流域突发水污染事故的最优应急处理技术筛选方法、应急决策系统与流程

本发明涉及一种突发水污染事故的治理决策方法，特别是涉及一种用于筛选流域突发水污染事故治理时最优应急水污染处理技术的方法，属于水环境治理、水污染应急响应决策技术领域。

背景技术：

流域突发水污染事故是突发环境事故中的最突出类型。据统计，近年我国的突发环境事故中94.7％属于流域突发水污染事故。流域突发水污染事故具有事发突然、污染范围不确定、负面影响大、处理处置艰巨等特点，因而在流域突发水污染事故发生后，应急响应决策技术显得尤为重要。这其中又以迅速筛选出最优处理技术为整个应急响应决策的核心环节。

现有技术中，针对流域突发水污染事故筛选最优应急处理技术基本是有两类方案。第一类是案例匹配筛选方案，是利用历史案例与当前突发污染事故的相似性，利用案例结构相似度与属性相似度的案例整体相似度算法，实现案例检索与匹配，从而筛选出当前适宜处理技术。第二类是专家评分筛选方案，是在专家评分的基础上，根据当前事故特征从现有处理技术中筛选适宜处理技术。具体的筛选过程中，首先由不同专家在结合现场条件特征的基础上对处理技术的不同筛选指标评分，同时也对不同筛选指标权重评分，再通过数学方法计算得到各项筛选指标的最终决策价值，最后得到在综合考虑不同专家的意见基础上筛选出的最适宜应急水污染处理技术。现有的两类筛选方案在实际操作中都存在缺陷，主要在于：对于第一类方案，由于流域水环境与事故特征的多样性，因而当前突发水污染事故恐较难与案例方案，尤其是成功案例的治理方案相匹配。特别是对于一些罕见少发的水污染类型，既有案例更为有限，案例匹配法几乎难以实施。对于第二类方案，专家评分能够较好地考虑当前事故的各方面特征，也能够在不依赖于案例技术的前提下依照科学决策的思路选定适宜处理技术，但存在的主要缺陷在于无法避开不同专家对指标权重赋值偏差较大的问题。尤其是处理技术的各筛选指标间通常存在一定程度的渗透、干涉等关联，这更加重了当专家的权重评分冲突时，如何科学地综合所有专家意见，筛选出最适宜处理技术的难度。因而整体上，相较于案例匹配筛选方案，基于专家评分的最优应急处理技术筛选方案具有更多优势，但由于存在筛选评价指标间的关联性问题，因而当不同专家对同一指标评分差异较大时，如何科学解决各专家意见之间的冲突成为整个应急决策的关键性问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种流域突发水污染事故的最优应急水污染处理技术筛选方法。该方法在对备选水污染处理技术施以专家评分的基础上，运用证据理论合成规则引入指标证据间距离函数，解决不同专家评分之间权重冲突的技术问题，筛选出当前水污染事故的最优应急处理技术。

为实现上述目的，本发明首先提供一种筛选指标的决策权重测算方法，用于在根据筛选指标进行最优技术筛选的过程中，将不同专家对不同筛选指标的权重评分加以融合，得到用于最终决策的决策权重，其技术方案如下：

一种筛选指标的决策权重测算方法，将不同专家对不同筛选指标的权重评分加以融合，得到用于最终决策的决策权重；其特征在于：依如下步骤实施：

首先，确定z(z≥5)项筛选指标i；

其次，采用专家评分法，由n(n≥5)名专家分别对z项筛选指标i的权重信度评分，得到n组权重证据，每组权重证据即每名专家对z项筛选指标i的z个权重信度评分，每组权重证据记为权重证据mr,r＝1,2,…,n；

