基于层次分析法-熵权法的污染地块异味污染物优先度评价方法——以农药类污染地块为例

胡星路, 熊杰, 张超艳, 郭晓欣, 周友亚, 李海明. 基于层次分析法-熵权法的污染地块异味污染物优先度评价方法——以农药类污染地块为例[J]. 环境工程学报, 2023, 17(6): 1923-1936. doi: 10.12030/j.cjee.202302002
引用本文: 胡星路, 熊杰, 张超艳, 郭晓欣, 周友亚, 李海明. 基于层次分析法-熵权法的污染地块异味污染物优先度评价方法——以农药类污染地块为例[J]. 环境工程学报, 2023, 17(6): 1923-1936. doi: 10.12030/j.cjee.202302002
HU Xinglu, XIONG Jie, ZHANG Chaoyan, GUO Xiaoxin, ZHOU Youya, Li Haiming. Priority evaluation method of odor pollutants in contaminated sites based on analytic hierarchy process and entropy weight method: A case study of pesticide contaminated sites[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(6): 1923-1936. doi: 10.12030/j.cjee.202302002
Citation: HU Xinglu, XIONG Jie, ZHANG Chaoyan, GUO Xiaoxin, ZHOU Youya, Li Haiming. Priority evaluation method of odor pollutants in contaminated sites based on analytic hierarchy process and entropy weight method: A case study of pesticide contaminated sites[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(6): 1923-1936. doi: 10.12030/j.cjee.202302002

基于层次分析法-熵权法的污染地块异味污染物优先度评价方法——以农药类污染地块为例

    作者简介: 胡星路 (1997—) ,男,硕士研究生,3337628790@qq.com
    通讯作者: 李海明(1971—),男,博士,教授,lhm@tust.edu.cn
  • 基金项目:
    国家自然科学基金资助项目 (41977377) ;国家重点研发计划—土壤专项资助项目 (2018YFC1803001)
  • 中图分类号: X53

Priority evaluation method of odor pollutants in contaminated sites based on analytic hierarchy process and entropy weight method: A case study of pesticide contaminated sites

    Corresponding author: Li Haiming, lhm@tust.edu.cn
  • 摘要: 土壤中异味污染物的风险管控已成为我国农药化工等行业污染地块环境管理的迫切需求。为筛查土壤优先控制异味污染物,研究基于土壤中挥发性异味污染物的迁移、暴露过程和危害效应的系统量化与分析,建立了污染地块异味污染物优先度评价指标体系;采用层次分析法-熵权法确定指标综合评价权重,分析了异味污染物优先度的影响因素,并选取3个农药类案例地块进行验证性评价。结果表明,构成地块异味污染物优先度排序指标体系第二层次的4个准则中,影响程度从高到低为:危害性、迁移性、防护性与暴露性;第三层次15个要素主客观综合权重范围为0.033 6~0.149 6,其中嗅阈值权重最高。案例地块异味污染物基于层次分析法-熵权法的优先度评价等级与基于实测数据通过异味活度值和健康风险影响评价的等级具有一致性。本研究结果可为异味污染地块优先控制异味污染物的筛查提供参考。
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  • 图 1  污染地块异味污染物优先度评价指标体系

    Figure 1.  Priority evaluation index system of odor pollutants in contaminated sites

    图 2  案例地块异味污染物优先度评价结果

    Figure 2.  Priority evaluation results of odor pollutants in the case sites

    图 3  案例地块污染物异味活度值、健康风险影响度与优先度评价结果

    Figure 3.  Assessment results of odor activity value, health risk impact and priority of pollutants in the case sites

    表 1  评价指标的分级与赋值

    Table 1.  Evaluation index classification and value assignment

    评价指标 赋值 分级依据
    参考文献
    准则层 要素层 单位 1 2 3 4 5
    危害性 嗅阈值 mg·m−3 >102 1~102 10−2~1 10−4~10−2 <10−4 [23]
    致癌斜率因子 (mg·kg−1·d−1)−1 <0.005 0.005~0.05 0.05~0.5 0.5~5 >5 [24]
    非致癌参考浓度 mg·m−3 <0.001 0.001~0.01 0.01~0.1 0.1~1 >1 [24]
    暴露性 年使用量 (产量) t <102 102~103 103~5×103 5×103~104 >104 [25]
    生产时间 a <5 5~15 15~30 30~50 >50 [24]
    企业环境管理水平 无量纲 较好 中等 较差 [27]
    迁移性 饱和蒸汽压 kPa <10−5 10−5~10−3 10−3~10−1 10−1~10 >10 [23]
    分配系数 cm3·g−1 >103 500~103 102~500 1~102 <1 [24]
    亨利常数 无量纲 <10−3 10−3~10−2 10−2~10−1 10−1~1 >1 [24]
    降解性 (土壤半衰期) d <120 120~150 150~180 180~200 >200 [26]
    防护性 土壤渗透系数 cm·s−1 <10−6 10−6~10−5 10−5~10−4 10−4~10−2 >10−2 [28]
    土壤含水率 % >40 30~40 25~30 20~25 <20 [29]
    土壤有机质质量分数 g·kg−1 >20 15~20 10~15 5.0~10 <5 [29]
    土壤孔隙度 % <40 40~43 43~46 46~50 >50 [29]
    地下水水位 m >40 20~40 10~20 2~10 <2 [30]
    评价指标 赋值 分级依据
    参考文献
    准则层 要素层 单位 1 2 3 4 5
    危害性 嗅阈值 mg·m−3 >102 1~102 10−2~1 10−4~10−2 <10−4 [23]
    致癌斜率因子 (mg·kg−1·d−1)−1 <0.005 0.005~0.05 0.05~0.5 0.5~5 >5 [24]
    非致癌参考浓度 mg·m−3 <0.001 0.001~0.01 0.01~0.1 0.1~1 >1 [24]
    暴露性 年使用量 (产量) t <102 102~103 103~5×103 5×103~104 >104 [25]
    生产时间 a <5 5~15 15~30 30~50 >50 [24]
    企业环境管理水平 无量纲 较好 中等 较差 [27]
    迁移性 饱和蒸汽压 kPa <10−5 10−5~10−3 10−3~10−1 10−1~10 >10 [23]
    分配系数 cm3·g−1 >103 500~103 102~500 1~102 <1 [24]
    亨利常数 无量纲 <10−3 10−3~10−2 10−2~10−1 10−1~1 >1 [24]
    降解性 (土壤半衰期) d <120 120~150 150~180 180~200 >200 [26]
    防护性 土壤渗透系数 cm·s−1 <10−6 10−6~10−5 10−5~10−4 10−4~10−2 >10−2 [28]
    土壤含水率 % >40 30~40 25~30 20~25 <20 [29]
    土壤有机质质量分数 g·kg−1 >20 15~20 10~15 5.0~10 <5 [29]
    土壤孔隙度 % <40 40~43 43~46 46~50 >50 [29]
    地下水水位 m >40 20~40 10~20 2~10 <2 [30]
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    表 2  优先度等级与分值对应关系

