辽河流域水环境突发污染事故处置技术研究

在实际河流污染源环境监管中，由于各种客观原因，做到对每个污染源准确实时监控，是不现实的。这就需要在污染发生时，通过少数监测断面的检测数据，推算上游哪个污染源发生污染，即污染源溯源。研究应用水质模型和层次分析法，进行污染源溯源。本文提出了一种改进的水质模型算法，使其可以应用于溯源计算；讨论了基于基本污染源数据和专家评价的两层层次分析法在污染源溯源中的应用，并综合这两种方法进行污染源评价，以确定最可能的污染源。最后编写实例程序，通过上述污染源溯源算法和对监测断面数据的实时监控，自动智能地进行污染源溯源，以验证本文研究的溯源算法的实用性。

2.4.3.1　案例概况

为水环境污染追溯污染源的方法，目前没有相关成体系的研究，溯源系统在实际工程中也少有应用。在环境监管中，做到对每个污染源的准确的实时监控，是不现实的。以河流的各个监测断面来监测水环境质量是普遍采用的方法，但是一旦某断面的水质指标超标，很难确定到底是哪个污染源在超标排放。这就需要一套行之有效的追溯污染源的方法。简而言之，本研究的预期成果是：当水污染发生时，通过监测断面或监测点检测到的污染数据，通过系统科学的分析，找到最有可能产生该污染事故的污染源。为污染源的追查和行政管理提供依据，减少追查超排污染源的工作量。由于水环境和污染物性质的复杂性，要解决追溯警源问题首先将追溯警源问题分为以下几类：从污染受体分类，主要分为河流型受体的警源追溯和湖库型受体的警源追溯；从引起污染的污染源数量分类，分为由单一污染源超排引起的污染溯源和由多个污染源超排引起的污染溯源；从超标污染物数量分类，分为单一污染物超标和多种污染物同时超标；从污染源来源分类，分为由登记的常规污染源超标排放引起的污染溯源（如：工业企业超标排放）和因事故引起的非登记的污染源引起的污染溯源（如：储油车泄漏）。本节以单一污染源引起的河流型污染溯源为例，分别通过改进的层次分析溯源算法和水质模型溯源算法进行污染溯源。

2.4.3.2　层次分析溯源算法

（1）层次分析法概述

层次分析法（AHP）是美国运筹学家A.L.Saayt教授在20世纪70年代初提出的。该方法将定性与定量结合处理各种决策因素，较好地消除了主观判断和决策属性的不确定性，具有系统性、灵活性和简洁性等优点。层次分析法的基本步骤如下。

①建立层次结构模型：在深入分析实际问题的基础上，将有关的各个因素按照不同属性自上而下地分解成若干层次，同一层的诸因素从属于上一层的因素或对上层因素有影响，同时又支配下一层的因素或受到下层因素的作用。最上层为目标层，通常只有1个因素，最下层通常为方案或对象层，中间可以有1个或几个层次，通常为准则或指标层。

②构造成对比较阵：从层次结构模型的第2层开始，对于从属于（或影响）上一层每个因素的同一层诸因素，用成对比较法和1～9比较尺度构造成对比较阵，直到最下层。

③计算权向量并做一致性检验：对于每一个成对比较阵计算最大特征根及对应特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过，特征向量（归一化后）即为权向量；若不通过，需重新构造成对比较阵。

④计算组合权向量。

（2）在溯源问题中应用层次分析法

在层次分析之前，首先要对污染源背景数据进行尽可能详尽的收集，并将这些数据整理后存入数据库系统。这些污染源背景数据，以工业企业为例，可能包括以下几项指标：该污染源平时排放的各种污染物浓度、排水量，该企业在不同时段、不同工况下污水排放变化，该工业企业生产的产品、生产产品的工艺，该工业企业在进行污水处理之前的污水浓度，企业一同排放的污染物种类，企业污水处理工艺等。污染源背景数据除了上述直接向企业调查得来的数据之外，还应包括一些经过分析研究得出的数据。比如：企业满负荷生产并且污水未经处理排放的情况下，污染物最大排放量；该工业企业污染应急制度是否完善；该工业企业是否有过超标排放历史；该工业企业污水处理工艺中的薄弱环节，易发生那种污染物的超标排放等。这些指标数据将作为层次分析法中的准则层（中间层），在环境管理实践中，这些数据很可能不能全部有效地收集，利用计算机进行计算的便利，这些指标数可以根据实际情况增减，当然，指标数越多，指标数据越可靠，层次分析的结果也就越准确。