再次，依式1-1～式1-4计算任意两组权重证据间的距离drk

式中，drk—任意两组权重证据mr、mk间的距离，

mr、mk—权重证据组mr、权重证据组mk，由专家评分确定，

ip、iq—子集ip、子集iq，表示任意第p个、第q个筛选指标i，

mr(iq)、mk(ip)—分别表示权重证据组mr中筛选指标iq的权重信度评分、权重证据组mk中筛选指标ip的权重信度评分，由专家评分确定；

再次，依式2计算任意权重证据组mr被其余权重证据组支持的总支持度h(mr)：

式中，h(mr)—任意权重证据组mr被其余权重证据组支持的总支持度；

再次，依式3计算任意权重证据组mr的可信度θ(mr)：

式中，θ(mr)—任意权重证据组mr的可信度；

最后，依式4计算筛选指标的决策权重wiq：

式中，wiq—任意筛选指标iq的决策权重。

上述筛选指标的决策权重测算方法，是将n名专家对不同筛选指标i的权重信度分布(即n组权重评分)集成为一组权重评分。该组权重评分在最终决策步骤中使用，称为决策权重。该组决策权重评分有效解决了筛选指标量化过程中各融合数据之间的冲突性问题，因而能够提高其应用于最终决策的科学性，进而提供决策质量。

上述筛选指标的决策权重测算方法的基本原理在于：在基于专家评分的决策程序中，之所以需要采用专家评分法，往往是由于筛选指标的数据不甚完备或者筛选指标的含义需要专业判读，造成在确定各指标权重时必须借助专家的主观知识经验才能实现。专家的主观知识经验通常存在一定程度的差异，甚至对于某些指标存在较大差异。尽管这种差异本身是专家评分的价值所在，但由此也导致了在这类决策过程中需要对不确定性问题进行科学处理的技术问题。本发明决策权重测算方法是借助证据理论的思想，将命题(即筛选指标的权重)的不确定性问题转化为了集合(即辨识框架中子集的基本信任分配函数)的不确定性问题，对不同专家的权重信度评分进行融合与重新分布，从而较好地将定性评价定量化，利用基于证据间距离函数的权重信度融合方法来解决各专家意见之间的冲突性。

为实现不同权重信度的融合，上述决策权重测算方法的数学原理在于：

设ω为辨识框架，即筛选指标的集合；其子集为iq,(q＝1,2,3,…,z)，对应任意一项筛选指标i。此处的子集均指单元素子集，专家对包含多个元素组成的子集或空集不产生任何信任分配。m(ij)表示子集ij的基本信任分配函数，即专家对ij的信任程度，体现为权重评分。各项满足：

上式中，表示对于空集不产生任何信度，表示一名专家对辨识框架ω内的所有子集赋予的信任程度值之和为1。

辨识框架ω下，子集分别为ip、iq(p、q＝1,2,…,z)，分别表示任意第p个、第q个筛选指标i；mr、mk(r,k＝1,2,…,n)分别为辨识框架ω下任意两名专家r、k给出的两组基本信任分配函数，分别体现为专家r给出的权重信度评分与专家k给出的权重信度评分，分别记为权重证据组mr与权重证据组mk；mr(iq)、mk(ip)分别表示第r名专家对子集iq的信任分配函数、第k名专家对子集ip的信任分配函数，分别体现为权重证据组mr中筛选指标iq的权重信度评分、权重证据组mk中识别指标ip的权重信度评分，则证据组mr与证据组mk间的距离drk可表示为式1计算式组(式1-1～式1-4)。其中，|iq∩ip|表示iq∩ip中包含辨识框架非空子集的个数，|iq∪ip|表示iq∪ip中包含辨识框架非空子集的个数。由此可知drk∈[0,1]且drk值越大，两权重证据组间距离越大，基本信任分配函数间相似度越低，专家分歧越大；相反，drk值越小，两权重证据组间距离越小，基本信任分配函数间相似度越高，专家意见越统一。共有n名专家，则多组权重证据之间的距离，可利用权重证据组距离矩阵d(式7)表示：

在距离矩阵d的基础上，对1与距离矩阵第r行各元素(除对角线外)的差求和，可表示任意权重证据组mr被其余所有权重证据组支持的总支持度h(mr)，由式2表示。对各权重证据组的总支持程度h(mr)进行归一化处理得到权重证据组mr的可信度θ(mr)，由式3表示。筛选指标的最终决策权重由可信度θ(mr)表示，θ(mr)值越大，权重证据组mr与其余权重证据组的距离越近，所能得到的支持越多，决策时所占比重越大；θ(mr)值越小，mr与其余权重证据组的距离越大，越不被其余证据支持，决策时所占比重越小。则基于证据间距离的筛选指标权重wiq可由式4表达，该指标权重称为决策权重，意指其代表在最终决策中的权重地位。决策权重矩阵w可表达为式8：