    Table 2.  Correspondence between priority grade and score

    异味污染物
    优先度等级
    评价分值 优先度等级对应的污染物描述
    高优先级 3.5~5.0 对人体健康具有高风险且异味强烈难以接受
    中优先级 2.5~3.5 对人体健康具有较高风险且能感觉到明显异味
    低优先级 0~2.5 对人体健康风险较低 (或风险可接受) 且异味较轻 (或无异味)
    异味污染物
    优先度等级
    评价分值 优先度等级对应的污染物描述
    高优先级 3.5~5.0 对人体健康具有高风险且异味强烈难以接受
    中优先级 2.5~3.5 对人体健康具有较高风险且能感觉到明显异味
    低优先级 0~2.5 对人体健康风险较低 (或风险可接受) 且异味较轻 (或无异味)
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    表 3  计算模型参数取值

    Table 3.  Values of model parameters

    参数 定义 单位 取值 取值来源
    地块a 地块b 地块c
    $ {\text{θ}}_{\text{water}} $ 非饱和土层土壤中孔隙水体积比 无量纲 0.35 0.36 0.30 实测值
    $ {\text{θ}}_{\text{air}} $ 非饱和土层土壤中孔隙空气体积比 无量纲 0.07 0.08 0.12 实测值
    foc 土壤有机碳质量分数 无量纲 0.002 5 0.004 26 0.002 9 实测值
    $ {\text{ρ}}_{\text{b}} $ 土壤容重 kg·dm-3 1.51 1.52 1.58 实测值
    θ 非饱和土层土壤中孔隙空气体积比 无量纲 0.45 0.08 0.42 实测值
    LB 室内空间体积与气态污染物入渗面积比 cm 220 220 300 [41]
    ER 室内空气交换速率 次·d-1 12 12 20 [41]
    η 地基裂隙表面积占室内地表面积比例 无量纲 0.005 0.005 0.005 [41]
    Lcrack 室内地基或墙体厚度 cm 35 35 35 [41]
    τ 气态污染物入侵持续时间 a 30 30 25 [41]
    参数 定义 单位 取值 取值来源
    地块a 地块b 地块c
    $ {\text{θ}}_{\text{water}} $ 非饱和土层土壤中孔隙水体积比 无量纲 0.35 0.36 0.30 实测值
    $ {\text{θ}}_{\text{air}} $ 非饱和土层土壤中孔隙空气体积比 无量纲 0.07 0.08 0.12 实测值
    foc 土壤有机碳质量分数 无量纲 0.002 5 0.004 26 0.002 9 实测值
    $ {\text{ρ}}_{\text{b}} $ 土壤容重 kg·dm-3 1.51 1.52 1.58 实测值
    θ 非饱和土层土壤中孔隙空气体积比 无量纲 0.45 0.08 0.42 实测值
    LB 室内空间体积与气态污染物入渗面积比 cm 220 220 300 [41]
    ER 室内空气交换速率 次·d-1 12 12 20 [41]
    η 地基裂隙表面积占室内地表面积比例 无量纲 0.005 0.005 0.005 [41]
    Lcrack 室内地基或墙体厚度 cm 35 35 35 [41]
    τ 气态污染物入侵持续时间 a 30 30 25 [41]
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    表 4  目标层A与准则层Bi的判断矩阵D1

    Table 4.  Judgment matrix D1 for layer A and level Bi

    目标层 危害性 迁移性 暴露性 防护性 主观权重值 一致性检验 一致性是否可接受
    危害性 1 2 3 3 0.454 8 λmax= 4.009 8 可接受
    迁移性 1/2 1 2 2 0.263 4 CI=0.003 8
    暴露性 1/3 1/2 1 1 0.140 9 RI=0.89
    防护性 1/3 1/2 1 1 0.140 9 CR=0.003 7<0.1
    目标层 危害性 迁移性 暴露性 防护性 主观权重值 一致性检验 一致性是否可接受
    危害性 1 2 3 3 0.454 8 λmax= 4.009 8 可接受
    迁移性 1/2 1 2 2 0.263 4 CI=0.003 8
    暴露性 1/3 1/2 1 1 0.140 9 RI=0.89
    防护性 1/3 1/2 1 1 0.140 9 CR=0.003 7<0.1
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    表 5  评价指标权重分配

