CN114648230A - 一种基于综合评价的污染场地修复技术方案比选方法 - Google Patents

一种基于综合评价的污染场地修复技术方案比选方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于综合评价的污染场地修复技术方案比选方法。该方法包括步骤：(1)根据修复技术备选方案，建立修复技术方案比选评价指标体系；(2)采用AHP层次分析法和专家评价法确定评价指标权重；(3)采用灰色综合评价法进行备选方案排序，并确定最优修复技术方案。本发明的评价指标体系符合修复工程实际情况，具有可操作性；定性和定量相结合，使评价更加客观；多种综合评价方法有效集成，使指标体系模型计算更加科学，具有客观性、科学性和实用性，能够为国内污染场修复技术方案比选提供理论和应用依据。

Description

一种基于综合评价的污染场地修复技术方案比选方法
技术领域
本发明涉及污染场地修复技术领域，尤其涉及一种基于综合评价的污染场地修复技术方案比选方法。
背景技术
发达国家土壤和地下水修复工作起步较早，在大量案例和研究的支持下，无论是修复技术还是技术筛选方面都处于领先地位。美国环境保护署EPA首先认识到传统的场地修复效果很大程度上依赖于决策者的主观判断，而决策者自身认识可能存在局限性和不稳定性，受认知偏见和复杂系统的影响，决策本身存在很大的不确定性。因此EPA在1988年基于CERCLA(《环境应对补偿与责任综合法案》)，构建了一套修复技术方案的筛选流程，帮助决策者科学的选择修复技术，并将其以决策支持系统的形式实现。其中包括EPA提出的专家评估法、美国FRTR提出的类比筛选法，以及多目标决策分析法。并发展出多样的决策支持系统。这使决策过程得以更加开放、透明的呈现，决策过程可以重复检验，使决策过程更为稳定可靠。
我国污染场地修复技术筛选和修复技术方案比选工作的研究起步更晚，基于修复技术筛选形成的备选方案。方案比选的主要作用是选择经济效益、社会效益、环境效益综合表现最佳的技术方案，作为场地最终推荐的修复技术方案，为环境管理决策提供依据。目前选取的常用方法包括定量方法和定性方法。常用定量方法为AHP法、Topsis+AHP法和专家评分法，但在实际工作中更偏重采用定性方法结合各指标对备选方案进行逐一比较和综合决策。目前采取的常用定量方法也存在一定问题，
AHP法的缺点是：
(1)定量数据少，定性成分多，不易令人信服，指标过多时数据统计量大，且权重不易确定，特征值和特征向量的精确求法比较复杂；
(2)所用的指标体系需要有专家系统的支持，如果给出的指标不合理则得到的结果就不准确。
Topsis+AHP法的缺点是：
(1)求规范决策矩阵时比较复杂，不易求出正理想和负理想解，特别是当两个评价对象的指标值关于正理想解和负理想解的连线对称时，无法得出准确的结果；
(2)该方法以层次分析法为基础，指标过多时权重不易确定，定量数据少，定性成分多，评价具有主观性。
专家评分法的缺点是：
(1)完全依靠专家，主观性强，定性成分多；
(2)计算过程过于简单，方法不够科学。
因此，如何提出一种更好的决策方法，能够综合考虑方案比选中多项影响因素，解决现有方法中存在的问题，提高方案比选准确性，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于综合评价的污染场地修复技术方案比选方法。根据本发明的基于综合评价的污染场地修复技术方案比选方法，具有客观性、科学性和实用性，能够为国内污染场修复技术方案比选提供一定的理论和应用依据，本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供了一种基于综合评价的污染场地修复技术方案比选方法，包括以下步骤：
(一)建立多层次比选指标体系：制定并筛选出多个修复技术备选方案，通过构建多个一级评价指标，且每个所述一级评价指标对应有2-3个二级评价指标；
(二)确定各个评价指标权重：首先采用专家评估法对修复技术备选方案进行打分，获得多组评分信息，将多组评分信息取平均值，然后采用AHP层次分析法确定评价指标权重；
(三)获取标准化评价矩阵：利用灰色综合评价法对备选方案进行综合评判，并确定最优方案。
优选的，在所述步骤(一)中，所述一级指标设为4个，4个一级指标分别设为技术指标、经济指标、环境指标和社会指标，所述技术指标包括可操作性、污染物去除效率和修复时间，所述经济指标包括基本建设费用、运行费用和后期费用，所述环境指标包括残余风险、长期效果和健康影响，所述社会指标包括管理可接受程度和公众可接受程度。
