韓 旭, 生 賀, 夏 甫, 徐祥健, 尚長健, 楊 昱, 姜永海

中國環(huán)境科學(xué)研究院， 國家環(huán)境保護(hù)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(guān)部門對場地風(fēng)險管理也投入了更高的關(guān)注，編制了多項管理辦法及標(biāo)準(zhǔn)作為政策支持. 對場地進(jìn)行風(fēng)險評價是場地管理的一個重要方向和環(huán)節(jié)，通過風(fēng)險評價不僅可以確定場地中的風(fēng)險點也可以判斷各場地的風(fēng)險大小[1]，以此確定風(fēng)險管理的場地優(yōu)先級排序和重點關(guān)注指標(biāo)[2-4].

由于工業(yè)場地建設(shè)水平參差不齊、場地特性各有差異，并且各個場地的風(fēng)險特征差異較大，要想針對已建成的工業(yè)場地實施風(fēng)險評價，就需要選擇適用于同一類場地的風(fēng)險評價方法. Visual MODFLOW[5-6]、HYDRUS-1D[7-9]等數(shù)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(zhuǎn)化過程，形成定量化的描述，為地下水污染風(fēng)險評價提供基礎(chǔ). 數(shù)值模擬方法涵蓋全面、因素多樣、模擬結(jié)果貼合實際，但過程復(fù)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(qiáng)、結(jié)果準(zhǔn)確的污染風(fēng)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(fēng)險評價指數(shù)方法是通過構(gòu)建評價指標(biāo)體系、分配指標(biāo)權(quán)重、計算風(fēng)險綜合指數(shù)分析地下水污染風(fēng)險[10]，指標(biāo)數(shù)量少、計算方法簡單，且結(jié)果可以直接進(jìn)行排序從而確定風(fēng)險管控的關(guān)鍵點，最重要的是該方法可以體現(xiàn)污染源釋放特征等生產(chǎn)復(fù)雜性. 權(quán)重計算是風(fēng)險指數(shù)計算中一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié). 常用的權(quán)重計算方法歸類為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和綜合賦權(quán)法3種[11]. 主觀賦權(quán)法根據(jù)決策者(專家)主觀上對各屬性的重視程度來確定屬性權(quán)重，包含專家調(diào)查法(Delphi法)[12]、層次分析法(AHP)[13-15]等. 客觀賦權(quán)法可以完全采用已有數(shù)據(jù)，不加入人為判斷進(jìn)行權(quán)重計算，但是缺乏人類經(jīng)驗的總結(jié)，常用的包含熵權(quán)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(quán)法，即分別計算主觀、客觀權(quán)重，利用加法或乘法將2項權(quán)重進(jìn)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(fēng)險等級評價指標(biāo)體系中21個指標(biāo)的權(quán)重，通過加權(quán)求和模型，構(gòu)建了污染源風(fēng)險等級評價指數(shù)的計算方法，并針對不同風(fēng)險區(qū)域提出了修復(fù)技術(shù)要求. 屈飛行等[11]利用層次分析法的4種不同計算方法進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的指標(biāo)權(quán)重計算，并采用邊界確定的實際滑坡及崩塌面對評價結(jié)果進(jìn)行驗證，確定了地質(zhì)災(zāi)害危害性評價時優(yōu)先選擇特征向量法計算權(quán)重. 李艷萍等[22]利用主觀賦權(quán)法中的層次分析法對工業(yè)園區(qū)環(huán)境風(fēng)險評價19項指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行了計算，得出基于不同人群打出的分值而得到的權(quán)重結(jié)果各有不同，體現(xiàn)了人群認(rèn)識不同，則層次分析法標(biāo)度不同，對計算結(jié)果的影響程度較大的觀點. 李帥等[23]利用AHP和熵權(quán)法結(jié)合的方法確定指標(biāo)權(quán)重，并對城市人居環(huán)境質(zhì)量大小進(jìn)行綜合評價，確定了5個城市的人居環(huán)境質(zhì)量大小順序，并相應(yīng)提出了建議.