    Table 5.  The weight value distribution of evaluation indicators

    目标层 准则层 要素层 主观权重 $ {W}_{j}^{\alpha } $ 客观权重 $ {W}_{j}^{\beta } $ 综合权重 $ {\mathrm{R}}_{j} $
    污染地块异味
    污染物优先度评价
    危害性 嗅阈值 0.236 4 0.062 9 0.149 6
    致癌斜率因子 0.125 8 0.079 2 0.102 5
    非致癌参考浓度 0.092 5 0.058 5 0.075 5
    污染地块异味
    污染物优先度评价
    暴露性 年使用量/年生产量 0.075 8 0.060 8 0.068 3
    企业环境管理水平 0.042 0 0.084 0 0.063 0
    生产时间 0.023 0 0.077 4 0.050 2
    迁移性 饱和蒸汽压 0.092 3 0.056 5 0.074 4
    分配系数 0.049 8 0.060 1 0.055 0
    亨利常数 0.092 3 0.072 0 0.082 2
    降解性 0.028 6 0.061 6 0.045 1
    防护性 土壤渗透系数 0.058 6 0.076 5 0.067 6
    土壤孔隙度 0.036 9 0.056 6 0.046 7
    土壤含水率 0.022 6 0.068 3 0.045 5
    土壤有机质质量分数 0.013 9 0.067 1 0.040 5
    地下水水位 0.008 8 0.058 4 0.033 6
    目标层 准则层 要素层 主观权重 $ {W}_{j}^{\alpha } $ 客观权重 $ {W}_{j}^{\beta } $ 综合权重 $ {\mathrm{R}}_{j} $
    污染地块异味
    污染物优先度评价
    危害性 嗅阈值 0.236 4 0.062 9 0.149 6
    致癌斜率因子 0.125 8 0.079 2 0.102 5
    非致癌参考浓度 0.092 5 0.058 5 0.075 5
    污染地块异味
    污染物优先度评价
    暴露性 年使用量/年生产量 0.075 8 0.060 8 0.068 3
    企业环境管理水平 0.042 0 0.084 0 0.063 0
    生产时间 0.023 0 0.077 4 0.050 2
    迁移性 饱和蒸汽压 0.092 3 0.056 5 0.074 4
    分配系数 0.049 8 0.060 1 0.055 0
    亨利常数 0.092 3 0.072 0 0.082 2
    降解性 0.028 6 0.061 6 0.045 1
    防护性 土壤渗透系数 0.058 6 0.076 5 0.067 6
    土壤孔隙度 0.036 9 0.056 6 0.046 7
    土壤含水率 0.022 6 0.068 3 0.045 5
    土壤有机质质量分数 0.013 9 0.067 1 0.040 5
    地下水水位 0.008 8 0.058 4 0.033 6
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    表 6  案例地块异味污染物初步筛选清单

    Table 6.  List of odor pollutants for case sites

    地块 主要产品 异味污染
    物种类数量
    异味污染物
    地块a 敌敌畏、百草枯、敌百虫、乐果等 32 苯、甲苯、氯苯、间/对二甲苯、邻二甲苯、1,4-二氯苯、乙苯、1,2,4-三甲基苯、异丙基苯、正-丙苯、1,2-二氯苯、1,3,5-三甲基苯、2-氯甲苯、4-氯甲苯、1,2,4-三氯苯、1,2,3-三氯苯、氯仿、三氯乙烯、1,2,3-三氯丙烷、四氯化碳、1,2-二氯丙烷、氯甲烷、氯乙烯、甲硫醚、二甲基二硫醚、二硫化碳、噻吩、2-氯苯酚、苯酚、2-甲基苯酚、丁酸甲酯、邻苯二甲酸二乙酯
    地块b 杀螟腈、甲胺磷、虫螆灵等 21 乙苯、甲苯、间/对二甲苯、苯、苯乙烯、异丙苯、邻二甲苯、正丙苯、1,2,4-三甲基苯、1,2-二氯乙烷、氯仿、正己烷、氯乙烷、2-氯甲苯、氯甲烷、丙酮、2-己酮、2-丁酮、苯酚、邻苯二甲酸二乙酯、四氢呋喃
    地块c 甲胺磷、草甘膦、甲基毒死蜱等 28 间/对二甲苯、苯、乙苯、1,4-二氯苯、邻二甲苯、甲苯、苯乙烯、异丙基苯、硝基苯、1,2,4-三甲苯、三氯甲烷、三氯乙烯、1,2-二氯乙烷、四氯化碳、三溴甲烷、1,1-二氯乙烯、1,2-二氯丙烷、四氯乙烯、1, 2-二溴乙烷、2-氯酚、4-硝基苯酚、间甲酚、2,4,6-三氯苯酚、苯酚、2, 4-二氯酚、甲硫醚、二甲基二硫醚、邻苯二甲酸二丁酯
    地块 主要产品 异味污染
    物种类数量
    异味污染物
    地块a 敌敌畏、百草枯、敌百虫、乐果等 32 苯、甲苯、氯苯、间/对二甲苯、邻二甲苯、1,4-二氯苯、乙苯、1,2,4-三甲基苯、异丙基苯、正-丙苯、1,2-二氯苯、1,3,5-三甲基苯、2-氯甲苯、4-氯甲苯、1,2,4-三氯苯、1,2,3-三氯苯、氯仿、三氯乙烯、1,2,3-三氯丙烷、四氯化碳、1,2-二氯丙烷、氯甲烷、氯乙烯、甲硫醚、二甲基二硫醚、二硫化碳、噻吩、2-氯苯酚、苯酚、2-甲基苯酚、丁酸甲酯、邻苯二甲酸二乙酯
    地块b 杀螟腈、甲胺磷、虫螆灵等 21 乙苯、甲苯、间/对二甲苯、苯、苯乙烯、异丙苯、邻二甲苯、正丙苯、1,2,4-三甲基苯、1,2-二氯乙烷、氯仿、正己烷、氯乙烷、2-氯甲苯、氯甲烷、丙酮、2-己酮、2-丁酮、苯酚、邻苯二甲酸二乙酯、四氢呋喃
    地块c 甲胺磷、草甘膦、甲基毒死蜱等 28 间/对二甲苯、苯、乙苯、1,4-二氯苯、邻二甲苯、甲苯、苯乙烯、异丙基苯、硝基苯、1,2,4-三甲苯、三氯甲烷、三氯乙烯、1,2-二氯乙烷、四氯化碳、三溴甲烷、1,1-二氯乙烯、1,2-二氯丙烷、四氯乙烯、1, 2-二溴乙烷、2-氯酚、4-硝基苯酚、间甲酚、2,4,6-三氯苯酚、苯酚、2, 4-二氯酚、甲硫醚、二甲基二硫醚、邻苯二甲酸二丁酯
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    表 7  案例地块异味污染物优先度评价指标赋值

