基于模糊綜合評估的污染場地可持續(xù)修復效果綜合評價方法研究

姜珺秋，王雪瑩，王宇航，樊慶鋅*，尹 飛，谷慶寶

1. 哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院，黑龍江 哈爾濱 150090

2. 黑龍江省極地環(huán)境與生態(tài)研究重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090

3. 中國環(huán)境科學研究院土壤污染與控制研究室，北京 100012

我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構的不斷優(yōu)化，導致工業(yè)企業(yè)搬離城市，并遺留下大量的污染場地. 全國土壤污染狀況詳查重點行業(yè)企業(yè)信息系統(tǒng)顯示，2019年僅東北重工業(yè)區(qū)正在調(diào)查的污染場地有195塊，完成修復的污染場地僅15塊(全國完成606塊)，這些污染場地無疑給居民健康和城市發(fā)展帶來了潛在或嚴重的生態(tài)環(huán)境影響. 在《國務院關于印發(fā)土壤污染防治行動計劃的通知》[1]和《國務院關于全面加強生態(tài)環(huán)境保護 堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》的背景下[2]，污染場地修復工作也得到了廣泛開展[3-4]. 在對污染場地進行治理修復的過程中，通常會采取工程干預的手段對其進行治理修復，治理過程本身會消耗大量能源和資源，并可能在修復過程中造成二次污染，導致修復工程本身帶來的環(huán)境凈效益大幅降低. 為使“環(huán)境足跡”最小化，歐美國家提出了“綠色可持續(xù)修復”的概念，其核心意義是指在平衡環(huán)境、社會和經(jīng)濟效益的前提下，實現(xiàn)修復治理工程整體效益的最大化[5-6]. 在“綠色可持續(xù)修復”理念的推動下，污染場地修復策略進而轉(zhuǎn)向涵蓋綜合環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益的多標準管理決策. 污染場地修復效果的評價可以通過構建可持續(xù)性的指標體系來評價場地修復技術、修復實施過程和修復最終目標[7-8]. 各國政府機構和組織開始制定一些可持續(xù)性的指標來評價場地修復技術、修復實施過程以及修復最終目標，并針對如何進行場地可持續(xù)性評價做了大量研究，但尚未就其評價方法達成一致[7,9]. 近年來，國內(nèi)雖有學者著手對污染場地開展可持續(xù)修復評價[10-11]，但場地修復管理缺乏全過程的可持續(xù)修復評價環(huán)節(jié)，多是針對技術的篩選[12-13]，而針對污染場地修復綜合效果的評價指標體系研究較少.

該研究旨在建立一種簡單易行的污染場地可持續(xù)修復綜合評價方法，對污染場地可持續(xù)性修復效果進行系統(tǒng)量化與分析. 利用理論分析法和頻度分析法選取相關指標構成污染場地可持續(xù)性評價模型的指標框架. 通過灰色關聯(lián)度分析法對篩選獲取到的各類評估指標逐項進行對比分析及優(yōu)化，構建針對污染場地修復的可持續(xù)修復綜合評價技術指標體系. 綜合國內(nèi)外相關領域最新行業(yè)標準和專家問卷調(diào)查結(jié)果，確立綜合評價指標標準. 采用主客觀結(jié)合的AHP-熵權法計算污染場地可持續(xù)修復綜合評價指標權重值，結(jié)合模糊綜合評估(fuzzy comprehensive evaluation，F(xiàn)CE)建立污染場地可持續(xù)修復指標綜合評價模型. 最后進行實例驗證，判斷所構建的評價方法是否具有可行性. 該研究技術路線如圖1所示. 污染場地可持續(xù)修復綜合評價指標體系的建立與評價模型方法的應用可實現(xiàn)對污染場地治理修復工作的綜合評價，具有現(xiàn)實的工程實踐意義.