优选的，在所述步骤(二)中确定评价指标权重的方法，包括以下步骤：
(1)构建判断矩阵，采用专家评估法对评价指标进行量化；
(2)计算特征向量及最大特征根：利用方根法求每个评价指标的特征向量，并进行归一化处理：
Figure BDA0003569000910000031
Figure BDA0003569000910000032
计算判断矩阵的最大特征根：
Figure BDA0003569000910000033
(3)判断矩阵一致性检验：
Figure BDA0003569000910000034
Figure BDA0003569000910000035
其中：为判断矩阵最大特征根；n为判断矩阵阶数；RI为与n对应的平均随机一致性取值；当<0.1时，认为判断矩阵具有良好的一致性，否则应调整判断矩阵元素的取值；
(4)确定评价指标权重：根据判断矩阵一致性检验结果，确定评价指标权重。
优选的，所述步骤(三)中灰色综合评价法，包括以下步骤：
确定指标数据列V：设i为第i个修复技术备选方案的序号，i＝1，2，…，m；k为第k个评价指标的序号，k＝1，2，…，n；Vik为第i个修复技术备选方案的第k个指标的评价值，对于一个由m个修复技术备选方案，n个评价指标的系统，有下列矩阵：
Figure BDA0003569000910000036
确定参考数据列V0：取每个评价指标的最佳值的v0k参考数列V0的实体，于是有：
V0＝(v01，v02，…，v0n)
指标值规范化处理X：规范化的公式如下：
Figure BDA0003569000910000041
进行规范化处理之后，得：
Figure BDA0003569000910000042
X0＝(x01，x02，…，x0n)
计算关联系数E：把规范化后的数列X0＝(x01，x02，…，x0n)作为参考数列，Xi＝(xi1，xi2，…，xin)(i＝1，2，…，m)作为比较数列，关联系数的计算公式为：
Figure BDA0003569000910000043
式中，ρ为分辨系数，ρ∈[0，1]。
得到下列关联系数矩阵：
Figure BDA0003569000910000044
式中为第i个评价单元第k个指标与最佳指标的关联系数。
计算单层次关联度R：关联度计算方法采取权重乘以关联系数，根据层次分析法和专家评估法得到某一层的各指标相对于上层目标的优先权重为：
W＝(w1，w2，…，wn)
则关联度计算公式为：R＝(ri)1×m＝(r1，r2，…，rm)＝WE
计算多层评价系统的最终关联度：对一个由L层组成的多层评价系统，最终关联度的计算方法如下：将第k层各指标的关联系数进行合成，分别得它们所属的上一层即k-1层各指标的关联度；然后把这一层所得到的关联度作为原始数据，继续合成得到第k-2层各指标的关联度，以此类推，直到求出最高层指标的关联度为止；
综合评判：依据关联度大小进行排序，关联度的大小顺序即为备选方案的优劣次序。
本发明采用的上述技术方案，具有如下显著效果：
(1)本发明提供的方法首先建立多层次修复技术方案比选指标体系，其次利用AHP层次分析法和专家评估法对各评价指标进行量化，确定指标权重，最后采用灰色综合评价法对各备选方案进行综合评判，确定最优土壤/地下水修复技术方案，该评价指标体系符合修复工程实际情况，具有可操作性；
(2)定性和定量相结合，使评价更加客观；
(3)多种综合评价方法有效集成，使指标体系模型计算更加科学，具有客观性、科学性和实用性，能够为国内污染场的土壤和地下水修复技术方案比选提供一定的理论和应用依据。
附图说明
图1是本发明的总流程图；
图2是本发明的AHP法流程图；
图3是本发明的灰色综合评价法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
根据本发明的一种基于综合评价的污染场地修复技术方案比选方法，首先，经过前期修复技术筛选和评估，该污染场地形成的修复技术备选方案有四套，分别为：
方案1：异位固化/稳定化+阻隔填埋技术；
方案2：水泥窑协同处置技术；
方案3：砖窑协同处置技术；
方案4：异位淋洗+生态恢复技术。
其次，利用本发明提供的技术方法对四套方案进行评价，流程示意图如图1所示。
(一)基于修复技术备选方案建立多层次比选指标体系：
