基于AHP-TOPSIS的在产企业地下水铁锰污染修复技术比选
时间：2023-01-26 08:30:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘锋平，孙宁，呼红霞，丁贞玉
生态环境部环境规划院
在产企业的地下水污染治理修复有其特殊性和困难性，例如地面上长时间施工可能影响企业正常生产，治理修复后需要长期运行维护，地下水污染导致企业声誉受损甚至土地贬值，不合理的修复可能增加企业环保资金负担等，这就需要综合考虑修复技术可行性、经济成本、施工周期、环境影响等多种因素。行业内有许多地下水污染修复方法和技术，如抽出处理、原位空气扰动、可渗透反应墙、原位化学氧化还原、原位微生物降解、自然衰减、电动力学法等[5-7]。而在修复技术筛选过程中大多依靠决策者自身的主观判断，不同环节中技术考量的侧重点也有所不同，不同利益方对技术选择的偏重考量也有所不同，筛选结果往往具有较大的不确定性，一旦修复技术筛选失误就会付出惨痛代价。因此，在综合考虑经济、技术、社会等因素条件下，选择一套适合场地实情、满足不同相关利益方要求且行之有效的地下水修复方案显得尤为重要。
逼近于理想解排序法（TOPSIS）是多目标决策分析中常用的有效方法，它能对有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序，通过将各备选方案与正理想解和负理想解做比较，找到距理想解的距离最近、而距负理想解的距离最远的方案。层次分析法（AHP）把一个复杂问题的总目标分解为若干个层次目标，组成一个层次结构模型，然后逐层分析本层因素对层次目标的权重，最终加权得出各因素对总目标的权重。将AHP与TOPSIS二者有机结合（AHP-TOPSIS），可将主观定性评价转化为定量表达，能够克服决策者个人偏好，提高决策有效性[8-10]。AHP-TOPSIS已被广泛应用于可持续包装设计[11]、农村污水收集模式[12]、城市轨道交通应急演练评估[13]、生态茶园景观质量评价[14]、土壤污染植物修复剂选择[15]等各类决策评估中。
笔者结合某在产企业地下水污染物类型（以铁、锰为例）及分布特征、含水层条件、修复时间要求等因素，提出抽出处理、原位化学氧化、可渗透反应墙、监测自然衰减4种技术方案，选择技术、经济、环境、社会4方面的指标，构建基于AHP-TOPSIS的地下水铁、锰修复方案比选指标体系，利用AHP确定指标权重，运用TOPSIS对技术方案的优劣进行排序，筛选出最优的地下水污染解决方案，以期为该在产企业地下水环境风险管理提供决策支持。
1.1 修复技术比选指标体系
地下水污染场地修复技术的筛选评估指标包括技术可接受性、场地应用调节键、技术有效性与可靠度、修复时间、投资运行成本等多方面。地下水污染场地修复技术的筛选有时还需要考虑修复技术的可持续性、二次污染影响等方面因素[16-17]。“双碳”（碳达峰与碳中和）目标下地下水污染修复技术应用越来越强调绿色、低碳的要求。参考《工业企业场地环境调查评估与修复工作指南》[17]中关于修复方案比选指标体系，采用层次分析法自上而下建立目标层（T）、准则层（S）、指标层（N）、方案层（P）。准则层包括技术指标（S1）、经济指标（S2）、环境指标（S3）、社会指标（S4），指标层包括技术成熟度（N1）、污染物去除率（N2）等14项指标。地下水修复技术比选指标体系如图1所示，各指标内涵及数据获取方式如表1所示。
图 1 地下水修复技术比选指标体系Fig.1 Index system for comparison and selection of groundwater remediation technologies
1.2 地下水修复技术初步筛选
地下水污染修复技术包括原位化学氧化技术、抽出处理技术、自然衰减技术等，不同的地下水污染修复技术都具有各自的优越性和局限性。除了修复技术本身外，企业管理者更加关注投资成本、见效周期、操作难易程度、施工场地美学等因素；
而作为政府主管部门，可能更注重二次污染危害、人群健康影响、提供就业机会等。结合新阶段发展理念要求，为助力实现“双碳”目标，将资源和能源消耗量、废物产生及排放量、运行维护成本、突发事件应急储备等指标纳入评价体系，同等条件下优先选用绿色低碳、节能降污的修复技术。参考美国国家环境保护局的《美国超级基金项目修复报告》[18]、《污染场地修复技术目录》[19]以及国内外的地下水修复技术相关研究成果[20]，结合在产企业生产状况，地下水污染修复技术特点、适用条件、修复时长及成本等要素，初步筛选出抽出处理、原位化学氧化、可渗透反应墙、监测自然衰减4种技术方案。从技术成熟度、处理成本、见效周期及污染物去除效果等方面进行对比，综合评估地下水污染修复技术，以期筛选出一套节能减排、绿色低碳、高效无害、群众满意的修复技术方案。
1.3 AHP确定指标权重
采用1～9比例标度法，分别对每一层次各指标的相对重要性进行两两比较判断，从而构造出相应的判断矩阵A〔式（1）〕。该步骤需要通过对专家多次提问并对评价因子进行赋值打分。指标相对重要性比较标准如表2所示。