圖1 技術路線Fig.1 Technology Frame

1 污染場地可持續(xù)修復綜合評價指標體系

1.1 指標選取

參考國內(nèi)外相關標準及通則，如美國可持續(xù)修復發(fā)展論壇(SuRF)[14]、美國環(huán)境保護局(US EPA)和英國可持續(xù)修復發(fā)展論壇(SuRF-UK)等機構的修復通則[9,15-16]，以及中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會發(fā)布的《污染地塊綠色可持續(xù)修復通則》[17]、清華大學發(fā)布的關于《農(nóng)田污染場地可持續(xù)修復框架》[18]以及GSR行業(yè)標準[19]，初步構建污染場地可持續(xù)修復綜合評價指標體系基本框架. 運用系統(tǒng)分析法進行分層，目標層是污染場地可持續(xù)修復綜合評價；準則層包括環(huán)境效益、社會效益、經(jīng)濟效益三個維度；要素層由土壤環(huán)境改善、地下水改善、空氣質(zhì)量改善、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善、污染場地地價提升、帶動周邊經(jīng)濟發(fā)展、就業(yè)與就業(yè)資本、周邊生活環(huán)境改善、健康風險削減以及社區(qū)和社區(qū)參與等10個構成要素組成. 指標初建一共得到22項評價指標，反映了污染場地可持續(xù)修復綜合評價系統(tǒng)設計中各維度主要的影響因素. 構建的綜合評價指標體系如圖2所示.

圖2 污染場地可持續(xù)修復評價指標體系Fig.2 Evaluation index system for sustainable remediation of contaminated soil

1.2 指標優(yōu)化

指標數(shù)量過多會造成指標質(zhì)量低、指標重疊現(xiàn)象及后續(xù)評價工作量大等問題，所以采用灰色關聯(lián)度法對指標體系進行篩選優(yōu)化. 灰色關聯(lián)度分析法是灰色數(shù)理統(tǒng)計中的一種分析方法，關聯(lián)度是描繪2個不同事物或因素之間相關程度大小的變量，它的基本原理是通過建立灰色關聯(lián)分析模型，結(jié)合數(shù)列曲線的幾何圖形，對各因素之間的關聯(lián)性進行分析，通過比較關聯(lián)度的大小篩選出對系統(tǒng)影響較大的關鍵因素. 該方法計算分析步驟較為簡單，并且使用的分析數(shù)據(jù)較少，對數(shù)據(jù)要求較低，由于研究中定性指標(數(shù)理統(tǒng)計學中的“灰色”成分)較多，故選擇灰色關聯(lián)度法作為該研究的指標優(yōu)化方法.

優(yōu)化數(shù)據(jù)來源于修復完成的場地信息. 選取的3個場地分別為重慶某工廠鉻類污染場地、廣西某工廠含鎳污染場地和吉林某復合污染場地，考慮到指標的易得性，通過查詢統(tǒng)計年鑒、污染修復場地環(huán)評報告等相關公開信息資料，采用直接獲取、公式計算、推演獲得了22個指標的具體數(shù)據(jù)，進一步進行了灰色關聯(lián)度的分析計算[20]. 對22個指標進行關聯(lián)度計算，選取環(huán)境維度下生態(tài)服務價值指標作為指標基準，計算得到各相關指標間對于生態(tài)服務價值指標的灰色關聯(lián)度，設定灰色關聯(lián)度大于0.5為與考核目標相關度較好的指標[21]，經(jīng)過篩選排序得到污染場地可持續(xù)修復評價指標關聯(lián)度(見表1). 通過定量分析與定性分析對初步選定的評價指標進行綜合篩選并優(yōu)化，利用灰色關聯(lián)度法計算得出各指標數(shù)據(jù)之間的灰色關聯(lián)度系數(shù)，最終獲得17個評價指標構成場地可持續(xù)修復評價指標體系(見圖2).