    Table 7.  The evaluation indicators of contaminated sites

    评价指标 地块a 地块b 地块c
    准则层 要素层 单位 数据 评分 数据 评分 数据 评分
    危害性 嗅阈值 mg·m−3 3×10−5~1×10 2~5 3.8×10−3~1×10 2~4 2×10−5~7.5 2~5
    致癌斜率因子 (mg·kg−1·d−1) −1 3.6×10−3~3×10 2~5 2×10−3~1.1×10−2 2~3 2.1×10−3~2.6 2~4
    非致癌参考浓度 mg·m−3 0.000 3~5 1~5 0.007~31 2~5 0.002~5 2~5
    暴露性 年产量或使用量 t 1×103~1×105 2~5 2×102~2×104 2~5 1×103~2×104 2~5
    工艺生产时间 a 8.0~50 2~5 12~22 2~3 10~34 2~4
    企业环境管理水平 中等 3 中等 3 较差 2
    迁移性 饱和蒸汽压 kPa 2.7×10−4~5.7×102 2~5 2.7×10−4~5.7×102 2~5 3.0×10−6~6.6×10 1~5
    分配系数 cm3·g−1 8.9~1.9×103 1~4 5×10−1~1.6×103 1~5 8.9~6.8×103 1~4
    亨利常数 无量纲 1×10−8~1.1 1~5 1×10−8~0.5 1~4 1×10−8~1.1 1~5
    半衰期 d 1.2×102~1.8×102 2~4 1.2×102~1.8×102 2~4 1.2×102~1.8×102 2~4
    防护性 土壤渗透系数 cm·s−1 3.5×10−5 2 2.0×10−5 3 3.3×10−4 4
    土壤含水率 % 24.0 4 25.2 3 29.0 3
    土壤有机质质量分数 g·kg−1 4.6 5 6.0 4 4.9 5
    土壤孔隙度 % 45.8 3 43.7 3 50.5 5
    地下水水位 m 4.8 4 5.7 4 1.5 5
    评价指标 地块a 地块b 地块c
    准则层 要素层 单位 数据 评分 数据 评分 数据 评分
    危害性 嗅阈值 mg·m−3 3×10−5~1×10 2~5 3.8×10−3~1×10 2~4 2×10−5~7.5 2~5
    致癌斜率因子 (mg·kg−1·d−1) −1 3.6×10−3~3×10 2~5 2×10−3~1.1×10−2 2~3 2.1×10−3~2.6 2~4
    非致癌参考浓度 mg·m−3 0.000 3~5 1~5 0.007~31 2~5 0.002~5 2~5
    暴露性 年产量或使用量 t 1×103~1×105 2~5 2×102~2×104 2~5 1×103~2×104 2~5
    工艺生产时间 a 8.0~50 2~5 12~22 2~3 10~34 2~4
    企业环境管理水平 中等 3 中等 3 较差 2
    迁移性 饱和蒸汽压 kPa 2.7×10−4~5.7×102 2~5 2.7×10−4~5.7×102 2~5 3.0×10−6~6.6×10 1~5
    分配系数 cm3·g−1 8.9~1.9×103 1~4 5×10−1~1.6×103 1~5 8.9~6.8×103 1~4
    亨利常数 无量纲 1×10−8~1.1 1~5 1×10−8~0.5 1~4 1×10−8~1.1 1~5
    半衰期 d 1.2×102~1.8×102 2~4 1.2×102~1.8×102 2~4 1.2×102~1.8×102 2~4
    防护性 土壤渗透系数 cm·s−1 3.5×10−5 2 2.0×10−5 3 3.3×10−4 4
    土壤含水率 % 24.0 4 25.2 3 29.0 3
    土壤有机质质量分数 g·kg−1 4.6 5 6.0 4 4.9 5
    土壤孔隙度 % 45.8 3 43.7 3 50.5 5
    地下水水位 m 4.8 4 5.7 4 1.5 5
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    表 8  异味活度值、健康风险影响度与优先度等级划分标准

    Table 8.  Classification criteria of odor activity value, health risk impact and priority level