上式中，wiq表示筛选指标iq的决策权重，θmr表示任意权重证据组mr的可信度，mrq表示权重证据组mr中筛选指标iq的权重信度评分。

以上述筛选指标的决策权重测算方法为基础，本发明同时提供一种流域突发水污染事故的最优应急处理技术筛选方法，用于在流域突发水污染事故后，从水污染处理技术库中筛选最优水污染处理技术。其技术方案如下：

一种利用上述筛选指标的决策权重测算方法实现的流域突发水污染事故的最优应急处理技术筛选方法，用于在流域突发水污染事故后，从水污染处理技术库中筛选最优水污染处理技术，其特征在于：

所述水污染处理技术库由不同类别水污染的处理技术构成，每件处理技术分别标注z，z≥5项筛选指标i；

最优水污染处理技术筛选依如下步骤实施：

首先，流域突发水污染事故后，组织现场踏勘获取现场调查数据，所述现场调查数据包括适用于各筛选指标i的资料数据；

其次，由至少m，m≥3名专家对z项筛选指标i评分，计算每项评分m个值的算术平均值，得到每件水污染处理技术的z项决策评分yq；

再次，由n，n≥5名专家分别对z项筛选指标i的权重信度评分，依本发明上述筛选指标的决策权重测算方法计算各筛选指标的决策权重wiq；

最后，依式5计算每件水污染处理技术的综合决策评分m值

式中，m—水污染处理技术的筛选综合决策评分，

wiq—水污染处理技术任意筛选指标iq的决策权重，由式4计算确定；

yq—水污染处理技术任意筛选指标iq的决策评分，由专家评分确定，

z—筛选指标i数量；

m值最大的技术即为此次事故的最优水污染处理技术。

上述流域突发水污染事故的最优应急处理技术筛选方法是一种基于专家评分法实现的应急性水污染处理技术筛选方法。该方法用于在流域突发水污染事故后，从水污染处理技术库中筛选出适应于当前事故特征的最优水污染处理技术。

本发明流域突发水污染事故的最优应急处理技术筛选方法首先需搭建水污染处理技术库，数据库中包含多类型水污染处理技术。每件技术分配有用于筛选最优处理技术的z(z≥5)项筛选指标i。筛选指标i一般可采用环境影响评价规范，设计为水环境特征类指标、技术类指标、经济类指标、社会环境类指标等。当突发水污染事故后，组织现场踏勘获取现场调查数据，现场调查数据用于满足筛选指标i的筛选需要。由m名专家根据现场调查数据及其经验完成各筛选指标i的价值评分，得到决策评分yq；由n名专家根据现场调查数据及其经验完成各筛选指标i的权重信度评分，得到n组权重证据。在此基础上，采用本发明筛选指标的决策权重测算方法，对各组权重证据融合，得到一组决策权重wiq。最后依式5计算各件水污染处理技术的综合决策评分m值，m值最大者即为筛选出的最优处理技术。

本发明对上述流域突发水污染事故的最优应急处理技术筛选方法加以优化，提供如下优化技术方案：

水污染处理技术库中，每件处理技术标注的筛选指标i分为一级筛选指标与二级筛选指标。一级筛选指标共5项，包括适合水温范围i11、适合流量范围i12、适合ph范围i13、可处理污染物浓度范围i14、是否有可依托工程i15(如闸坝、水电站、桥梁、上游水库湖泊等)；二级筛选指标共9项，包括去除速率i21、去除率i22、应用情况i23、物资成本i24、废弃物处置成本i25、人力成本i26、运输成本i27、残留物的环境影响i28、废弃物的环境影响i29。以此为基础，最优水污染处理技术筛选过程分为两级筛选。一级筛选根据一级筛选指标i11～i15完成，具体是通过现场调查确定本次事故流域的水温、流量、ph、污染物浓度、流域是否有可依托工程等信息，然后与数据库中本类水污染处理技术中各件技术的一级筛选指标相匹配，由此初步筛选出能够应用于本次事故治理的水污染处理技术。二级筛选在一级筛选结果内进行，采用本发明基于专家评分的技术方案实施，最终得到适用于本次事故的最优水污染处理技术。本优化方案将5项适应性指标设定为一级筛选指标，可以通过相对简便的匹配运算从所有处理技术中剔除明显不适应本次事故者，再在其结果范围实施最优技术筛选，可以大大降低运算量，节省应急决策时间。