表1 污染場地可持續(xù)修復評價指標灰色關聯(lián)度Table 1 Correlation of initial construction indicators for sustainable restoration of contaminated sites

2 基于FCE法的評價模型構建

2.1 評價模型構建思路

通過建立涵蓋環(huán)境、經(jīng)濟、社會三個維度的指標體系，該研究運用FCE法來進一步檢驗污染場地修復效果的可持續(xù)性，F(xiàn)CE法基于現(xiàn)代模糊數(shù)學方法的模糊隸屬度理論來實現(xiàn)把模糊定性分析評價成果轉(zhuǎn)化為定量結(jié)果的綜合評價，它具有表述層次清晰、系統(tǒng)性更強等一系列特點，能在最短時間高效地實現(xiàn)并解決一些具有模糊的定性以及非確定性的問題[22-23].以構建的評估指標體系為基礎，通過該評價計算模型得到污染場地可持續(xù)修復效果的綜合評價分值. 評價模型構建的具體流程如圖3所示.

圖3 污染場地可持續(xù)修復評價模型構建流程Fig.3 Construction process of sustainable restoration evaluation model for contaminated sites

2.2 污染場地可持續(xù)修復評價模型的確定

模糊綜合評價模型的科學構建首先需要確定所評估對象的多因素論域F，即評價因素. 鑒于污染場地可持續(xù)修復效果評價模型中的數(shù)據(jù)輸入是這17個評價指標的具體評價數(shù)值，因此評價模型中F對應的主要評價對象元素中的評價因素論域為

采用五級評分方法構建模糊綜合評價模型的評語集論域范圍為V=(10，8，6，4，2)，在求得污染場地修復效果可持續(xù)性評價分值后，按照可持續(xù)性評價評語集和分值的對應關系(見表2)進行綜合評價.

表2 可持續(xù)性評價與對應分值Table 2 Correspondence between sustainability evaluation and score

2.2.2隸屬函數(shù)的構造

隸屬矩陣函數(shù)模型的構造是建立FCE法體系的技術關鍵，指標隸屬矩陣函數(shù)模型的建立又分為負指標隸屬函數(shù)模型的構建以及正指標隸屬函數(shù)矩陣的構建.

負指標一般是指與可持續(xù)性指數(shù)呈負相關的指標，負指標隸屬函數(shù)的模型構建利用了五值邏輯分與半梯形分布函數(shù)，具體對應關系如表3所示.

表3 負指標隸屬函數(shù)Table 3 The membership function of positive indicator

正指標是指與可持續(xù)性指數(shù)呈正相關的指標，同樣采用五值邏輯分區(qū)法構造出正指標的隸屬關系函數(shù)，如表4所示.

表4 正指標隸屬函數(shù)Table 4 The membership function of negative index

2.2.3模糊綜合評價結(jié)果的計算

德國成熟的分類體系與各級政府采取的法律制約、政策導向和經(jīng)濟刺激等手段密不可分，一是合理的垃圾收費政策，可回收垃圾不收費，剩余垃圾按量收費；二是抵押金制度；三是企業(yè)化的垃圾回收宣傳教育；四是巨額的懲罰機制。完善的法規(guī)和良好的民眾環(huán)保意識促進了德國生活垃圾處理產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為德國在全球垃圾處理領域的領先地位奠定了基礎。目前90%的德國家庭參與分類收集，家庭的分類工作是對系統(tǒng)的重大貢獻，如果在家庭沒有進行預分類，到了分揀廠就很難進行高效率的分選，回收和再利用的效果將大打折扣。

確定了指標的隸屬關系函數(shù)后，根據(jù)該函數(shù)可進行單因素的評價，首先需要創(chuàng)建一組單因素評判矩陣集R〔見式(1)〕.R中元素rij是第i個指標值按第j級評價標準的隸屬度通過隸屬函數(shù)計算后得到的元素值，R中每一行數(shù)字反映出各評價指標值在各評價區(qū)間上對應的隸屬情況.

借助模糊合成子模型將單因素評判矩陣R與權重向量W進行組合，通過式(2)構建模糊評判集B，評判集B中各元素反映出污染場地修復可持續(xù)性水平在5個評價因子區(qū)間的隸屬情況.

