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垃圾填埋场区域地下水铅的修复方案比选:以拉萨市为例

北极星环境修复网  来源:《环境工程》  作者:周文武 陈冠益 旦增 穷达卓玛 周鹏 汪晶  2021/2/27 10:54:50  我要投稿  
所属频道: 环境修复  关键词:地下水修复 AHP 垃圾填埋场

北极星环境修复网讯:研究背景

西藏地区由于近几年经济的发展,生活水平的逐渐提高以及旅游业的兴起,产生大量的生活垃圾和旅游垃圾。对于城市生活垃圾的处理,在西藏地区主要还是以卫生填埋为主。而拉萨市垃圾填埋场使用接近20年,随着使用年限的增加,垃圾填埋场的防渗层可能出现一些安全隐患。垃圾填埋场在使用中会产生大量的气体和渗滤液,如果防渗措施功能不佳,则会对周围的大气、地下水、地表水和土壤等自然环境有所污染。则防渗层的损坏会造成污染物的泄漏,这些污染物中包含大量的重金属。如果地下水中出现铅的泄漏,会造成铅的超标和引起多种疾病,例如肾损伤、不孕、流产、铅脑病、腹绞痛、溶血性贫血等。而目前主要处理含铅的地下水方法有物理屏蔽法、抽出处理法和原位修复法。

采用AHP(层次分析法)和TOPSIS法(逼近理想解排序法/优劣解距离法)相结合分析。其中,AHP决策分析法是由美国运筹学家Saaty提出的一种定性与定量相结合的决策分析方法。TOPSIS法是由Hwang等提出,根据有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序的方法,是多目标决策中经常使用的方法。例如,张婧等运用AHP-TOPSIS方法选取填埋场区域氨氮污染地下水的修复方案,结果表明,空气注入+原位修复技术更适合地下水修复。王纪洋等用AHP-TOPSIS模型评价了危险化工工艺的风险等级。张士宽等运用AHP和MCDA进行地下水污染修复技术优选排序,表明抽出处理技术、原位微生物修复技术较为理想。霍攀等用AHP和模糊评判法对垃圾填埋场选址的应用进行对比,表明2种方法结合可提高评判结果的准确度。吴军年等也运用AHP法选取废渣库的选址确定环境经济最适宜场址。陈海滨等用AHP确定权重和节约法对收运路线进行优化,从而选取村镇生活垃圾收运路线。李丹丹等以瓮安县农产品基地农用地土壤作为研究对象,用GIS、地统计分析法和组合赋权TOPSIS模型法进行了综合评价。赵国存等用AHP-TOPSIS方法评价装备保障信息,提到该模型的优点在于不损失指标初始信息,使评价结果与实际非常接近。

 本文分析拉萨市垃圾填埋场地下水铅的修复技术,是基于拉萨市的自然环境和社会环境来选取建设条件、技术条件、经济条件、环境条件、污染特征及水化学特征6个方面作为评价指标体系。先利用AHP确定权重,然后用TOPSIS法对指标体系的优劣进行排序分析。以AHP和TOPSIS相结合的方法完成综合分析,最后通过评价结果确定了最适宜的修复方案。

 摘要

拉萨市垃圾填埋场随着使用年限的增长,填埋场区域地下水中重金属铅的含量偏高。为了更好地保护地下水,采用物理屏蔽法、抽出处理法和原位修复法作为修复方案。运用AHP-TOPSIS方法来选取最佳修复方案:先通过AHP层次分析法确定权重,选取了建设条件、经济条件、技术条件、环境条件、污染物特征、水化学特征6个指标体系来建立层次分析模型;然后采用TOPSIS接近理想目标的排序方法对修复方案的选取进行优劣排序分析。结果表明:2种方法综合分析得到的权重值由大到小的顺序为原位修复法、物理屏蔽法、抽出处理法,最后确定原位修复技术更加适合于该场区地下水修复。

 01修复方法比选模型

 1.AHP层次分析法步骤

AHP主要用于分析多目标、多要素和多层次的复杂决策问题,将问题分解为若干具有条理性的层次和因素,建立层次分析的模型,然后比较每一层次的要素,得到相对重要的标度建立矩阵,从而计算出最大特征值和特征向量,即可得出不同方案的权重。AHP决策分析的主要步骤如下:

