用TOPSIS法、AHP方法和熵权法相结合的方法，确定各应急预案与理想预案的接近度；同时根据社会协调发展度模型(CDDM)确定效益型指标和成本型指标之间的协调性，最后采用综合评价的方法来确定最优预案。其具体步骤如下。

1.1 根据预案的影响因素，建立应急预案评价指标体系

根据预案的影响因素，确定评价指标为：调控成本、处置成本、恢复成本、损失费用、预防预警效果、应急响应程度、灾后恢复评价、联动性8项指标。突发水污染事件应急预案评价体系如图1所示，各指标说明见表1。其中调控成本、处置成本、恢复成本、损失费用为成本型指标，即指标值越小越优；预防预警效果、应急响应程度、灾后恢复评价、联动性为效益型指标，即指标值是越大越优。

图1 突发水污染事件应急预案评价体系

表1 各指标说明表

1.2 确定各应急预案评价指标的权重

指标的权重确定方法一般分为主观赋权法和客观赋权法两种。不管用哪种方法，得到的权重都会有一定的偏差，因此为了弥补这种缺陷，将两种权重方法结合，其计算内容如下。

(1)AHP确定主观权重。主观权重主要是凭借决策者或者专家的知识储备和决策经验，对评价指标权重进行赋值，常采用的方法是AHP法。AHP方法是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法。通过各元素对比构造对比矩阵，然后确定每个对比矩阵的最大特征根及对应的特征向量，并做一致性检验，若检验通过，归一化后的特征向量即为权向量，即为λij。

采用Saaty推荐的1～9刻度发来构造准则层和指标层的判断矩阵A，计算出判断矩阵A的最大特征值λmax，然后根据最大特征值λmax计算判断矩阵的一致性指标C.I。其次，通过查随机一致性指标确定随机一致性指标R.I。然后，计算一致性比率即：一致性指标C.I与同阶平均随机一致性指标R.I的比较值；一般地，当一致性比率C.R<0.1时，认为A的不一致程度在允许范围之内，有满意的一致性，通过检验，接受判断矩阵；否则，重新构造判断矩阵。最后，一致性检验通过后，计算各因素的权重λij。

(1)

(2)

(2)熵值法确定客观权重。熵值法是一种客观赋权法，其根据各项指标观测值所提供的信息的大小来确定指标权重。根据熵的特性，用熵值来判断某个指标的离散程度，指标的离散程度越大，该指标对综合评价的影响(权重)越大，其熵值越小，计算内容如下：

①构造原始数据矩阵。假设有m个预案，每个预案包含8个指标，xij为第i个预案在第j个指标下的值，原始数据矩阵R如下所示。

(3)

②各指标同度量化。计算第j个指标下第i个预案指标值的权重pij和熵值ej。

(4)

③计算指标熵权μij。各指标之间的差异系数为：

(5)

式中：gj为各指标之间的差异系数。

(3)综合权重。为了使客观权重和主观权重的分配更合理，引入距离函数，进行主观权重与客观权重的组合，设主观权重ω1与客观权重ω2之间的距离函数为：

i=1,2,…,m;j=1,2,…,8

(6)

给主观权重ω1与客观权重ω2分配系数分别为a1、a2，为了使不同权重之间的差异程度与分配系数之间的差异系数一致，则采用下式进行计算。

D(ω1,ω2)2=(a1-a2)2

a1+a2=1

ωij=a1λij+a2μij

(7)

1.3 计算标准化决策矩阵和加权标准化决策矩阵

(1)首先确定各指标的量化公式。根据表1可知，每项指标的确定与多个因素有关，采用专家咨询的形式确定每项指标的得分Ci。

(2)构建指标值评价矩阵。根据各指标的量化公式确定指标值，然后构建指标值评价矩阵，由于评价指标值类型不同，本文中评价指标均统一采用下面的公式对其进行归一化处理。

(8)

(3)计算加权标准化决策矩阵。

cij=ωijrij,i=1,2,…,m;j=1,2,…,8

(9)

1.4 求正、负理想方案，计算各个预案到理想方案的距离

(1)求正理想方案C+和负理想方案C-。

(10)

(11)

式中：I属于效益型指标；J属于成本指标；

(12)

1.5 计算各个预案到理想方案的接近度Vi

(13)