具体地，由于污染场地的土壤和地下水修复方案比选考虑的因素较多，本发明参考《建设用地土壤修复技术导则》(HJ 25.5-2019)和工业企业场地环境调查评估与修复工作指南(试行)，建立评价指标体系。具体根据指标具有独立性、代表性与差异性、可行性三大原则，构建技术、经济、环境、社会4个一级指标，每个一级指标下层对应2-3个二级指标。即建立多个相互联系、相互作用的评价指标，按照一定层次结构组成有机整体。评价指标体系见表1。指标类型包括成本型和效益型，成本型指标越小越优，效益型指标越大越优。
表1土壤/地下水修复技术方案评价指标体系
Figure BDA0003569000910000061
Figure BDA0003569000910000071
(二)利用AHP层次分析法和专家评估法确定各个指标权重：
具体地，首先采用专家评估法构建判断矩阵，获得备选方案评价指标评分信息，即专家踏勘和讨论后针对备选方案按照评价指标体系中各个指标进行打分，获得多组评分信息，并取平均值。然后采用AHP层次分析法计算特征根及对应的特征向量，并对判断矩阵进行一致性检验，检验通过后，确定各个指标权重，若检验未通过则返回到专家评估环节进行修正。
主要步骤包括：
(1)构建判断矩阵，采用专家评估法对评价指标进行量化，
针对设定的评价指标体系，如表1，通过专家对5个同层次指标组{(U1，U2，U3，U4)，(U11，U12，U13)，(U21，U22，U23)，(U31，U32，U33)，(U41，U42)}中指标之间的相对重要性进行两两对比，以1～9的标度对对比结果进行量化，如表2。计算结果如表4-8。
表2指标相对重要性等级表
Figure BDA0003569000910000081
表4 U1-U4对U的重要程度及判断矩阵
U评价指标体系 U<sub>1</sub>技术指标 U<sub>2</sub>经济指标 U<sub>3</sub>环境指标 U<sub>4</sub>社会指标
U<sub>1</sub>技术指标 1.0000 1.0000 2.0000 3.0000
U<sub>2</sub>经济指标 1.0000 1.0000 2.0000 3.0000
U<sub>3</sub>环境指标 0.5000 0.5000 1.0000 2.0000
U<sub>4</sub>社会指标 0.3333 0.3333 0.5000 1.0000
表5 U11-U13对U1的重要程度及判断矩阵
U<sub>1</sub>技术指标 U<sub>11</sub>可操作性 U<sub>12</sub>污染物去除效率 U<sub>13</sub>修复时间
U<sub>11</sub>可操作性 1.0000 0.3333 0.5000
U<sub>12</sub>污染物去除效率 3.0000 1.0000 2.0000
U<sub>13</sub>修复时间 2.0000 0.5000 1.0000
表6 U21-U23对U2的重要程度及判断矩阵
U<sub>2</sub>经济指标 U<sub>21</sub>基本建设费用 U<sub>22</sub>运行费用 U<sub>23</sub>后期费用
U<sub>21</sub>基本建设费用 1.0000 2.0000 3.0000
U<sub>22</sub>运行费用 0.5000 1.0000 2.0000
U<sub>23</sub>后期费用 0.3333 0.5000 1.0000
表7 U31-U33对U3的重要程度及判断矩阵
Figure BDA0003569000910000082
Figure BDA0003569000910000091
表8 U41-U42对U4的重要程度及判断矩阵
U<sub>4</sub>社会指标 U<sub>41</sub>管理可接受程度 U<sub>42</sub>公众可接受程度
U<sub>41</sub>管理可接受程度 1.0000 1.0000
U<sub>42</sub>公众可接受程度 1.0000 1.0000
(2)计算特征向量及最大特征根：
利用方根法求每个评价指标的特征向量，并进行归一化处理：
Figure BDA0003569000910000092
Figure BDA0003569000910000093
计算判断矩阵的最大特征根λmax：
Figure BDA0003569000910000094
各判断矩阵特征向量及最大特征根由以上公式计算公式，计算结果见表9。
表9各判断矩阵特征向量及最大特征根
