流域突发水污染最优应急处理技术决策模型研究

杜 倩 颖，刘 颖，罗 玉 兰，王 沛 禹，付 雨 洁

(西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756)

随着经济的发展，近年我国突发水污染事故频率增加，其中流域突发水污染事故约占突发环境事故的94.7%[1-2]。流域突发水污染事故具有事发突然、污染范围不确定、负面影响大、处理处置艰巨等特点[3]，因此，在流域突发水污染事故发生后，决策者快速选择高效、经济的应急处理技术显得尤为重要。

当前，Liu R T等[4]运用差异驱动修正策略，建立了油类污染应急处理技术多案例推理模型。 Liu J D等[5]基于案例匹配法，利用案例结构相似度和属性相似度的案例整体相似度算法，实现了案例检索和匹配，使得到的处理技术更加科学合理。刘仁涛等[6]应用基于熵权G1法的案例推理技术和多属性决策模型相结合的方法，对2011年浙江省建德市新安江苯酚污染事件进行了分析。曲建华[7]应用基于威胁度与案例匹配相结合的方法，从应急技术评估指标体系中筛选得到最优应急处理技术。张智超[8]利用案例匹配法联合改进层次分析法和粗糙集信息熵得到应急处理技术筛选模型，对邳苍砷污染进行分析。上述研究均是利用历史案例和突发污染事故的相似性，从案例处理技术中进行筛选，从而得到最佳应急处理技术。但对于有些突发流域水污染事故，既有案例少，案例匹配法则难以实施。

在案例信息不完备时，还需要依靠专家的知识和经验来作出决策。但是受专家知识经验和主观判断影响，不同专家对指标赋值可能出现较大偏差。研究从水环境特征、应急工程技术特征、应急处理成本、社会环境影响4个方面建立流域突发水污染应急处理技术识别指标体系，提出了指标证据间距离函数，运用D-S证据理论合成规则，可有效解决各专家意见之间的冲突，并以此确立了应急处理技术的识别指标关系图，从而建立了应急处理技术的决策方法，为决策者确定突发水污染事故的最优应急处理技术提供了技术支持。

1 应急处理技术识别指标筛选方法

1.1 识别指标间关系的合成方法

设Ω为辨识框架即应急处理技术两识别指标间关系的集合，Ij(j=1，2，3，…，N)是Ω的子集，基本信任分配函数m(Ij)表示专家对指标关系Ij的信度，令：

(1)

假设有n个专家，相应的基本信任分配函数为mi(i=1，2，3，…，n)，mi(Ij)表示第i个专家对指标关系的信度，则多位专家对Ij的合成信度m(I)用D-S合成规则表示为[9-10]

(2)

1.2 识别指标证据间距离函数

设Ω为辨识框架即待求权重指标的集合，其子集为Iq和Ip(q，p=1，2，3，…，Z)。Xr和Xk(r，k=1，2，3，…，v)为两位专家所给的两组证据，表示两位专家根据知识和经验对辨识框架的所有子集的两组基本信任分配函数，分别为mr，mk。mr(Iq)表示第r个专家对子集Iq的权重信度，mk(Ip)表示第k个专家对子集Ip的权重信度，则两证据间的距离drk表示为[11]

(3)

由此可知drk∈[0，1]且drk值越大，两证据间距离越大，基本信任分配函数间相似度越差，专家分歧越大；相反，drk值越小，两证据间距离越小，基本信任分配函数间相似度越高，专家意见越统一。

共有v个专家，则由式(3)可得距离矩阵D：

(4)

对1与距离矩阵第r行各元素(除对角线外)的差求和，可表示证据Xr被其他所有证据支持的总支持度H(Xr)：

(5)

证据Xr的可信度θ(Xr)表示为

(6)

1.3 识别指标权重计算

识别指标的权重用可信度表示。θ(Xr)值越大，证据Xr与其他证据的距离越近，所能得到的支持越多，决策时所占比重越大；θ(Xr)值越小，Xr与其他证据的距离越大，越不被其他证据支持，决策时所占比重越小。则指标的权重矩阵W表示为

(7)