    异味
    活度值
    划分依据[51] 健康风险
    影响度
    划分依据[52] 优先度等级
    <1 污染物空气暴露质量浓度小于嗅阈值,人体嗅觉器官感受不到异味 <1 土壤中污染物质量分数小于筛选值,人体健康风险可接受 低优先级
    1~100 污染物空气暴露质量浓度高于嗅阈值1-2个数量级,人体嗅觉器官容易感受到异味 1~100 土壤中污染物质量分数高于筛选值1-2个数量级,人体健康风险不可接受,属于中风险水平 中优先级
    >100 污染物空气暴露质量浓度高于嗅阈值2个数量级以上,人体嗅觉器官感受到强烈异味 >100 土壤中污染物质量分数高于筛选值2个数量级以上,人体健康风险不可接受,属于高风险水平 高优先级
    异味
    活度值
    划分依据[51] 健康风险
    影响度
    划分依据[52] 优先度等级
    <1 污染物空气暴露质量浓度小于嗅阈值,人体嗅觉器官感受不到异味 <1 土壤中污染物质量分数小于筛选值,人体健康风险可接受 低优先级
    1~100 污染物空气暴露质量浓度高于嗅阈值1-2个数量级,人体嗅觉器官容易感受到异味 1~100 土壤中污染物质量分数高于筛选值1-2个数量级,人体健康风险不可接受,属于中风险水平 中优先级
    >100 污染物空气暴露质量浓度高于嗅阈值2个数量级以上,人体嗅觉器官感受到强烈异味 >100 土壤中污染物质量分数高于筛选值2个数量级以上,人体健康风险不可接受,属于高风险水平 高优先级
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-01
  • 录用日期:  2023-04-04
  • 刊出日期:  2023-06-26
胡星路, 熊杰, 张超艳, 郭晓欣, 周友亚, 李海明. 基于层次分析法-熵权法的污染地块异味污染物优先度评价方法——以农药类污染地块为例[J]. 环境工程学报, 2023, 17(6): 1923-1936. doi: 10.12030/j.cjee.202302002
引用本文: 胡星路, 熊杰, 张超艳, 郭晓欣, 周友亚, 李海明. 基于层次分析法-熵权法的污染地块异味污染物优先度评价方法——以农药类污染地块为例[J]. 环境工程学报, 2023, 17(6): 1923-1936. doi: 10.12030/j.cjee.202302002
HU Xinglu, XIONG Jie, ZHANG Chaoyan, GUO Xiaoxin, ZHOU Youya, Li Haiming. Priority evaluation method of odor pollutants in contaminated sites based on analytic hierarchy process and entropy weight method: A case study of pesticide contaminated sites[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(6): 1923-1936. doi: 10.12030/j.cjee.202302002
Citation: HU Xinglu, XIONG Jie, ZHANG Chaoyan, GUO Xiaoxin, ZHOU Youya, Li Haiming. Priority evaluation method of odor pollutants in contaminated sites based on analytic hierarchy process and entropy weight method: A case study of pesticide contaminated sites[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2023, 17(6): 1923-1936. doi: 10.12030/j.cjee.202302002

基于层次分析法-熵权法的污染地块异味污染物优先度评价方法——以农药类污染地块为例

    通讯作者: 李海明(1971—),男,博士,教授,lhm@tust.edu.cn
    作者简介: 胡星路 (1997—) ,男,硕士研究生,3337628790@qq.com
  • 1. 天津科技大学海洋与环境学院,天津 300457
  • 2. 生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心,北京 100012
基金项目:
国家自然科学基金资助项目 (41977377) ;国家重点研发计划—土壤专项资助项目 (2018YFC1803001)

摘要: 土壤中异味污染物的风险管控已成为我国农药化工等行业污染地块环境管理的迫切需求。为筛查土壤优先控制异味污染物,研究基于土壤中挥发性异味污染物的迁移、暴露过程和危害效应的系统量化与分析,建立了污染地块异味污染物优先度评价指标体系;采用层次分析法-熵权法确定指标综合评价权重,分析了异味污染物优先度的影响因素,并选取3个农药类案例地块进行验证性评价。结果表明,构成地块异味污染物优先度排序指标体系第二层次的4个准则中,影响程度从高到低为:危害性、迁移性、防护性与暴露性;第三层次15个要素主客观综合权重范围为0.033 6~0.149 6,其中嗅阈值权重最高。案例地块异味污染物基于层次分析法-熵权法的优先度评价等级与基于实测数据通过异味活度值和健康风险影响评价的等级具有一致性。本研究结果可为异味污染地块优先控制异味污染物的筛查提供参考。

English Abstract

  • 农药化工类行业生产原辅料及产物中含有大量异味污染物,因跑冒滴漏和突发事故可能对土壤与地下水造成污染[1]。现阶段我国污染地块主要采用基于健康风险的管理思路,暂未对异味污染物提出明确的风险管控要求[2]。实际地块修复与再开发过程中,施工扰动可能造成土壤中异味污染物挥发扩散,并对周边环境和人群造成污染与影响[3-5]。因此,开展异味污染物风险管控已成为污染地块环境管理的迫切需求。

    异味污染物种类众多、且对人体嗅觉刺激不一[6],提出地块优先控制异味污染物筛查和评价方法,制定土壤异味污染物优先控制名录,是指导异味污染物调查与评估工作、有效避免和消除异味污染的重要前提。国内外提出的大气和水环境优先污染物名录确定过程一般为筛选待评估污染物清单、对清单中的污染物开展环境风险评估并进行优先度排序、确定应优先管理的污染物[7]。优先度排序的具体做法是基于污染物的危害性、暴露性、风险性等因素选择评价指标[8],建立优先污染物的评价指标体系,进而采用主观赋权法 (如层次分析法、专家打分法等) [9-11]、客观赋权法 (如熵权法、模糊集理论、主成分分析法等) [12-13]和综合赋权法[14-17]等确定评价指标的权重并进行打分排序。其具体指标的选取主要考虑区域或行业污染物产生、排放与暴露的总体特征,而较少考虑地块水文地质条件、企业环境管理水平等方面的个体差异。孟洁等[18]和马妍等[19]采用异味活度值与异味贡献率筛查了土壤中的主要异味污染物,具体做法是借助土壤气样品的全扫描结果,确定异味污染物清单;利用近土壤环境空气的各污染物质量浓度,计算其异味活度值并进行排序;计算总异味活度值和各污染物的异味贡献率,最终以累计贡献率超过90%为依据确定主要异味污染物。但这一方法需借助大量现场监测数据,所需时间长、成本高,且异味污染物筛查滞后于调查采样工作,无法有效指导现场调查工作。