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

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 研究方法

場地地下水污染風(fēng)險評價指數(shù)計算的基本步驟：①構(gòu)建指標(biāo)體系；②指標(biāo)數(shù)值量化；③分配指標(biāo)權(quán)重；④計算風(fēng)險指數(shù)；⑤結(jié)果驗證. 具體如下：首先采用層次分析法構(gòu)建指標(biāo)體系，之后利用聚類分析法和賦分法將各指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一量化，然后分別采用層次分析法、熵權(quán)法、層次分析-熵權(quán)法計算指標(biāo)權(quán)重，最后采用積和法計算地下水污染風(fēng)險綜合指數(shù)，并利用場地調(diào)查獲取的地下水苯濃度進(jìn)行風(fēng)險指數(shù)與地下水污染指數(shù)的線性擬合，確定最優(yōu)的權(quán)重計算方法. 其中權(quán)重計算、風(fēng)險指數(shù)計算及結(jié)果驗證方法介紹如下.

1.1.1權(quán)重計算

a) 層次分析法權(quán)重λj的計算步驟[24-25]：①建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型，繪制層次結(jié)構(gòu)圖；②依據(jù)表1所示的標(biāo)度方法構(gòu)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(jìn)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(biāo)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(biāo)度方法

(1)

式中，λ為最大特征根.

b) 熵權(quán)法[26]的計算步驟：①按照式(3)將各指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化矩陣xij′；②利用式(4)計算各指標(biāo)的信息熵ej；③通過式(5)計算各指標(biāo)權(quán)重μj.

(3)

(4)

(5)

c) 層次分析-熵權(quán)法采用“加法”集成法[27-28]，具體步驟是：①構(gòu)建2種權(quán)重的距離函數(shù)D(λj,μj)；②計算分布系數(shù)α和β；③根據(jù)組合積分權(quán)重計算公式得到綜合權(quán)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(quán)重和熵權(quán)法權(quán)重計算結(jié)果，α和β分別為λj和μj的分布系數(shù).

1.1.2風(fēng)險指數(shù)計算

地下水污染風(fēng)險綜合指數(shù)(R)利用綜合指數(shù)法進(jìn)行計算.

R=R1W1+R2W2+…+RnWn

(10)

式中，Rn為各指標(biāo)分值，Wn為各指標(biāo)權(quán)重，n為指標(biāo)序號.

1.1.3污染指數(shù)與風(fēng)險指數(shù)擬合

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

(11)

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究以我國37家危險廢物填埋場為案例，采用的數(shù)據(jù)均來自于收集的危險廢物填埋場可行性研究報告、地質(zhì)勘探報告及現(xiàn)場調(diào)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(gòu)建指標(biāo)體系

構(gòu)建指標(biāo)體系首先需要明確風(fēng)險原因，危險廢物填埋場地下水污染的主要風(fēng)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(nèi)原因，也就是由于填埋場自身構(gòu)造造成的[29-31]. 而從滲濾液泄漏到產(chǎn)生地下水污染風(fēng)險，涉及填埋場建設(shè)特性、滲濾液性質(zhì)、場地水文地質(zhì)情況、受體距離及管理水平等[32-33]. 借鑒國內(nèi)外針對危險廢物填埋場的風(fēng)險研究，結(jié)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(fēng)險評價45個指標(biāo)的初步指標(biāo)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(jìn)行主要影響因素篩選：一是危險廢物填埋場本身的風(fēng)險指標(biāo)，表征由于填埋場自身條件和性質(zhì)而導(dǎo)致地下水受到污染的風(fēng)險，包括填埋場建設(shè)規(guī)模和滲濾液及防滲系統(tǒng)特性；二是體現(xiàn)危險廢物填埋場地下水污染物垂向遷移風(fēng)險指標(biāo)，表征污染物通過包氣帶介質(zhì)進(jìn)入含水層的風(fēng)險，包括水文條件和包氣帶介質(zhì)特性；三是體現(xiàn)危險廢物填埋場地下水污染物水平遷移風(fēng)險指標(biāo)，表征污染物進(jìn)入含水層后，隨著地下水流動遷移擴(kuò)散至飲用水源地的風(fēng)險，包含含水層介質(zhì)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(biāo)的指標(biāo)體系，見表3.