式中：wIq表示第q个指标的权重；θXr表示第r条证据的可信度；mrq表示第r个专家对第q个指标的权重信度。在应急处理技术综合评估时，指标权重越大，表示指标越重要，对综合评分结果影响越大；指标权重越小，表示指标重要程度越小，对综合评分结果影响越小。

2 应急处理技术决策方法

2.1 应急处理技术识别指标体系

依据流域突发水污染事故发生后相关信息和应急处理技术特点、处置成本及其影响，从水环境特征、应急工程技术特征、应急处理成本、社会环境影响4个方面共20个指标建立流域突发水污染应急处理技术识别指标体系，见图1。在此基础上，通过对突发水污染事故历史案例、水污染治理工程技术和实验技术的资料收集与研究，构建了包含30余种常见污染物的流域突发水污染事故应急处理技术库。

图1 流域突发水污染应急处理技术识别指标体系Fig.1 Emergency treatment technology comprehensive assessment results

2.2 应急处理技术初步识别

在应急处理技术识别指标体系中，温度(I11)、流量(I12)、pH范围(I13)、可处理浓度范围(I27)、可依托工程(I28)既是判断应急处理技术是否适用的基本条件，在水污染事故发生后，又可通过现场检测和流域基本信息快速确定，故作为应急处理技术初步识别指标。在水污染事故发生后，运用流域突发水污染事故应急处理技术库，根据目标污染物进行技术筛选后，利用初步识别指标对污染物的应急处理技术进行直接识别，得到符合该次污染事故条件的基本适用应急处理技术。

2.3 应急处理技术决策指标的确定

上述2.2节初步识别得到的多个基本适用应急处理技术需从应急工程技术特征、应急处理成本、社会环境影响等方面做进一步决策，得到最优应急处理技术。因上述应急工程技术特征、应急处理成本、社会环境影响3个方面的指标相互之间存在一定的渗透、干涉等关联，研究采用指标证据间距离函数，运用D-S证据理论合成规则，建立起指标间的关联性，从而确定决策指标。具体步骤如下：

(1) 将流域突发水污染应急处理技术识别指标体系中除初步识别指标外的所有指标用专家打分法确定指标间关系。专家对各指标间关系的信度进行赋值，规定“Ia→Ib”表示指标Ia直接影响Ib，“Ia←Ib”表示指标Ib直接影响Ia，“Ia↑Ib”表示两指标间无直接影响，“Ia↔Ib”表示两指标间关系无法确定，每个专家对两指标间4种关系的评分和为1。用式(2) 对专家的赋值结果进行合成，得到指标间关系的信度合成值。I2与I3合成结果见表1。

表1 I2与I3合成结果Tab.1 I2 and I3 synthesis results

(2) 根据指标间关系的信度合成值，建立指标关系图。规定合成值α≥0.95，则指标间关系成立；α<0.95，则指标间关系不成立。识别指标关系见图2。

(3) 由图2分析指标间关系，选择决策指标。在选择时，既要保证决策指标的独立性和全面性即选择的决策指标间互不影响且同时包含应急工程技术特征、应急处理成本、社会环境影响这三部分的指标，又要使定量指标的选择级别优于定性指标。选择的决策指标包括：去除速率(I21)、去除率(I23)、应用情况(I24)、物资成本(I31)、废弃物处置成本(I32)、人力成本(I33)、运输成本(I34)、残留物的环境影响(I44)、废弃物的环境影响(I45)。

图2 识别指标关系Fig.2 Identification indicators relationship

2.4 应急处理技术综合评估

在流域突发水污染事故后，先确定决策指标的权重，并对识别出的基本适用应急处理技术评分，最后对应急处理技术进行综合评估，选择分值最高的应急处理技术作为流域突发水污染事故的最优应急处理技术。

(1) 邀请来自高校、环保部门、环科院、环保公司的专家在充分了解流域突发水污染事故后，结合污染物特性、当地社会经济条件和地理位置等因素，对决策指标的权重信度进行赋值，要求每位专家对9项指标的权重信度和为1。

(2) 用式(3)～(7)计算决策指标权重。

(3) 专家在详细了解流域污染状况相关信息后，依据决策指标评分标准与分值对识别出的应急处理技术的决策指标评分，并用线性加权法即式(8)计算得到应急处理技术的综合评估分值M，得分最高的应急处理技术即为该突发水污染事故的最优应急处理技术。