2.2.1節(jié)中所確定的模糊綜合評價模型的評語集論域見式(3)，依據(jù)模糊評價理論框架中的加權平均原則，由式(4)求得污染場地修復可持續(xù)綜合評價結(jié)果的實際得分(S).

式中，V為評語集論域.

在模糊綜合評價模型的運用中，還需對污染場地可持續(xù)修復評價指標標準區(qū)間值和各評價指標層指標權重進行確定，確定隸屬度函數(shù)模型中各評價指標的標準區(qū)間端點值(ai)和權重向量(W)，進而完善所構建的綜合評估方法.

2.3 評價指標標準的確立

結(jié)合行業(yè)標準、線上咨詢會議(3次)和問卷調(diào)查(20份)結(jié)果，確定了17個主要指標的評價標準.將污染場地可持續(xù)修復評價的指標標準與指標本身能夠?qū)崿F(xiàn)的最終值或預期值進行比較，并按正、負指標的分類[24]依次進行比較，制定標準后分別計算得到污染場地可持續(xù)修復評價指標標準(見表5).

表5 污染場地可持續(xù)修復評價指標標準Table 5 The standards of sustainable restoration evaluation indicator

2.4 基于AHP-熵權法的組合權重的確立

通過主客觀模型相結(jié)合的計算方法，根據(jù)指標體系中各指標的重要性和貢獻率來分配指標的權重[25]，采用AHP-熵權法來計算[26-27]. 在偏差的平方和最小的前提下，權重的最佳配置組合結(jié)果通常是主觀AHP權重和客觀熵權重分別占50%，表明兩種權重對指標重要性的理解是一致的[28-29]，最終組合權重為w=[w1,w2,···,wm]T，計算得出的指標權重和熵權結(jié)果如表6所示.

表6 污染場地可持續(xù)修復評價指標權重值Table 6 The weight value of the sustainable restoration evaluation index

結(jié)果顯示，環(huán)境指標的組合權重達0.473 57，在衡量環(huán)境、經(jīng)濟和社會三大主要指標體系中所占權重最大. 這是因為污染場地治理的首要目標是解決土壤長期污染所引起的環(huán)境問題，其次是修復后獲得的社會和經(jīng)濟效益. 在環(huán)境指標中，土壤質(zhì)量改善權重值最大，達0.215 02，其是土壤治理效果最直觀有效的表現(xiàn)，地下水水質(zhì)改善與生態(tài)服務價值提升的權重相當. 在社會指標中，健康風險削減權重值最大，為0.131 88. 在經(jīng)濟指標中，污染場地地價提升是場地修復后一個最直接的經(jīng)濟體現(xiàn)，因此其權重值最大，達0.119 78；帶動周邊經(jīng)濟發(fā)展是場地整體性修復的最大間接效益，權重值達0.079 68.

3 實證分析

3.1 案例概況

該研究選取東北某化工廠(南廠區(qū))作為分析案例. 該企業(yè)是一家以綜合性化工原料產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)為主的現(xiàn)代化企業(yè). 通過查閱該污染場地風險評估報告、污染場地治理與修復技術方案、治理與修復工程施工組織設計方案、污染場地治理與修復工程環(huán)境影響報告表等文件判斷該污染場地關鍵污染物為有機化合物，包括六六六、六氯苯、三氯苯、苯、多環(huán)芳烴等. 根據(jù)化工區(qū)域總體規(guī)劃，企業(yè)本部將陸續(xù)搬遷至該市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)化工園區(qū)，原南部廠區(qū)將開發(fā)為商住區(qū).

3.1.1污染場地修復方案

根據(jù)污染場地土壤性質(zhì)不同，采用分區(qū)修復異位處理的方案. 對于污染地塊進行開挖，開挖至土壤污染物濃度滿足相關標準，并對原址進行驗收. 開挖運輸?shù)狡渌麉^(qū)域的污染土壤，根據(jù)污染物的類型和程度制定不同的修復方案，進行分類處理，所采用的治理技術分別為化學氧化法、固化穩(wěn)定法和填埋場直接填埋法. 場地修復總體技術路線如圖4所示.