    本研究旨在综合考虑地块土壤特性、水文地质条件及企业环境管理水平等地块个性化要素,借助层次分析法与熵权法,考虑主客观因素,对场地污染土壤中异味污染物的危害程度、暴露水平、在各介质中的迁移分配以及地层防护能力等相关要素进行系统量化、分析和评价,拟建立地块尺度的异味污染物优先级排序评价方法,并在3个农药异味地块开展实证研究,以期为地块优先控制异味污染物的筛查和名录建立提供参考。

    • 地块异味污染物优先度评价指标体系的构建可通过3个层次实现:第一层次为目标层 (A) ,即预定的目标或理想结果;第二层次为准则层 (B) ,包含了为实现目标所涉及的中间环节,包括所需考虑的准则和子准则;第三层次为要素层 (C) ,即为实现目标所考虑准则下的具体要素。

      农药行业地块土壤中异味污染物对暴露人群的健康和嗅觉器官造成影响需经历以下过程:1) 生产过程泄漏等造成污染物下渗并污染土壤[20-21];2) 土壤中污染物解吸挥发至气相,在非饱和带土壤中向上迁移;3) 气态异味污染物从地表进入大气,在呼吸区混合迁移,被人群吸入[22]。基于上述污染物产生、迁移和暴露过程,设置危害性、暴露性、迁移性和防护性4个准则评价异味污染物的优先度,分别表征污染物的异味潜在影响与健康毒性、污染物潜在暴露量、污染物迁移能力和地块防护土壤污染的能力。每一准则可细分为3~5项主要评价指标,评价指标体系如图1所示。

    • 将上述每个评价指标分为5级,按影响程度分别赋值1~5分,其中1为无影响、2为低度影响、3为中度影响、4为高度影响、5为极高影响[23-30],对于数据不足的指标赋分3分。指标的分级与赋值方法如表1所示。

    • 采用层次分析法与熵权法相耦合的综合赋权法 (层次分析法-熵权法) 确定评价指标权重值,其优点是既考虑了基于实际经验的人为主观判断排序,又考虑了基于真实数据的客观权重,减少了主客观因素带来的误差,使评价结果更符合客观实际[31-32]

      1) 指标主观权重。采用层次分析法计算指标的主观权重,可基于人为主观判断各评价指标间的相对重要性排序,步骤包括构建层次结构模型、建立判断矩阵、一致性检验和权重计算[33-36]。①根据层次分析法的应用准则,以及目标层、准则层与要素层的相对关系,建立污染地块异味污染物优先度评价的递阶层次结构模型 (图1) 。②采用1~9标度理论,根据评价指标之间的重要程度进行评价指标两两比较,构造各层级间的判断矩阵。③根据SAATY[37]提出的RI值表,计算判断矩阵的一致性比例CR,包括层次单排序一致性检验与层次总排序一致性检验,当CR<0.1则认为判断矩阵满足一致性条件,说明权重分配合理。④将准则层权重值与要素层权重值相乘,得到指标的主观权重值 $ {W}_{j}^{\alpha } $ 。CR、CI与 $ {W}_{j}^{\mathrm{\alpha }} $ 的计算如式(1)~式(3)所示。

      式中:CR为判断矩阵的一致性比例,无量纲;RI为平均随机一致性指标,无量纲;CI为判断矩阵一致性指标,无量纲。

      式中:λmax为判断矩阵最大特征根,无量纲;n为判断矩阵阶数,无量纲。

      式中: $ {W}_{j}^{\alpha } $ 为要素层j指标对于目标层的层次总排序权重值,无量纲; $ {w}_{z}^{\mathrm{B}} $ 为准则层中z准则对于目标层的层次单排序权重值,无量纲; $ {w}_{j}^{\mathrm{C}} $ 为要素层中j指标对于所对应准则层的层次单排序权重值,无量纲。

      2) 指标客观权重。采用熵权法计算指标客观权重,可反应评价指标真实数据的贡献,具体步骤包括构建原始数据矩阵、原始数据矩阵标准化、信息熵计算及客观权重值确定[38-39]。①选取土壤污染信息,对15个评价指标进行赋值,构成原始数据矩阵 $ {x}_{ij} $ 。②对原始数据矩阵进行标准化处理,构建标准化矩阵 $ {X}_{ij} $ 。③计算各指标的信息熵 $ {\mathrm{E}}_{j} $ 。④计算各指标权重值 $ {W}_{j}^{\mathrm{\beta }} $ $ {X}_{ij} $ $ {\mathrm{E}}_{j} $ $ {W}_{j}^{\mathrm{\beta }} $ 的计算公式如式(4)~式(6)所示。

      式中: $ {x}_{ij} $ 为第i个地块的第j项指标的实际取值构成的原始数据矩阵,无量纲; $ {X}_{ij} $ 为标准化矩阵,无量纲; $ \text{max}\text{ (}{x}_{j}\text{) } $ 为第j项指标在i个地块中的上限值,无量纲; $ \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n} ({x}_{j}) $ 为第j项指标在i个地块中的下限值,无量纲。