(8)

式中：yq表示专家对第q个指标评分的平均值。

2.5 最优应急处理技术决策方法

流域突发水污染最优应急处理技术决策方法主要是通过对污染物的应急处理技术进行初步识别，选出符合本次污染事故的基本适用应急处理技术，再邀请专家确定决策指标的权重，并对初步识别出的基本适用应急处理技术评分，计算得出应急处理技术的综合评估分值，选出最佳应急处理技术。具体步骤如下：

9.4 菌丝生理成熟标准：段木表面菌丝生长洁白粗壮，看不到段木，段木内菌丝连接紧密，表面无杂菌污染，已有部分红褐色菌被，段木轻压有弹性，松软，劈开菌木木质部呈浅黄色。

(1) 流域突发水污染事故后，用初步识别指标：温度(I11)、流量(I12)、pH范围(I13)、可处理浓度范围(I27)、可依托工程(I28)对流域突发水污染事故应急处理技术库的目标污染物的应急处理技术进行初步识别，得到基本适用应急处理技术。

(2) 邀请专家根据突发水污染事故相关信息对决策指标的权重信度赋值，并用公式(3)～(7)计算其权重。决策指标包括：去除速率(I21)、去除率(I23)、应用情况(I24)、物资成本(I31)、废弃物处置成本(I32)、人力成本(I33)、运输成本(I34)、残留物的环境影响(I44)、废弃物的环境影响(I45)。

(3) 专家依据决策指标评分标准与分值对识别出的基本适用应急处理技术评分。

(4) 用式(8)计算应急处理技术的综合评估分值M，分值最大应急处理技术即为流域突发水污染事故的最优应急处理技术。

3 案例分析

3.1 广东北江镉污染事故

2005年12月15日，环保部门在对广东省北江高桥断面进行监测时，发现镉浓度严重超标，最高浓度达0.06 mg/L，是GB3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水体标准的12倍。排查发现，污染源头是北江上游韶关冶炼厂在废水处理系统停产检修期间，违法将大量高浓度的含镉废水排入北江，导致北江受到严重污染，北江流域位置见图3。经调查，北江pH在7.7左右，温度在15 ℃上下，平均流量约为65 m3/s。镉污染带将途经白石窑水电站。12月22日，专家组决定在白石窑水库涡轮机进水口投加聚合氯化铝絮凝剂。经过40 d奋战，2006年1月26日，镉污染警报解除[12-16]。本文提出的流域突发水污染最优应急处理技术决策方法用该案例进行分析验证过程如下。

图3 广东北江流域位置Fig.3 Location of the Beijiang River Basin in Guangdong

登录流域突发水污染事故应急处理技术库软件，在技术查询界面输入目标污染物为镉(界面如图4所示)。进行技术筛选后，用初步识别指标包括温度、流量、pH范围、可处理浓度范围(可依托工程对镉污染应急处理技术进行识别)，得到4种基本适用应急处理技术：聚合氯化铝混凝技术(t1)、粉末活性炭吸附技术(t2)、强化聚合氯化铝铁混凝技术(t3)、强化聚合氯化铝混凝技术(t4)。

图4 流域突发水污染事故应急处理技术库Fig.4 Emergency treatment technology library for watershed sudden water pollution accidents

邀请数名专家根据事故现场情况、地理位置条件、污染物特性等因素对决策指标的权重信度赋值，赋值结果见表2。根据表2中的数据，利用式(3)～(7)计算决策指标权重，计算结果见表3。

表2 镉污染决策指标权重信度赋值结果Tab.2 The result of weight reliability assignment of cadmium pollution decision index

表3 镉污染决策指标权重Tab.3 The weights of decision index of cadmium pollution

根据应急处理技术信息，参考指标实际评分情况和有关文献，建立决策指标的评分标准与分值，见表4。专家根据评分标准对各技术的决策指标进行评分，评分结果见表5。最后利用式(8)计算各应急处理技术综合评估分值M，见表6。

表4 决策指标评分标准与分值Tab.4 Grading standards and scores of decision index

表5 镉污染技术评分结果Tab.5 Grading result of Cadmium pollution emergency treatment technologies

表6 镉污染应急处理技术综合评估结果Tab.6 Comprehensive assessment results for cadmium pollution of emergency treatment technologies