1)分析问题。了解问题所涉及的范围和因素关系,掌握充分的实际信息。

2)建立层次结构模型。对问题的要素进行分组分层次分析:目标层—准则层—措施层排列,建立层次结构模型。

3)建立判断矩阵。该步骤中评定层次中元素间的相对重要程度判断,进行两两比较。元素间的相对重要性的判断值采用1~9标度法。

4)层次单排序。对上层次中某元素而言,确定本层次与之间有联系的各元素重要性次序的权重值,是层次总排序的基础。这一层次计算矩阵的特征根和特征向量,计算出最大特征根,再计算权重值。为了使矩阵合理化,需要进行一致性检验。计算出的一致性指标要与表2中RI平均一致性指标比较。其中的比值CR若<0.1,则矩阵具有一致性;若>0.1,则矩阵需要进行调整满足一致性。

5)层次总排序。计算所有元素的权重值,对每个层次进行逐层排序。判断层次总排序是否具有一致性,也需要进行一致性检验。

而AHP分析方法主要是计算最大特征值和特征向量,有2种方法(方根法、和积法),这里主要采用和积法。

2.TOPSIS计算步骤

TOPSIS是在归一化后的原始数据矩阵中,找出方案中最优方案和最劣方案,然后计算各评价对象与各方案距离,获得评价对象与最优方案的相对接近程度,其步骤如下:

层次总排序与目标层矩阵X进行规范化,得到标准综合矩阵R:

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加权规范化综合矩阵V:

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属性的权重向量ω和规范化矩阵R结合:根据V,选择指标得分最多的为正理想解V+,得分少的为负理想解V-,然后计算方案和正负理想解的距离D。

确定相对接近度C,进行排序:

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Ci按大小排序,值最大者最优的方法。

 02拉萨垃圾填埋场地下水修复技术选取 

1.拉萨市垃圾填埋场地下水监测结果

根据拉萨市垃圾填埋场项目特点和该项目所在地的地质环境状况,在该填埋场周围6个监测井中选取4个没有被异物堵住的监测井进行监测。按照HJ/T164—2004《地下水环境监测技术规范》和GB/T 14848—2017《地下水质量标准》,确定主要监测的指标有pH值、电导率、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、化学需氧量、石油类、挥发酚、铬(六价)、氰化物、阴离子表面活性剂、砷、汞、硒、镉、铅、溶解性总固体、总硬度、硝酸盐、亚硝酸盐、氟化物、铜、锌、氯化物,水质检测结果如表3所示。依照GB/T 14848—2017 Ⅲ类标准值计算污染物超标率,可以看出重金属中仅有铅超标。

表3 地下水质量监测数据统计

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2.地下水修复技术决策层次分析模型

地下水铅污染修复技术主要由物理屏蔽、抽出处理和原位修复技术。其中,物理屏蔽法主要通过隔离受污染的水体,来减少周围水体污染,缺点是处理范围小和地下水污染初期治理。抽出处理是目前最为普遍的方法,将受污染地下水抽出,然后对其净化处理,该方法可以防治污染水体向周围迁移,但是存在浪费大量水资源和能量的缺点。而原位修复技术是目前主要的发展方向,包括渗透反应格栅、原位生物修复、动电修复技术,这3种技术分别具有无需外加动力、节省空间、经济便捷,成本低、不破坏生态平衡,人工需求少、经济高效等优点。水化学特征中,pH会影响化学和生物技术修复过程,会对污染物产生影响。因此,综合考虑主要从场地建设条件、技术条件、经济条件、环境条件、污染特征及水化学特征6个方面选取了17 指标,建立指标体系,如图1所示。自上而下建立了目标层(A)、准则层(B)、子准则层(S)、措施层(P)。