      式中: $ {\mathrm{E}}_{j} $ 为信息熵,无量纲;n为污染地块的数量,无量纲。

      式中: $ {W}_{j}^{\mathrm{\beta }} $ 为基于熵权法计算的客观权重,无量纲;m为要素层中评价指标个数,无量纲。

      3) 指标综合权重。综合层次分析法确定的主观权重值 $ {W}_{j}^{\mathrm{\alpha }} $ 与熵权法确定的客观权重值 $ {W}_{j}^{\mathrm{\beta }} $ ,计算各指标的综合权重值,构建综合权重向量 $ {\mathrm{R}}_{j} $ ,反应各指标对异味污染物优先度的影响程度, $ {\mathrm{R}}_{j} $ 越大表示该指标对异味污染物优先度的影响程度越高。 $ {\mathrm{R}}_{j} $ 的计算公式如式(7)所示。

      式中: $ {\mathrm{R}}_{j} $ 为基于层次分析法-熵权法计算的综合权重值,无量纲;μ为分布系数,无量纲。

      在偏差的平方和最小的前提下,主观权重和客观熵权重分别占50%,主客观权重值对评价指标重要性是一致的[40-41],即μ=0.5。

    • 将异味污染物评价指标赋值与该指标权重的乘积进行加和,得到污染地块异味污染物优先度评价分值,如式(8)所示。

      式中:G为异味污染物优先度评价分值; $ {\mathrm{C}}_{j} $ 为异味污染物评价指标赋值。

      优先度等级根据异味污染物对人体健康与嗅觉产生影响的程度采用3级评分制,各等级中具体评价分值区间的对应关系如表2所示。根据计算的异味污染物优先度评价分值,按照表2对应关系进行综合评价。

    • 研究选取山东某农药厂 (地块a) 、广州某农药化工厂 (地块b) 与苏州某农药化工厂 (地块c) 3个异味污染地块作为验证案例,通过查询案例地块土壤污染状况调查与风险评估报告等资料,获取土壤中异味污染物质量分数实测值。采用异味活度值和健康风险影响度表征土壤中异味污染物对暴露人群的嗅觉感官和健康风险的影响程度,划分并确定案例地块异味污染物的影响等级,并与基于优先度评价结果进行对比验证。

      1) 异味活度值计算方法。采用异味活度值表征土壤中异味污染物对人体嗅觉感官的影响程度,异味活度值表征污染物在空气中的暴露质量浓度与其嗅阈值之间的比值,异味活度值越大说明该污染物异味影响越明显[2]。污染物异味活度值计算如式(9)所示。

      式中:OVA为异味污染物异味活度值,无量纲;Cair为异味污染物空气暴露质量浓度,mg·m−3Cthr为异味污染物嗅阈值,mg·m−3

      将污染物室内空气暴露质量浓度与土壤污染物质量分数的比值定义为挥发因子,故Cair计算如式(10)~式(14)所示。

      式中:Cs为土壤中异味污染物质量分数,mg·kg−1;VFsubia1为下层土壤中污染物扩散进入室内空气的挥发因子 (算法1),kg·m−3;VFsubia2为下层土壤中污染物扩散进入室内空气的挥发因子 (算法2),kg·m−3;VFsubia为土壤中污染物扩散至室内空气的挥发因子 (取算法1与算法2的较小值),kg·m−3Dseff为土壤中气态污染物的有效扩散系数cm2·s−1Ksw为土壤-水中污染物分配系数cm3·g−1H为污染物亨利常数,无量纲;LS为下层污染土壤上表面到地表距离,cm;dsub为下层污染土壤厚度,cm;Da为污染物在空气中的扩散系数,cm2·s−1Dw为污染物在水中的扩散系数,cm2·s−1Koc为土壤-有机碳分配系数,cm3·g−1,其余参数定义及取值如表3所示。

      2) 健康风险评价方法。健康风险影响度是土壤中污染物质量分数与风险筛选值之间的比值。健康风险影响度越大,说明该污染物产生的健康风险对暴露人群的影响程度越大[42]。健康风险影响度的计算如式(15)所示。

      式中:HRV为污染物健康风险影响度,无量纲;Csoil为土壤中异味污染物质量分数,mg·kg−1Csoil, screeing为异味污染物的风险筛选值,mg·kg−1,参考《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准 (试行) 》 (GB 36600-2018) [43]中土壤污染风险筛选值和依据《建设用地土壤污染状况调查技术导则》 (HJ25.3-2019) [42]技术方法推导计算的土壤污染风险筛选值。

    • 1) 主观权重计算结果。以准则层B为例,通过专家评分结果,构造目标层A与准则层B中4种指标的判断矩阵D1,进行一致性检验与准则层权重值计算,如表4所示。经验证,判断矩阵随机一致性比率CR<0.1,因此所构建判断矩阵一致性可接受,主观权重分配合理,主观权重值如表5所示。

