地表水源突发污染应急处置技术筛选评估体系

曲建华，孟宪林，2，尤 宏，2(.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，50090哈尔滨;2.城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)，50090哈尔滨)

水源地是为城市提供清洁和充足水源的生态环境基础［1］.近年水源地突发污染事故频发，严重威胁城市供水安全，影响人民正常的生活与生产秩序，造成极为严重的社会影响［2］.突发污染事故一旦影响到水源地，就会放大其影响程度、规模和时间.因此，迅速、准确地筛选出适宜污染情景的应急处置技术极为重要.目前，国内外相关研究主要是通过经验总结或构建单一的指标体系和赋予指标权重对所选技术进行筛选［3-6］.但水源地因其敏感性，一旦遭到突发污染，污染对水源地威胁度的不同势必导致技术筛选指标体系指标权重的不同.突发污染对水源地威胁较低时，指标体系中经济成本指标的权重应相对较大.而威胁较高时，应更注重所选技术的时效性而适当降低经济成本指标的权重.因此，固定一套指标体系进行应急技术的筛选缺乏科学性.

本文采用层次分析法构建了水源地突发污染威胁度评估指标体系，并给出了威胁等级的判定方法;构建了应急处置技术评估指标体系，并根据不同威胁度确定了2套应急处置技术筛选指标体系的权重值.通过2个指标体系和3套权重值对应急技术的共同筛选，确保了评估方法的准确性和科学性.

1 威胁度的判定方法

1.1 构建评价指标体系

根据1985—2012年共300余起国内外水源地突发污染事件的调研结果［7］，突发污染对水源地的威胁度主要与污染情况、污染位置、水源地规模、应急管理、备用水源等因素有关;本文选择广泛应用于多目标决策的层次分析法构建了包含12项评价指标的水源地突发污染威胁度评估指标体系，见表1.

表1 地表水源地突发污染威胁度评估指标体系

1.2 计算指标权重

邀请专家依据Saaty提出的1～9标度法［8］对指标的相对重要性打分，统计所有专家意见，作为确定权重的依据.

1)构造判断矩阵.建立层次结构后，层次之间元素的隶属关系就被确定.假定上一层次的元素Bi作为准则，对下一层次的元素C1，…，Cn有支配关系，将其下一层次中所有与之关联的元素之间两两比较其重要性，比较结果按1～9的比较尺度定量表示标出，采用专家打分法构建判断矩阵B=(bij)n×n直至底层.1～9级比较尺度含义见表2.

表2 1～9级比较尺度含义

2)层次单排序的一致性检验.Saaty等［8］定义CI为B(判断矩阵)的一致性指标，CI=0时，B为一致阵，CI越大，B的不一致性程度越严重.一致性指标式中:λmax为判断矩阵的最大特征根;n为判断矩阵的阶数.

为了确定B的不一致程度的容许范围，需找出衡量B的一致性指标的标准，Saaty等［8］引入随机一致性指标RI，即式中:CR为层次单排序的一致性比率，CI为一致性指标，RI为随机一致性指标，其随机均值见表3.

若CR≤0.10，判断矩阵具有可接受的一致性;若CR＞0.10，判断矩阵的一致性不满足要求，需调整.

表3 RI取值

计算得 A－B=0.012 3，B1－C=0.017 6，B2－C=0.051 5，B3－C=0.000 0，B4－C=0.000 0，B5－C=0.000 0，均＜0.10，通过一致性检验.同时计算得到准则层B对于目标层A的权重(bj)及指标层C对于准则层B的权重(wi)，见表4.

3)层次总排序的一致性检验.综合bj与wi得指标层C对目标层A的层次总排序，即指标权重

Saaty等［8］定义CR为层次总排序的一致性比率，当CR≤0.10时，总排序的结果是满意的.

层次总排序一致性比率为式中bj为准则层元素的权重，CIj为与bj对应的准则层判断矩阵的一致性指标，RIj为与bj对应的准则层判断矩阵的平均随机一致性指标;计算得 CR=0.032 6，满足一致性要求.

表4 目标层至指标层的指标权重

1.3 确定评价标准

在评价过程中，依据各指标对水源地的威胁程度将评价因子划分为 5 级，分别赋予 2、4、6、8、10 的相应分值.各评价因子依据现行环境标准和技术导则的相关要求，对应的分值如表5所示.

1)污染情况.通过水中优先控制污染物黑名单［9］确定突发污染物的优先控制性(C1)，判断污染物的毒性大小及对水源地的危害程度;发展态势(C2)指不对突发污染采取任何应对措施可能导致的后果，后果越严重对水源的威胁越大;依据突发污染物相关应急处置技术可应对的最大超标倍数确定取水口处污染物超标倍数(C3)的评分标准，描述其对水源的威胁程度.

若突发污染为多种污染物导致的复合污染，应分2种情况确定指标C3的分值.

①若各污染物为同属性物质(如均为有机物)，因对其采用的应急处置技术方案相似，在对此项指标的评判过程中，应先根据各自超标倍数进行打分，然后对各污染物超标倍数的打分结果进行累积相加，确定复合污染物的综合超标倍数分值.

②若污染物为不同属性物质，因应对不同污染物的应急处置技术方案有区别，应分别根据各自污染物超标倍数进行打分，计算出各自的威胁度;然后针对每一污染物的应急处置技术进行评估，确定适宜于各污染物的应急处置技术方案，最后进行方案的综合优化.

2)污染位置.根据《饮用水水源保护区划分技术规范》确定污染发生位置(C4)的评分标准，突发污染的保护区级别越高，水源受到的威胁越大;依据《水污染防治法》中对造成水污染事故导致居民停水12 h以上的相关责任人实行刑事处罚的相关规定，确定污染团到达、影响取水口时间(C5、C6)的评分标准.