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图1 修复技术决策分析层次模型

3.AHP权重计算结果分析

根据1~9标度法的判断值,对同一层次中的因素进行两两比较,构造矩阵。因此,构造目标层A对准则层B的判断矩阵A-B,见表4。计算出向量AW=[1.473, 1.496, 0.846, 0.578, 1.625, 0.196]T,CI=0.055,而RI参选表2选取1.24,得出CR=0.044<0.1,说明此矩阵具有可接受的一致性。由表4可看出:准则层中污染特征、技术条件、建设条件是修复过程中主要考虑的因素,3个条件权重分别为0.266、0.249、0.235。但在修复过程中经济条件也要考虑,尤其是修复中的设备投资、成本运行等因素,其权重为0.129,其重要性处于第4位。在修复过程中也要考虑对周边环境的影响,其权重为0.09,其重要性位于第5位。最后在修复过程中要特别考虑到水化学特征,因为水中的pH对修复过程中的化学和生物技术会产生一定的影响。张婧等在通过AHP-TOPSIS方法对填埋场地下水污染氨氮的空气注入+原位生物修复和P&T+生物法两种修复方法的比选中,也认为技术指标和场地条件要比经济指标和环境指标更为重要。张伯强等在采用AHP法和MCDA法对填埋场地下水修复技术优选中表明技术指标权重要比经济指标和社会环境指标权重大。张伯强等用MCDA选取沙漠地区污染地下水修复技术中也得出技术指标权重要比经济指标和社会环境指标权重大。

表4 目标层对准则层判断矩阵

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通过公式计算出:准则层B对子准则层S的判断矩阵B1-S1-2、B2-S3-7、B3-S8-11、B4-S12-14、B5-S15-16、B6-S17,如表5所示。可知:对修复影响最大的是污染物类型,其权重为0.228。其次,地质条件在修复过程中也有重要的影响,其权重为0.157。修复过程中的技术成熟度也相当重要,其权重为0.088;修复过程中技术可实施性也存在影响,其权重为0.079;修复中的水文条件也是一个因素,其权重均为0.078;在修复过程中设备投资也有一定影响作用,其权重为0.054;修复中也要注意水资源的保护,其权重为0.045;在修复中,修复周期也有影响,其权重为0.041。污染物浓度、后期管理费用、pH、生态保护也起到一定作用,其权重分别为0.038、0.035、0.031、0.030。当然,在修复过程也要注意运行成本、修复效率、工人健康安全、监测费用、副产品危害等问题,其权重分别为0.025、0.024、0.017、0.016、0.015。

表5 层次总排序

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构造次准则层对措施方案层的判断矩阵,计算出目标层对措施层的优化矩阵,见表6。方案层对次准则层的矩阵为3阶,RI=0.58。通过AHP的计算,总权重0.426(原位修复法)>0.293(抽出处理法)>0.282(物理屏蔽法),因此原位修复法适合该地地下水铅的修复技术。有学者研究填埋场地下水污染修复方案的比选中,也显示原位修复类的方法优于其他方法。

表6 目标层对方案层的优化矩阵

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4.TOPSIS计算最优排序结果分析

在V中选择各措施方案的得分最多的正理想解V+和得分最少的负理想解V-,再计算各措施方案的D+、D-和相对接近度Ci,如表7所示。

表7 各方案措施的距离计算和相对接近度

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根据相对接近度确定修复方案优劣排序,由表7可看出:相对接近度Ci(原位修复法)>Ci(物理屏蔽法)>Ci(抽出处理法),所以原位修复法在该地区更适合地下水铅的修复。目标层对方案层的分析优化矩阵也表明,在技术条件中的技术成熟度、修复周期、技术可实施性、工人健康安全方面,原位修复技术比抽出处理法和物理屏蔽法更适宜。通过最后指标权重的优劣排序,也可以看出原位修复技术更具有优势,比较适合该地区地下水铅的修复。

 03结 论 

1)对拉萨垃圾填埋场地下水污染物的调查,垃圾填埋场监测井中出现污染物铅,然后选取铅污染修复技术,包括物理屏蔽法、抽出处理法和原位修复法3种方法。根据拉萨市的生态环境、社会环境等方面,从建设条件、技术条件、经济条件、环境条件、污染特征、水化学特征6个方面确定了影响填埋场地下水修复的17个指标,构建了层次分析评价指标体系。

2)通过AHP层次分析法进行权重值确定,认为在地下水污染修复过程中主要考虑的因素有污染特征、技术条件、建设条件。其中,选取的指标中污染物类型、地质条件、技术成熟度等作为权重值较大,对污染物修复技术的选取也有一定影响。最后通过优化矩阵,得出原位修复技术优势较明显,适合该地区地下水修复。

3)在采用TOPSIS方法进行优劣排序对各修复技术进行综合分析后,原位修复技术相对接近度值最大,最终确定原位修复法适合该地垃圾填埋场铅污染的修复。

原标题:垃圾填埋场区域地下水铅的修复方案比选:以拉萨市为例

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