Figure BDA0003569000910000095
(3)判断矩阵一致性检验：
Figure BDA0003569000910000096
Figure BDA0003569000910000101
其中：λmax为判断矩阵最大特征根；n为判断矩阵阶数；RI为与n对应的平均随机一致性取值，见表3；当CR<0.1时，认为判断矩阵具有良好的一致性，否则应调整判断矩阵元素的取值。
表3层次分析法中平均随机一致性指标RI的取值
阶数 RI
1 0
2 0
3 0.58
4 0.90
5 1.12
6 1.24
7 1.32
8 1.41
9 1.45
各判断矩阵一致性检验计算公式见上述公式，计算结果见表9。由表9可知，各判断矩阵CR<0.1时，认为判断矩阵具有良好的一致性。
(4)确定评价指标权重
根据判断矩阵一致性检验结果，确定评价指标权重。
W1-4＝[0.3512 0.3512 0.1887 0.1089]
W11-13＝[0.5000 0.2500 0.2500]
W21-23＝[0.5396 0.2970 0.1634]
W31-33＝[0.2000 0.4000 0.4000]
W41-42＝[0.5000 0.5000]
(三)利用灰色综合评价法对备选方案进行综合评判：
具体的，灰色综合评价法主要步骤包括：
确定指标数据列V：设i为第i个修复技术备选方案的序号，i＝1，2，…，m；k为第k个评价指标的序号，k＝1，2，…，n；Vik为第i个修复技术备选方案的第k个指标的评价值，对于一个由m个修复技术备选方案，n个评价指标的系统，有下列矩阵：
Figure BDA0003569000910000102
则：V的值为：
Figure BDA0003569000910000111
确定参考数据列V0：取每个评价指标的最佳值的v0k参考数列V0的实体，于是有：
V0＝(v01，v02，…，v0n)
则：
V0＝(4.0000，40000，40000，40000，40000，40000，40000，40000，40000，40000，40000，)
指标值规范化处理X：规范化的公式如下：
Figure BDA0003569000910000112
进行规范化处理之后，得：
Figure BDA0003569000910000113
X0＝(x01，x02，…，x0n)
则：
Figure BDA0003569000910000121
X0＝(1.0000，1.0000，1.0000，1.0000，1.0000，1.0000，1.0000，1.0000，1.0000，1.0000，1.0000)
计算关联系数E：把规范化后的数列X0＝(x01，x02，…，x0n)作为参考数列，Xi＝(xi1，xi2，…，xin)(i＝1，2，…，m)作为比较数列，关联系数的计算公式为：
Figure BDA0003569000910000122
式中，ρ为分辨系数，ρ∈[0，1]。
得到下列关联系数矩阵：
Figure BDA0003569000910000123
式中为第i个评价单元第k个指标与最佳指标的关联系数。
则：
Figure BDA0003569000910000124
(5)计算单层次关联度R：关联度计算方法采取指标权重乘以关联系数，根据层次分析法和专家评估法得到某一层的各指标相对于上层目标的优先权重为：
W＝(w1，w2，…，wn)
则关联度计算公式为：R＝(ri)1×m＝(r1，r2，…，rm)＝WE
则：
Figure BDA0003569000910000131
Figure BDA0003569000910000132
Figure BDA0003569000910000133
Figure BDA0003569000910000134
Figure BDA0003569000910000135
计算多层评价系统的最终关联度：对一个由L层组成的多层评价系统，最终关联度的计算方法如下：将第k层各指标的关联系数进行合成，分别得它们所属的上一层即k-1层各指标的关联度；然后把这一层所得到的关联度作为原始数据，继续合成得到第k-2层各指标的关联度，以此类推，直到求出最高层指标的关联度为止。
综合评判：依据关联度大小进行排序，关联度的大小顺序即为备选方案的优劣次序。由各层次关联度[0.3088 0.2176 0.2176 0.3887]得到备选方案排列顺序为：异位淋洗+生态恢复技术>异位固化/稳定化+阻隔填埋技术>水泥窑协同处置技术>砖窑协同处置技术，因此，异位淋洗+生态恢复技术为该污染场地的最优土壤重金属修复技术方案。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于综合评价的污染场地修复技术方案比选方法，其特征在于：包括以下步骤：