围绕本发明上述流域突发水污染事故的最优应急处理技术筛选方法可以建设相对完备的突发性流域水污染事故的应急决策系统，其技术方案如下：

一种突发性流域水污染事故的应急决策系统，包括水污染处理技术库搭建与最优决策两部分；其特征在于：

所述水污染处理技术库搭建，是在日常搭建水污染处理技术库，充实数据库储备，并根据现有技术为每件水污染处理技术完成全部一级筛选指标5项与二级筛选指标i21、i22项的标注；

所述最优决策，是当事故发生后，通过实施本发明流域突发水污染事故的最优应急处理技术筛选方法的方案，筛选出最优水污染处理技术。

上述应急决策系统，在日常工作中致力于搭建水污染处理技术库，充实数据库储备，并根据现有技术为每件水污染处理技术完成全部一级筛选指标5项与二级筛选指标i21、i22项的标注。当事故发生后，进入最优决策部分，立即组织现场踏勘获取现场调查数据，组织专家会审，及时向专家提供现场调查数据及各件处理技术二级筛选指标i21、i22项数据，帮助专家尽快完成二级指标评分，最终通过计算匹配运算与专家决策筛选出最优处理技术。整套应急决策系统能够在减少专家主观意见冲突、提高评分客观性与准确性前提下大大缩减应急响应时间，实现真正意义上的应急决策。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明筛选指标的决策权重测算方法以证据理论思想为基础，对专家评分法中不同专家的权重信度评分进行融合与重新分布，从而较好地将定性评价定量化，利用基于证据间距离函数的权重信度融合方法解决各专家意见之间的冲突性，减少各专家知识经验的主观性影响，使权重合成结果更加真实可靠，提高了专家评分的决策质量。(2)本发明流域突发水污染事故的最优应急处理技术筛选方法一方面能够避免因筛选指标间固有的潜在相互影响关系而导致的指标冗余问题，减少专家在对可用应急水污染处理技术进行评估的过程中，因受到的指标间潜在关联的影响而造成的对评估客观性与准确性的影响；另一方面解决了专家评分决策中对筛选指标评分量化时各融合数据之间的冲突性问题，提高了最优技术筛选的可靠性。(3)本发明提供了两级筛选法，能够大大降低运算量，节省应急决策时间。(4)本发明一种突发性流域水污染事故的应急决策系统的解决方案，将应急响应划分为日常工作与最优决策两部分。在事故发生后，只需着力组织专家完成最优决策过程，通过计算机匹配运算的一级筛选与专家决策的二级筛选，便能够在减少专家主观意见冲突、提高评分客观性与准确性前提下大大缩减应急响应时间，实现真正意义上的应急决策。

附图说明

图1是实施例一技术流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1所示，用本发明方法为某次流域突发水污染事件筛选最优处理技术。

1、事件背景与现场踏勘

2005年12月15日，广东省北江流域高桥断面发现镉浓度严重超标，最高浓度达0.06mg/l，是《地表水环境质量标准(gb3838-2002)》ⅱ类和ⅲ类水体标准的11倍，属突发水污染事件。排查发现，污染源头是北江上游韶关冶炼厂在废水处理系统停产检修期间，违法将大量高浓度的含镉废水排入北江所致。

应急响应工作立即组织现场踏勘，获取现场调查数据。获取的现场调查数据包括流域水温约15℃、流域流量约521m³/s、流域ph约7.7、污染物浓度0.002mg/l～0.06mg/l，镉污染带将途径白石窑水电站，属于拥有处理技术可依托工程设施。事故地所在的广东省韶关市，交通便利，是全国交通枢纽之一，京珠高速公路和106国道贯穿韶关市。经济比较发达，是广东的重工业城市；农业优势明显，养殖业不断发展。事故对北江中下游的韶关、英德、清远、佛山等城市的水源受到严重威胁。