(2)从队组管理方面，针对变化环节编制通用措施：①从队组层面界定通用范畴；
②制定严细的变化环节管理程序；
③由科队两级定期组织现场复查，确保措施、设备到位。
表 1 指标内涵及数据获取方式Table 1 Index connotation and data acquisition method
式中：aij为指标i与指标j的比值；
n为指标个数。
利用方根法求每个指标的权重，并进行归一化处理，计算公式如下：
矩阵的最大特征根（λmax）计算公式如下：
式中：Wi为判断矩阵的归一化矩阵。CI为一致性指标，表示矩阵偏离一致性的程度。CI越小，表示一致性程度越高；
CI越大，则偏离一致性越远。为了使矩阵合理化，需要进行一致性检验。计算出的CI要与表3中平均一致性随机指标（RI）相比较。CR（CI/RI）＜0.1说明矩阵具有一致性；
若CR≥0.1，则矩阵需要进行调整以满足一致性。
表 2 指标相对重要性比较标准Table 2 Comparison standard of relative importance of indicators
表 3 不同矩阵阶数下的RITable 3 RI under different matrix orders
对于多层次的矩阵来说，最终目的就是要得到最底层各技术方案对于总目标的排序权重，因此需要进行层次总排序。若A层包含A1，...，Am共m个指标，它们的层次总排序权重分别为a1，...，am，B层包含B1，...，Bq共q个指标（其关于aj的层次单排序权重分别为b1j，...，bqj(当Bi与Aj无关联时，bij=0)，那么B层中的各指标关于总目标的权重，即B层各指标的层次总排序权重b1，...，bq为：
层次总排序也需作一致性检验，如果B层某些指标对于Aj的一致性指标为CIj，相应地平均随机一致性指标为RIj，则B层次总排序一致性比例（CR）计算公式为：
当CR＜0.1时，即认为层次总排序一致性检验通过，最终得到最底层即方案层各决策方案相对于总目标的权重，并给出这一组合权重所依据整个递阶层次结构所有判断的总CR，最终得出决策结果。
1.4 TOPSIS计算过程
TOPSIS法基于标准化后的数据寻找正、负理想解，并通过计算相对贴进度来评价各技术方案的优劣。基于AHP计算得到各指标权重，并采用TOPSIS法对地下水修复技术进行评价，具体步骤如下。
根据层次总排序形成方案层与目标层矩阵并进行规范化，得到规范化矩阵R：
将方案属性权重向量（w）和R结合，构造加权规范化决策矩阵V。
根据矩阵V，选择每个技术方案各关键指标中得分最多的作为正理想解（V+），得分最少的负理想解（V-），并计算各技术方案与正负理想解之间的距离，公式如下：
确定相对接近度，并对评价对象的优劣进行排序，计算公式如下：
式中：Ci为相对接近度，按照从大到小排序，数值最大为最优方案。
2.1 某在产企业地下水污染特征
本研究选择的在产企业位于工业园区内，主要从事有色金属冶炼和加工。根据钻探揭露情况，区域岩土层自上而下分布为第四系人工堆积层杂填土层与湖积淤泥层、第四系更新统残坡积粉质黏土层及下第三系那读组粉砂岩、泥岩。按照地下水功能区划，区域地下水适用于集中式生活饮用水及工农业用水。按地下水的赋存条件、含水介质特征，区域地下水类型包括松散岩类孔隙水和碎屑岩类基岩裂隙水2种，主要赋存于第三系泥岩夹砂岩、粉砂岩孔隙、裂隙当中，属潜水，水量相对贫乏。地下水水位一般为5.00～10.65 m，受气候影响显示，年水位变幅一般为1.0～3.0 m。区域内地下水水位监测数据表明该区域地下水整体流向为北东—南西，不同季节地下水流向有较小波动。
根据重点区域分布、重点设施设备布置等情况，在厂区内布设14个地下水监测点（图2），按照HJ 164—2020《地下水环境监测技术规范》[21]要求开展地下水质量监测，每月采样1次，2020年全年共采集样品12次。
以 GB/T 14848—2017《地下水质量标准》[22]中Ⅲ类水标准限值为评价基准，该企业地下水中铁、锰超标倍数如图3所示。由图3(a)可以看出，位于地下水上游（厂区北东方向）的SK1、SK4、SK5采样点，以及位于厂区内的SK3采样点地下水中铁浓度均未超过评价标准限值；
沿着地下水径流方向，铁浓度逐渐增加，下游的SK14采样点铁浓度超标2 000多倍。由图3(b)可以看出，位于地下水上游处的SK1采样点的锰浓度低于评价标准限值，其他采样点的地下水锰浓度均超标，其中位于地下水下游的SK14采样点的锰浓度最大，超标1 270倍。综上，地下水在流经厂区后水质明显恶化，企业生产过程中污染物排放及下渗是导致地下水铁、锰超标严重的主要原因之一。
图 2 地下水监测布点Fig.2 Diagram of groundwater monitoring points
图 3 地下水中铁、锰浓度超标状况Fig.3 Overstandard iron and manganese contents in groundwater
2.2 AHP权重计算结果