      2) 客观权重计算结果。①选取地块a~c的土壤污染信息,取其平均值,对15个评价指标进行赋值,构成原始数据矩阵 $ {x}_{ij} $

      ②对原始数据矩阵标准化处理,得到矩阵 $ {X}_{ij} $

      ③计算得到信息熵 $ {E}_{j} $

      ④根据公式(6)得到指标的客观权重 $ {W}_{j}^{\beta } $ ,见表5

      3) 主客观权重分配结果。根据评价指标的重要性和主客观权重贡献率,确定指标的综合权重分配,见表5。结果显示,4个准则层指标在评价指标体系中所占权重比例从高到低为危害性 (0.327 7) 、迁移性 (0.256 7) 、防护性 (0.233 9) 、暴露性 (0.181 6) 。危害性指标中嗅阈值贡献最大,高达0.149 6,它是异味污染物对人体嗅觉潜在刺激的最直观表现。其次为迁移性指标,污染物在三相分配过程中越容易赋存于土壤气相中,就越容易向上扩散至空气中,影响暴露人群,而影响三相分配平衡的最主要因素是亨利常数 (0.082 2) 和饱和蒸汽压 (0.074 4) 。防护性越好,有机物向上挥发扩散能力越差,含水率、有机质质量分数、渗透系数、孔隙度和地下水水位对挥发性异味污染物的迁移扩散均有一定程度的影响[29, 44-46]。在暴露性指标中,年使用量/年生产量占比最大 (0.068 3) ,它反映了异味污染物的潜在污染量。

    • 1) 异味污染物初步筛选清单。案例地块a~c均曾作为农药化工企业的生产用地,企业生产过程中污染物的跑冒滴漏对地块土壤和地下水造成污染。根据原企业生产工艺流程、产品、原辅材料与中间产物,确定异味污染物的初步筛选清单,如表6所示。

      2) 异味污染物优先度评价结果。通过查询案例地块土壤污染状况调查报告与风险评估报告中的污染数据和水文地质条件,以及污染物毒理学参数库和污染物理化性质参数库[47-50],得到案例地块各评价指标数据并进行赋值,如表7所示。

      对3个案例地块土壤中异味污染物进行优先度评价如图2所示。由图2可知,地块a、地块b和地块c的各异味污染物优先度评价得分范围分别为2.626~3.625、2.710~3.514和2.808~3.672。对比异味污染物优先度等级分值,可以判断地块a、b、c中优先级为高风险 (得分≥3.5) 的异味污染物种类分别为地块a有8种、地块b有2种、地块c有8种,具体为甲硫醚、二甲基二硫醚、三氯甲烷、三氯乙烯、甲苯、苯、氯乙烯、噻吩、1,2-二氯乙烷、间/对二甲苯、乙苯。其中甲硫醚、二甲基二硫醚在案例地块a与地块c中优先度评价得分均为最高,这与马妍等[19]的研究结果一致。

      3个案例地块中异味污染物优先度评价准则层的贡献率并不一致,地块a与地块b从高到低为危害性、迁移性、防护性、暴露性;地块c从高到低为危害性、防护性、迁移性、暴露性。但3个地块中的危害性指标,尤其是危害性指标中的嗅阈值要素占绝对最高比重,分别为13.72%、13%和13.98%。

      同一异味污染物在不同地块优先度评价中的暴露性与防护性准则指标得分存在差异,导致其优先度评分不同,如地块a、地块b和地块c中三氯甲烷的异味优先度评分分别为3.625 0、3.183 0和3.542 2。造成差异的原因为地块a原企业的生产时间长、规模大,增加了异味污染物对人群暴露的可能性与潜在暴露量,导致地块a暴露性准则评分相比地块b与地块c分别提高了118.5%、29.3%;地块c的渗透系数较高、孔隙度较大,异味污染物较易向上挥发迁移扩散[44-47],致使地块c防护性准则评分相比地块a与地块b分别提高了20.7%、28.8%。

      3) 优先度验证分析。基于案例地块土壤中异味污染物的实测质量分数,参考1.5节式(9)与式(15)计算各污染物的异味活度值和健康风险影响度,以100和1作为影响度高、中、低3个等级划分依据,如表8所示。确定异味污染物的实际异味活度值与健康风险影响度,并与异味优先度评价结果进行对比分析,如图3所示。

      图3可知,各异味污染物优先度等级与基于实测数据的异味活度值和健康风险影响风险等级的分布具有一致性。高优先度 (评分≥3.5) 异味污染物的实际异味活度值和健康风险影响度分布于高风险区,中、低优先度 (评分<3.5) 异味污染物的实际异味活度值和健康风险影响度分布于中、低风险区。异味和健康风险对污染物的优先级均有重要影响,危害性准则中嗅阈值指标的评分占比高于致癌斜率因子和非致癌参考浓度的异味污染物分布于图3的中 (异味) 风险与高 (异味) 风险区,在实际地块中异味影响大于健康风险影响;危害性准则中致癌斜率因子和非致癌参考浓度指标的评分占比高于嗅阈值的异味污染物分布于图3的中 (健康) 风险与高 (健康) 风险区,在实际地块中健康风险影响大于异味影响。这与张施阳等[2]的研究结果一致,苯的异味活度值远高于健康风险影响度,当空气中苯质量浓度引起人嗅觉感知时,其健康风险已超过可接受水平。

      综上可知,本研究异味污染物优先度评价结果在一定程度上符合实际地块污染物对人体的异味和健康风险影响等级,说明该优先度评价体系具有一定的合理性。

    • 1) 在地块异味污染物优先度评价的4个准则层中,指标综合权重从高到低为:危害性、迁移性、防护性与暴露性。这表明,危害性是影响异味污染物优先度评价的主要因素。指标综合权重的计算结果与实际情况相符。

      2) 同一异味污染物在不同地块的优先度评分不同,防护性与暴露性是造成不同地块评价结果差异的主要因素,其影响了异味污染物由土壤至空气的迁移扩散程度和对人群暴露程度。

      3) 案例地块基于层次分析法-熵权法计算的异味污染物优先度等级与异味活度值、健康风险影响度风险等级的分布具有一致性,表明基于层次分析法-熵权法的污染地块异味污染物评价体系具有合理性,可为地块调查工作中关注异味污染物名录的确定提供科学依据。

    参考文献 (52)

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