1.6 确定各个预案的协调程度

将协调发展度模型引入，从整体上对突发水污染事件的应急预案进行评价，预案的协调性越高，预案越优。

x1，x2，x3，x4为4个成本型指标值，x5，x6，x7，x8为4个效益型指标值，用f(x)表示成本型指标，g(x)表示效益型指标，利用式(14)分别计算出。

(14)

式中：wi为权重系数。

当f(x)与g(x)的离差越小，成本指标和效益指标之间的协调性越好，因此用离差系数表示其协调度，如式(15)所示。

(15)

将评价成本指标与效益指标协调发展水平的定量指标定义为协调发展度或协调发展系数，用F表示，其计算公式为;

(16)

式中：F为协调发展度；E为协调度；T为成本指标与效益指标的评价指数；α、β为权重。

1.7 确定最优预案

在应急预案评价过程中，不仅要考虑各预案与理想预案的接近度，还要考虑各预案本身的协调程度。因此，基于上述描述，将预案接近度与预案协调度相结合，得到应急预案最终的评价结果，表现形式如式(17)所示。

Gi=FiVi

(17)

方案排序，Gi越大，对应的预案越优，即：

Optimal=max{Gi},i=1,2,…,m

(18)

2 案例分析

假设南水北调中线工程中严陵河节制闸至淇河节制闸发生突发水污染事故，在严陵河节制闸处，有10t不可降解的可溶性物质瞬时进入渠道，两个节制闸之间有一个谭寨分水口。通过计算可知，污染物到达淇河节制闸和十二里河节制闸的时间分别为20和180min。因此，在事故渠池设置2种情景，事故渠池上游段设置2种情景，事故渠池下游段设置1种情景，则共有4种应急预案(表2)。

(1)确定各指标值。利用水力学模型对4种应急调度措施进行模拟，分别将8个指标的数值进行统计，如表3所示。

(2)确定各指标权重。

①主观权重。经过专家咨询，得到4个预案的判断矩阵，根据AHP方法求出各预案的权重向量为：

λ1j=(0.171,0.119,0.147,0.119,0.089,0.126,0.096,0.133)

λ2j=(0.174,0.104,0.149,0.121,0.091,0.128,0.097,0.136)

λ3j=(0.164,0.112,0.083,0.191,0.094,0.115,0.101,0.14)

λ4j=(0.167,0.153,0.084,0.076,0.094,0.116,0.167,0.143)

表2 应急调度措施信息表

表3 应急预案指标体系数据表

②客观权重。对表3中指标数据归一化处理后，可得到熵权法的权重为：

μ1j=(0.124 1,0.125 4,0.124 8,0.124 7,0.125 2,0.125 0,0.125 2,0.125 6)

μ2j=(0.124 8,0.124 6,0.125 2,0.124 2,0.125 4,0.125 4,0.125 2,0.125 2)

μ3j=(0.126 0,0.125 3,0.124 8,0.125 8,0.124 6,0.124 3,0.124 5,0.124 7)

μ4j=(0.125 3,0.124 6,0.125 2,0.125 3,0.124 8,0.125 2,0.125 1,0.124 5)

③综合权重。根据式(6)、式(7)得到每个指标的综合权重，为：

(3)构建加权标准化决策矩阵。

①求正理想方案C+和负理想方案C-。

(5)计算各个预案到理想方案的接近度Vi。

(6)计算各个预案的协调度Fi。根据式(14)～(16)，计算各预案的协调发展度，结果如下所示：

(7)确定最优预案。根据式(17)可以得到：

根据结果可知，预案3为最优预案。

3 结 语

本文提出了一种基于改进TOPSIS和协调发展度模型的应急预案评估方法。首先，根据预案的影响因素，选择了8个评价指标，并根据指标的性质将其划分为成本型指标和效益型指标。其次，考虑到仅使用主观方法或客观方法来确定指标权重，会使结果有些不合理。因此采用熵方法和AHP方法相结合，以确定指数权重。然后，采用TOPSIS和协调发展度模型相结合的方法进行综合评价，确定最优应急预案。最后以南水北调中线总干渠典型渠道为例，运用应急预案综合评价方法，确定了最优方案。结果表明，该方法可行，而且结果很合理。该综合评价方法为应急预案评估提供了一种新的方法，可为研究区内突发性水污染的治理，污染控制和处置提供有价值的信息。

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