3)水源地规模.依据水源地供水对象，确定水源地级别(C7)的评分标准;根据《城市规划法》对城市规模的划分确定水源地服务人数(C8)的评分标准;水源地供水地区级别越高，供水服务人数越多，污染对水源的威胁程度越大.

4)应急管理.能否现场监测污染物(C9)及监测周期的长短对于能否尽快判明现场污染情况，迅速采取应急措施起着至关重要的作用;依据《国家突发公共事件总体应急预案》，发生突发污染事件后，信息报告最迟不得超过4 h，以此确定预警情况(C10)的评分标准;预警不及时会加大居民中毒、死亡的风险，进而加大污染对水源的威胁.

5)备用水源.备用水源启动速度(C11)快慢与否关乎居民的用水安全，若备用水源迅速启动而不致居民停水，将使突发污染的威胁度大大降低;根据文献［10］调研，应急状态下供水量为正常的50%即可满足居民的生活用水量，以此为参考确定应急供水满足程度(C12)的评分标准.

表5 评价因子的评分标准

2 结果与讨论

2.1 威胁度分级标准的确定

依据表4各指标的全局权重(Wi)和表5的指标评分标准，采用线性加权确定威胁度的评价结果，即式中:Wi为指标层各指标的综合权重;βi为指标层各指标对应的指标评分值.将其最大值与最小值之间均分为4个区间，定义为4个威胁度分级标准，并给出了相应的威胁程度描述，见表6.

表6 威胁度分级标准

2.2 突发污染应急技术筛选与评估

根据文献调研［11-12］，地表水源突发污染应急处置技术的可行性和适宜性主要与技术的时效性、可操作性、处置成本等因素有关;综合考虑上述因素，建立了包含6个准则指标和19个评价指标的地表水源污染应急处置技术评估指标体系，见图1.

I、II级威胁度表示突发污染可能对水源地造成很大破坏，严重影响供水安全，此时筛选应急技术的核心指标应是技术性能，而适当削弱处置成本等指标的权重;III、IV级威胁度表示突发污染对水源地破坏程度有限，不会对供水安全造成严重影响，在筛选技术时应提高处置成本等指标的权重，适当削减时效性等指标的权重.

基于上述原因，采用层次分析法得出应急处置技术评估指标体系的两套权重值，结果见表7.通过判定不同威胁度，选择与威胁度对应的一套权重值进行应急技术的筛选与评估.

图1 地表水源突发污染应急处置技术评估指标体系

2.3 案例分析

为进一步检验评估方法的准确性，采用2012年12月31日发生的山西长治浊漳河苯胺泄漏事故实例对评估体系进行了验证.

事故发生于山西省潞城市，由于苯胺罐区一条软管破损，造成约8.7 t苯胺泄漏进入浊漳河，对下游饮用水源地——越城水库造成严重威胁，严重影响邯郸、安阳等市的安全供水.实时监测数据显示越城水库苯胺最大质量浓度为8.43 mg/L，高出《地表水环境质量标准》中苯胺质量浓度标准限值83倍.

来自水体污染防治领域的20位专家对污染事故进行了详细调研，并采用基于威胁度判定的应急处置技术评估体系对可行的应急技术方案进行评估.首先，专家组依据实际污染情况对威胁度评估指标体系进行指标评分，判定事故为 II级威胁(6.037 8)，结果如表 8 所示.

同时，基于案例的详细调研，从近300起水源污染应急处置案例中筛选出了5个相似案例，并将其所应用的应急技术提取出来进行评估，结果见表9.

最后，选用表7中与II级威胁度对应的应急技术评估指标体系的指标权重对5种可行的应急处置技术方案进行评估，综合各位专家的打分结果，得出的方案评价值及优选顺序为:方案1(9.115 8)＞方案4(8.851 5)＞方案 3(8.764 2)＞方案 2(8.755 5)＞方案 5(8.642 5).

表7 指标(C1～C19)对目标层(A1)的权重

表8 威胁度指标评分

表9 可行的应急处置技术方案

实际应急处置过程为:关闭距越城水库上游33 km的水电站闸门，通过小岳峰沟渠将受污染河水引到越城水库下游;同时，将30 m宽、1 m高的袋装活性炭网置入下游水中，以吸附水中苯胺，见图2.采用此应急处置方案后，河流中苯胺质量浓度降至0.097 5 mg/L，满足供水要求.可见，案例应用的应急处置方案与采用本文应急技术评估体系筛选出的最优应急方案一致.

图2 山西苯胺泄漏事故应急处置技术方案

3 结 论

1)提出地表水源突发污染威胁度判定理论，构建了威胁度评估指标体系，采用层次分析法确定指标权重并给出了各指标的评分标准;根据评价结果确定了威胁度的分级标准及意义.威胁度评估对于预判突发污染对水源的危害程度，进而准确筛选出适宜的应急处置技术方案十分必要.

2)提出基于威胁度等级判定的应急处置技术评估指标体系权重的确定方法;构建了水源地突发污染应急处置技术筛选与评估指标体系，针对不同的威胁度等级，采用层次分析法确定了与之对应的应急处置技术评估指标体系的指标权重.

3)给出了更为科学的地表水源地突发污染应急处置技术的评估方法;通过山西苯胺泄漏事故实例对评估方法的准确性进行了检验.结果表明，本文采用的应急处置技术评估体系可迅速筛选出适宜污染情景的最优应急处置技术方案，为应急决策者提供有效的技术支持.

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