由应急处理技术综合评估结果可知，本文提出的决策方法得到的镉污染最优应急处理技术为强化聚合氯化铝混凝技术。根据高中方等人[17]的研究，水体中的镉大部分为溶解态镉，小部分为吸附态镉，且常规混凝技术对吸附态镉的去除效果较好，而对溶解态镉几乎没有影响。北江的pH为中性，聚合氯化铝混凝技术只能去除水中的吸附态镉，镉浓度降低幅度有限。而强化聚合氯化铝混凝技术利用NaOH或Ca(OH)2使水中溶解态镉在弱碱条件下形成沉淀，进而被混凝剂吸附去除。而另外两种应急处理技术，粉末活性炭的价格昂贵，且对镉的去除效果较差；聚合氯化铝铁在实际中应用较少，缺乏参考性。因此，本次研究对广东北江镉污染事故的应急处理技术评估结果具有科学性和合理性。

3.2 云南富宁县粗酚罐车泄漏事故

2008年6月7日，云南省富宁县境内一辆装有33.6 t粗酚(主要成分为苯酚)的罐车发生交通事故，导致约18 t的粗酚沿高速公路旁的沟渠进入者桑河，使得者桑河的苯酚浓度最高达1 106 mg/L，超过GB3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水体标准的22万倍，事故地点位置见图5。者桑河下游25 km有广西百色水库，水库下游20～30 km是广西百色市的饮用水取水地。事故直接导致富宁县4 200人饮用水停止供应，百色市20万人饮用水安全受到严重威胁。事故发生后，云南、广西两政府决定使用活性炭吸附技术来消减苯酚浓度。6月18日，河流未检测出挥发酚，应急处置工作结束[3]。该案例对最优应急处理技术决策方法的验证过程如下。

图5 事故地点位置Fig.5 Location of the phenol accident site

经查，者桑河水温约为21 ℃，平均流量为19.7 m3/s，pH值在7.2左右，事故地点下游有大坝和桥梁。在应急技术库中查找到苯酚的应急处理技术，用初步识别指标对苯胺的应急技术进行识别，得到了4种基本适用的应急处理技术：粉末活性炭吸附技术(e1)、酵母吸附技术(e2)、高铁酸钾氧化技术(e3)和Fenton氧化技术(e4)。

邀请应急处理专家在充分了解事故信息后对决策指标进行权重赋值，并用式(3)～(7)计算决策指标权重，决策指标权重计算结果见表7。

表7 苯酚污染决策指标权重计算结果Tab.7 Calculation result of weight of phenol pollution decision indices

决策指标权重计算后，专家依据表4的评分标准对初步识别出的4个基本适用应急处理技术评分，利用式(8)计算得到4个应急处理技术的综合评估分值M，计算结果见表8。由表8的综合评估结果可知，得分最高的应急处理技术是活性炭吸附技术，其次是Fenton氧化技术。

表8 苯酚污染应急处理技术综合评估结果Tab.8 Results of comprehensive assessment for phenol pollution emergency treatment technology

对于初步识别出的4个基本适用应急处理技术，粉末活性炭吸附技术有大量的实验研究，且已有实际应用，且粉末活性炭对环境的影响较小；酵母吸附技术尚处于实验阶段，且对苯酚的去除率较低；高铁酸钾价格较高，处理高浓度苯酚时花费巨大；Fenton氧化技术处理苯酚可能会使水体带有颜色。因此本案例选用活性炭吸附技术处理苯酚是科学合理的。

4 结 论

(1) 本研究建立了流域突发水污染应急处理技术识别指标体系，在此基础上运用D-S证据理论建立识别指标关系图，利用识别指标证据间距离函数确定指标权重，最终建立了流域突发水污染最优应急处理技术的决策方法。在得到最优应急处理技术的过程中，综合了多位专家意见，有效解决专家意见间的冲突性，杜绝了决策者在处理技术筛选过程中的主观性，使结果可信度更高。

(2) 以广东北江镉污染事故和云南富宁县粗酚罐车泄露事故作为案例，运用该决策方法，迅速、准确地筛选出事故的最优应急处理技术，验证了该方法的科学性和合理性，为决策者提供决策支持。