在某监测断面报告污染物超标事件后，首先对污染源进行初步排查，排除不可能的污染源，如排除该监测断面下游的污染源，排除相对污染事故而言污染排放量过小的污染源，排除有独立监测系统并且监测数据正常的污染源等。经过初步排除之后，将余下的污染源作为层次分析的方案层，将这些污染源的背景数据指标作为层次分析的准则层。

根据层次结构模型，分别建立层次比较阵，应用1～9尺度通过专家评分比较各准则层对目标O的重要性。矩阵中元素取1～9及其相反数1～1/9，以便于定性到定量的转化，建立的比较阵应形如表2－7所示。

表2－7　比较阵形式举例(www.xing528.com)

计算比较阵的最大特征根λmax，进行一致性检验，需要计算它的一致性指标CI，定义CI＝（λmax－r）/（r－1），并根据矩阵阶数r，查表得出RI，计算一致性比率CR＝CI/RI，若CR＜0.1，则通过一致性检验。如果比较阵没有通过一致性检验，就需要重新进行评价，生成新的比较阵。

计算比较阵的权向量（特征向量W），即为准则层对目标层的权重。

根据污染源背景数据的不同指标，生成方案层对准则层的比较阵。再以同样方法，计算方案层对准则层每一准则的权向量，并进行一致性检验。每个方案对目标的组合权重即为两层权重的乘积再求和排序每个方案对目标的权重，权重最大的即为最可能的污染源。

2.4.3.3　水质模型溯源算法

（1）传统水质模型算法

水质模型（Water Quality Model）是根据物质守恒原理用数学的语言和方法描述参加水循环的水体中水质组分所发生的物理、化学、生物化学和生态学诸方面的变化、内在规律和相互关系的数学模型。可用于实现水质模拟和评价，进行水质预报和预测，制订污染物排放标准和水质规划以及进行水域的水质管理等，是实现水污染控制的有力工具。传统的水质模型算法是从污染源开始推求，计算距污染源一定距离、一定时间某点的污染物扩散情况。而污染源溯源问题需要已知某点的污染情况而向上追溯可能的污染源，并预测发生污染的时间。这就需要对水质模型提出一种特殊的计算方法来满足溯源问题的要求。

（2）在溯源问题中应用水质模型算法

与层次分析法一样，在某监测断面报告污染物超标事故后，首先对污染源进行初步排查，排除不可能污染源。然后对剩余的可能污染源进行水质模型算法的试算，发现不同污染源、产生不同浓度的污染时，影响下游监测断面的监测到的污染物“浓度－时间”曲线都是独特的。

应用该原理进行污染源追溯，首先大致确定可能污染源的污染物排放范围，这个范围应该大于污染源正常排放量，小于污染源最大污染物排放量。以一定的时间步长和排放量步长应用水质模型绘制多条污染物扩散到不同监测点的污染物“浓度－时间”曲线。之后取另外污染源以同样方法绘制多条曲线。

由于监测点“浓度－时间”曲线是可以根据实际监测数据绘制的，用这个实际监测曲线与应用水质模型计算的多条曲线进行拟合，找出拟合程度最好的曲线，从而找出最可能的污染源和该污染源的事故排放量。

2.4.3.4　编程应用

根据以上的介绍的层次分析和水质模型算法，编写应用程序验证算法的实用性。

2.4.3.5　案例总结

应用层次分析和改进的水质模型算法，结合计算机快速计算的优势，可以有效地进行污染源追溯，并且这种方法在实际环境管理中能够有效运用，在应用过程中可以不断对算法进行修正以达到更准确的结果。