2、水污染处理技术库描述

前期已搭建的水污染处理技术数据库已包含镉污染水处理技术。以镉污染水处理技术为例，根据先期调查的资料收集，已录入处理技术19件。每件技术分别设定一级筛选指标与二级筛选指标。前者包括适合水温范围i11、适合流量范围i12、适合ph范围i13、可处理污染物浓度范围i14、是否有可依托工程(如闸坝、水电站、桥梁、上游水库湖泊等)i15，共计5项；后者包括去除速率i21、去除率i22、应用情况i23、物资成本i24、废弃物处置成本i25、人力成本i26、运输成本i27、残留物的环境影响i28、废弃物的环境影响i29，共计9项。

根据先期调查的资料收集，已完成数据库内每件处理技术全部一级筛选指标5项与二级筛选指标i21、i22项的标注。

3、镉污染处理技术的一级筛选

运行水污染处理技术数据库，选取镉污染处理技术类别。根据每件镉污染处理技术各一级筛选指标适用的范围/条件，筛选出5件符合条件的一级筛选结果处理技术，分别是聚合氯化铝混凝技术(t1)、聚合硫酸铁混凝技术(t2)、聚合氯化铝铁混凝技术(t3)、碳酸钠沉淀技术(t4)、液碱沉淀技术(t5)。

4、镉污染处理技术的二级筛选

4.1确定二级筛选指标的决策评分yq

由m＝5名专家以现场调查数据及每件一级筛选结果处理技术已标注的i21、i22项为基础，依照表1所示指标评分标准对每件一级筛选结果处理技术的二级筛选指标评分，计算每项指标的m个评分的算术平均值，得到5件处理技术的9项二级筛选指标的决策评分yq。yq表示处理技术任意二级筛选指标iq的决策评分(表2)。

表1二级筛选指标评分标准

表2镉处理技术二级筛选指的决策评分yq

4.2确定二级筛选指标的决策权重wiq

4.2.1专家评分

由n＝6名专家以现场调查数据为基础，对各二级筛选指标的权重信度评分，要求每位专家对9项指标的权重信度评分和为1。得到n组权重证据，每组权重证据即每名技术专家对二级筛选指标的9项权重信度评分(表3)。

表3专家权重信度评分结果

4.2.2计算二级筛选指标决策权重wiq

根据表1，依式1计算式组计算任意两组权重证据间的距离drk。计算有，d12＝0.1393，d13＝0.2278，d14＝0.1609，...,d1n＝0.1639。可得各组权重证据之间的权重证据组距离矩阵d：

对1与距离矩阵d任意第r行各元素(除对角线外)的差求和，依式2计算每一权重证据组被其余各权重证据组支持的总支持度h(mr)。结果有，h(mr)：h(m1)＝5.1098，h(m2)＝4.9980，h(m3)＝5.0146，h(m4)＝5.2008,…,h(mn)＝5.1525。

依式3计算每一权重证据组mr的可信度θ(mr)。结果有，θ(mr)：θ(m1)＝0.1681，θ(m2)＝0.1641，θ(m3)＝0.1650，θ(m4)＝0.1711,…,θ(mn)＝0.1695。

依式4计算各二级筛选指标的决策权重wiq，结果有wi21＝0.193，wi22＝0.133，wi23＝0.232，wi24＝0.070，wi25＝0.065，wi26＝0.050，wi27＝0.056，wi28＝0.105，wi29＝0.097。有决策权重矩阵w：

4.3计算各镉处理技术的二级筛选综合决策评分m值

依式5(z＝9)计算t1～t5每件一级筛选结果处理技术的二级筛选综合决策评分m值。计算结果有表4：

表4水污染处理技术二级筛选综合评估分m值

表4显示，聚合氯化铝混凝技术(t1)二级筛选综合评分m值最高。因此，该处理技术是本次流域突发镉污染事件应急响应的最优污染处理技术。本实施例最优处理技术的筛选过程约耗时2天。

实际操作中，国内专家组依靠大量监测数据，及多次会审论证，于12月22日确定采用聚合氯化铝混凝技术用于此次镉污染处理，并在白石窑水库涡轮机进水口投加聚合氯化铝絮凝剂后，经过40天奋战，2006年1月26日，镉污染警报解除。此次应急响应中，最优处理技术的筛选决策耗时1周。