圖4 案例場地修復技術路線Fig.4 The technology roadmap of case site restoration

3.1.2主要設備及原材料

調(diào)查案例污染場地已經(jīng)完成的修復工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)，收集評價修復工程可持續(xù)性效果的客觀定量數(shù)據(jù). 對修復工藝、設備、藥劑以及能源等數(shù)據(jù)進行綜合統(tǒng)計分析，結(jié)果如表7所示.

表7 污染場地修復主要數(shù)據(jù)Table 7 Main data of contaminated site remediation

3.2 污染場地可持續(xù)修復評價

3.2.1污染場地各指標參數(shù)

通過查詢案例污染場地的場地風險評價報告、場地修復環(huán)境影響評價報告、統(tǒng)計年鑒等國內(nèi)外相關文獻[30-34]，結(jié)合行業(yè)標準、線上咨詢會議(3次)和問卷調(diào)查(20份)結(jié)果，借助場地數(shù)據(jù)分析、場地生命周期評價和專家對場地的評分，得到案例污染場地的評價指標如表8所示.

表8 案例污染場地評價指標Table 8 The evaluation index of contaminated site

3.2.2污染場地可持續(xù)修復評價

通過上文給出的隸屬函數(shù)，計算得到單因素判斷矩陣R.

確定權重向量W，利用式(2)(3)計算模糊評判向量B.

結(jié)合評語集論域V，根據(jù)模糊集理論中的加權平均原則，按照式(4)計算污染場地修復可持續(xù)性最終得分.

對比污染場地修復效果可持續(xù)性分值，可以判斷該污染場地的可持續(xù)修復情況處于“良好”的范圍，與場地實際修復工程效果一致. 實踐證明，從環(huán)境、經(jīng)濟和社會的綜合評價來看，污染場地的可持續(xù)修復效果較好，這與實際修復情況相符.

為了優(yōu)化污染場地可持續(xù)修復綜合效果，通過比較各指標與其區(qū)間的關系，發(fā)現(xiàn)評價指標體系中交通便利度的改變和新增就業(yè)機會的指標值處在合格的評價區(qū)間內(nèi)，污染場地周邊商品價值提升率的指標值雖然處在中等評價區(qū)間內(nèi)，但是數(shù)值較小，對可持續(xù)性影響較大，因此通過方案的完善可使處在評分較低區(qū)間的指標值提升，從而使場地修復的可持續(xù)性評分提高，具體措施和提升結(jié)果如表9所示.

表9 可持續(xù)性優(yōu)化分析Table 9 The optimization analysis of sustainability

通過對案例的應用研究發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境、經(jīng)濟和社會三個維度的指標中，處在中等和合格區(qū)間的指標大部分集中在社會維度指標和部分經(jīng)濟維度指標中，對于該區(qū)間內(nèi)的指標優(yōu)化空間較大，可通過合理的方案設計及規(guī)劃實現(xiàn)可持續(xù)評分的提升，說明在目前的污染場地修復過程中環(huán)境和經(jīng)濟指標在國家標準和經(jīng)濟效益的要求下實現(xiàn)情況較好，但對于社會維度指標考慮較少，因此后續(xù)對污染場地的治理可對該部分進行措施優(yōu)化，以提高其治理的可持續(xù)性.

4 結(jié)論

a)通過分析篩選構建出污染場地可持續(xù)修復綜合評價指標體系，在此基礎上采用主客觀結(jié)合的AHP-熵權法獲得各指標權重值，其中，權重值最高的指標與污染場地可持續(xù)修復的首要目標—土壤質(zhì)量的改善相吻合，指標權重的最終計算結(jié)果與項目實際相符合.

b) 對污染場地修復實際案例的可持續(xù)修復評價得分為7.70，污染場地的可持續(xù)修復情況在“良好”評價范圍內(nèi)，符合案例實際修復效果，該研究所構建的基于FCE法的污染場地可持續(xù)修復綜合評價方法可為污染場地的修復效果綜合評價提供優(yōu)化技術支撐.