(一)建立多层次比选指标体系：制定并筛选出多个修复技术备选方案，通过构建多个一级评价指标，且每个所述一级评价指标对应有2-3个二级评价指标；
(二)确定各个评价指标权重：首先采用专家评估法对修复技术备选方案进行打分，获得多组评分信息，将多组评分信息取平均值，然后采用AHP层次分析法确定评价指标权重；
(三)获取标准化评价矩阵：利用灰色综合评价法对备选方案进行综合评判，并确定最优方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于综合评价的污染场地修复技术方案比选方法，其特征在于：在所述步骤(一)中，所述一级指标设为4个，4个一级指标分别设为技术指标、经济指标、环境指标和社会指标，所述技术指标包括可操作性、污染物去除效率和修复时间，所述经济指标包括基本建设费用、运行费用和后期费用，所述环境指标包括残余风险、长期效果和健康影响，所述社会指标包括管理可接受程度和公众可接受程度。
3.根据权利要求1所述的一种基于综合评价的污染场地修复技术方案比选方法，其特征在于：所述步骤(二)中确定评价指标权重的方法，包括以下步骤：
(1)构建判断矩阵，采用专家评估法对评价指标进行量化；
(2)计算特征向量及最大特征根：利用方根法求每个评价指标的特征向量，并进行归一化处理，公式如下：
Figure FDA0003569000900000011
Figure FDA0003569000900000012
计算判断矩阵的最大特征根：
Figure FDA0003569000900000021
(3)判断矩阵一致性检验：
Figure FDA0003569000900000022
Figure FDA0003569000900000023
其中：λmax为判断矩阵最大特征根；n为判断矩阵阶数；RI为与n对应的平均随机一致性取值；
(4)确定评价指标权重：根据判断矩阵一致性检验结果，确定评价指标权重。
4.根据权利要求1所述的一种基于综合评价的污染场地修复技术方案比选方法，其特征在于：所述步骤(三)中灰色综合评价法，包括以下步骤：
确定指标数据列V：设i为第i个修复技术备选方案的序号，i＝1，2，…，m；k为第k个评价指标的序号，k＝1，2，…，n；Vik为第i个修复技术备选方案的第k个评价指标的评价值，对于一个由m个修复技术备选方案，n个评价指标的系统，有下列矩阵：
Figure FDA0003569000900000024
确定参考数据列V0：取每个评价指标的最佳值的v0k参考数列V0的实体，于是有：
V0＝(v01，v02，…，v0n)
指标值规范化处理X：规范化的公式如下：
Figure FDA0003569000900000025
进行规范化处理之后，得：
Figure FDA0003569000900000031
X0＝(x01，x02，…，x0n)；
计算关联系数E：把规范化后的数列X0＝(x01，x02，…，x0n)作为参考数列，Xi＝(xi1，xi2，…，xin)(i＝1，2，…，m)作为比较数列，关联系数的计算公式为：
Figure FDA0003569000900000032
式中，ρ为分辨系数，ρ∈[0，1]；
得到下列关联系数矩阵：
Figure FDA0003569000900000033
上式为第i个评价单元第k个指标与最佳指标的关联系数；
计算单层次关联度R：关联度计算方法为指标权重乘以关联系数，根据层次分析法和专家评估法得到某一层的各指标相对于上一层目标的优先权重为：
W＝(w1，w2，…，wn)
则关联度计算公式为：R＝(ri)1×m＝(r1，r2，…，rm)＝WE
计算多层评价系统的最终关联度：对一个由L层组成的多层评价系统，最终关联度的计算方法如下：将第k层各指标的关联系数进行合成，分别得它们所属的上一层即k-1层各指标的关联度；然后把这一层所得到的关联度作为原始数据，继续合成得到第k-2层各指标的关联度，以此类推，直到求出最高层指标的关联度为止；
综合评判：依据关联度大小进行排序，关联度的大小顺序即为备选方案的优劣次序。
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