表3 危險廢物填埋場地下水污染風(fēng)險評價指標(biāo)

2.2 指標(biāo)數(shù)值量化

為了減少指標(biāo)量化賦分差異對綜合指數(shù)結(jié)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(biāo)數(shù)據(jù)分為3個等級，部分指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)見表4. 按照單個指標(biāo)可能造成地下水污染風(fēng)險等級高、中、低進(jìn)行賦分：若指標(biāo)屬于高風(fēng)險則為一級，分值為50分； 若指標(biāo)屬于中風(fēng)險則為二級，分值為30分； 若指標(biāo)為低風(fēng)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(fēng)險部分指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

2.3 分配指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)式(1)～(9)計算14項指標(biāo)的權(quán)重，3種權(quán)重方法對應(yīng)的權(quán)重結(jié)果分別用λj、μj及ωj表示，結(jié)果見表5.

表5 指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

2.4 計算風(fēng)險指數(shù)

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

表6 37個危險廢物填埋場地下水污染風(fēng)險綜合指數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 權(quán)重計算結(jié)果對比

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

圖1 3組權(quán)重對比Fig.1 Comparison chart of three sets of weights

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

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

3.2 污染風(fēng)險綜合指數(shù)結(jié)果對比

依據(jù)3組權(quán)重得到的37個危險廢物填埋場地下水污染風(fēng)險綜合指數(shù)如圖2所示，按照風(fēng)險指數(shù)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(fēng)險綜合指數(shù)排序前15名危險廢物填埋場中共有10家同時出現(xiàn)在3組結(jié)果中，此外，層次分析-熵權(quán)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(quán)法的結(jié)果對應(yīng)，僅有3號場地沒有出現(xiàn)在另外2組結(jié)果中，由此可見層次分析-熵權(quán)法將2種權(quán)重進(jìn)行了融合，而層次分析法和熵權(quán)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(fēng)險綜合指數(shù)前15名及其計算結(jié)果

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

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

3.3 權(quán)重計算的優(yōu)化比選

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

圖3 3種權(quán)重計算方法下風(fēng)險指數(shù)與污染指數(shù)的擬合結(jié)果Fig.3 Relationship between risk index and contamination indexunder three weight calculation methods

將表5中3組權(quán)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(quán)重如圖4所示. 當(dāng)總權(quán)重達(dá)到0.96時，層次分析-熵權(quán)法包含了12項指標(biāo)，層次分析法包含了11項指標(biāo)，熵權(quán)法包含了9項指標(biāo)，層次分析-熵權(quán)法相較于其他2種方法可以在一定權(quán)重范圍內(nèi)體現(xiàn)更多的指標(biāo)，且權(quán)重分配更加均衡. 層次分析-熵權(quán)法既體現(xiàn)了對地下水污染較大的2個指標(biāo)的影響，同時平衡了數(shù)據(jù)差異與專家認(rèn)知之間不同，由此建立的綜合指數(shù)計算方法更加穩(wěn)定，不易受到單個指標(biāo)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(fēng)險評價及運行管理提供支持.

圖4 指標(biāo)權(quán)重加和結(jié)果Fig.4 Sum results of index weights

4 結(jié)論

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

b) 層次分析-熵權(quán)法得出污染風(fēng)險綜合指數(shù)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(quán)法，層次分析-熵權(quán)法更適用于危險廢物填埋場地下水污染風(fēng)險評價.

c) 層次分析-熵權(quán)法相對于其他2種方法權(quán)重分配更為均衡，建立的綜合指數(shù)計算方法更加穩(wěn)定，不易受到單個指標(biāo)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(fēng)險評價及運行管理提供支持.

d) 該研究建立的污染風(fēng)險評價方法適用于危險廢物填埋場地下水污染風(fēng)險的批量評估與分級管理，該方法操作簡便、所需數(shù)據(jù)量小且容易獲取，與常規(guī)場地風(fēng)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(fēng)險管理時，可配合詳細(xì)調(diào)查分析場地風(fēng)險特征，進(jìn)而提出有針對性的風(fēng)險防控方案.

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