根据AHP模型构造地下水修复技术筛选目标层对准则层的判断矩阵T-S，准则层对指标层的判断矩阵S1-N1～4、S2-N5～7、S3-N8～11、S4-N12～14。按照地下水修复领域专家、从业人员的评分，计算出权重向量（w），并进行一致性检验，结果如表4所示。
目标层对准则层的判断矩阵T-S的CI为0.038 2，CR 为 0.042 5，CR＜0.1，说明该矩阵具有可接受的一致性。准则层的4个指标中最重要的是技术指标，权重为0.421 4，其次是环境指标，权重为0.281 8；
经济指标的重要性处于第三，权重相对较低，为0.214 1；
社会指标的重要性最低，权重为0.082 7。该排序与前人的研究结果一致，如张婧等[9]通过AHPTOPSIS方法对填埋场地下水污染氨氮修复方法进行比选，结果表明技术指标比经济指标和环境指标更为重要；
张伯强等[23]采用AHP法对填埋场地下水修复技术优选的结果表明，技术指标权重要比经济指标和社会环境指标权重大；
周文武等[24]以拉萨市为例开展垃圾填埋场区域地下水中铅修复技术方案比选，发现技术指标权重是经济指标的2倍，是环境指标的3倍。准则层对指标层的判断矩阵S1-N1～4、S2-N5～7、S3-N8～11、S4-N12～14的 CI也均小于 0.1，满足一致性要求。
表 4 各判断矩阵的权重Table 4 Weight of each judgment matrix
目标层对指标层的分析优化矩阵如表5所示。从表5可以看出，在铁、锰污染地下水修复技术方案比选中，污染物去除率、废物产生及排放量、资源和能源消耗是排名前3位的影响因素，其权重分别为0.219 3、0.110 1、0.110 1。工程建设前期投入、后期运行维护成本、技术成熟度、修复工程周期也是在产企业管理者要重点考虑的因素。由于该企业位于郊区，周边敏感点较少，因此公众满意度、人群健康影响、提供就业机会等指标的重要性相对较低。
表 5 目标层对指标层的分析优化矩阵Table 5 Analysis and optimization matrix of target layer to index layer
2.3 TOPSIS计算最优排序结果
由地下水修复、环境分析、设备采购等领域的专家，对抽出处理、原位化学氧化、可渗透反应墙、监测自然衰减4种技术方案的14个指标进行评分并对指标属性趋同化处理，得到标准化矩阵R（表 6）。
将方案属性权重向量（w）和规范化矩阵R结合，构造加权规范化决策矩阵V，在V中选择各技术方案的V+和V-如下所示：
各技术方案的D+、D-和Ci如表7所示。由表7可以看出，Ci表现为监测自然衰减方案＞原位化学氧化方案＞抽出处理方案＞可渗透反应墙方案，即监测自然衰减方案更适用于该在产企业地下水铁锰污染处理。目标层对方案层的加权规范化决策矩阵也表明地下水监测自然衰减方案在资源和能源消耗、废物产生及排放量、工程建设前期投入、操作难易程度、公众满意度、二次污染防治等方面具有明显的优势，而在污染物去除率、修复工程周期、提供就业机会等方面存在明显不足，因此在地下水治理修复施工过程中可针对这些方面加强管理。
表 6 目标层对方案层规范化矩阵Table 6 Normalization matrix of target layer to plan layer
表 7 4个技术方案的D+、D-和CiTable 7 Distance calculation and relative proximity of four technical schemes
2.4 结果不确定性分析
尽管AHP与TOPSIS二者结合增强了地下水修复技术比选的客观性，但在修复技术筛选过程中部分指标权重的确定仍依据专家的主观评判，这在一定程度上会影响修复技术方案排序。另外，作为在产企业，企业生产历史和管理水平等因素会直接影响到修复技术的确定，这也造成了比选结果的不确定性。
（1）结合某在产企业地下水污染类型、分布特征、水文地质条件等，提出抽出处理、原位化学氧化、可渗透反应墙、监测自然衰减4种技术方案，从技术、经济、环境、社会4方面确定了技术成熟度、污染物去除率等14个影响企业地下水修复的指标，构建了层次分析评价指标体系。
（2）结合工程实际和企业管理需求，通过AHP确定指标权重，认为在地下水污染修复过程中污染物去除率、废物产生及排放量、资源和能源消耗是排名前3的影响因素；
工程建设前期投入、后期运行维护成本、技术成熟度、修复工程周期也是在产企业管理者要重点考虑的因素。
（3）采用TOPSIS方法对各修复技术方案进行优劣排序及综合分析，结果表明，监测自然衰减方案相对接近度最大，最适合用于该在产企业地下水铁、锰污染的治理与修复。
（4）将AHP与TOPSIS相结合应用于地下水修复技术的比选，丰富了TOPSIS评价方法的应用范围，加强了AHP评价结果的客观性，弥补了2种方法各自的不足，对于筛选最优地下水污染修复技术方案和指导工程实践具有积极的借鉴意义。
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