将环境足迹分析（Environmental Footprint Analysis）与层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）相结合，用于原位地下水修复的可持续决策制定

《Journal of Cleaner Production》：Integrating environmental footprint analysis and analytic hierarchy process for sustainable decision-making for in situ groundwater remediation

绿色可持续修复（GSR）技术评估框架整合生命周期环境影响计算工具（SEFA）与层次分析法（AHP），用于量化四种地下水污染治理技术（GRC、ISCO、ISAC、PRB）的环境足迹并确定优先级。研究发现ISAC和ISCO在材料消耗（71-106吨）、能耗（1.85-1.94×10^6 MJ）和碳排放（81-83吨CO?当量）方面最优，水耗仅为GRC的三分之一，PRB无需工艺用水。该框架通过融合定量环境分析与专家权重机制，为污染场地修复决策提供透明、可扩展的方法论。

　　

桑春辉|杨新通|张洪振|张春龙|朱美洁|李向兰|贾英洛|聂宇欣|董静琪|夏凤英

北京师范大学地理科学学院，中国北京100875

摘要

绿色和可持续修复（GSR）在管理受污染场地时对于平衡环境保护需求和技术效率至关重要；然而，缺乏有效的定量工具限制了对GSR技术的评估和选择。本研究旨在通过将环境足迹分析电子表格（SEFA）与层次分析法（AHP）相结合，建立一个框架，以促进场地修复的决策。SEFA通过涵盖材料使用、水消耗、能源消耗和空气排放来量化生命周期环境足迹，而AHP则通过专家加权标准对技术进行优先排序。该新框架被用于评估中国山东省滨州市一个受2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）污染场地的四种假设性原位修复技术：地下水风险控制（GRC）、原位化学氧化（ISCO）、原位活性炭吸附（ISAC）和渗透性反应屏障（PRB）。我们的结果表明，根据综合指数（CI），这些技术的可持续性存在明显差异：ISAC（0.16）≈ ISCO（0.18）< PRB（0.47）< GRC（2.31）。ISAC和ISCO被确定为最优的GSR策略（即CI最低），其材料使用量（71–106吨）、能源消耗（1.85–1.94 × 10⁶ MJ）和温室气体排放（81–83吨CO₂-eq）最低。它们的水消耗量不到GRC所需量的三分之一，而PRB在运行过程中不需要用水。通过整合定量指标和专家加权优先级，该框架为政策制定者提供了一个强大且透明的工具，用于以GSR为导向的决策，并有望纳入社会经济因素和利益相关者参与，从而进一步提高SEFA–AHP方法的适用性。

引言

地下水是一种重要的全球淡水资源，但由于城市化、集约化农业、工业运营和气候变化的综合作用，其质量持续下降（Karunanidhi等人，2022年）。这导致了全球浅层和深层含水层的普遍污染（Lall等人，2020年），自20世纪70年代末以来在北美和欧洲尤为明显。例如，英格兰东部一直面临以硝酸盐为主的地下水污染问题，而丹麦则面临严重的农药污染问题，到2020年，VCS-Denmark监测井中有27%的农药浓度超过了0.1 μg/L的阈值（Foster和Bjerre，2023年）。中国也面临着类似的地下水质量挑战。根据《国家城市饮用水安全保障计划》（2006–2020年）的评估，大约20%的城市集中式地下水来源未达到III类标准（GB/T 14848-2017；中国，2017年），这些标准是国家规定的集中式饮用水源和工业/农业用途的最低质量阈值。这种污染程度对公共卫生、农业生产和生态系统稳定性构成了严重威胁，亟需采取修复措施。

《超级基金修复报告》记录了2018年至2020年间美国118个受污染地下水场地中有47%使用了原位修复技术（USEPA，2023年）。常用的原位修复技术包括原位化学氧化（ISCO）、渗透性反应屏障（PRB）、生物修复、原位活性炭吸附（ISAC）和监测自然衰减（MNA）（Padhye等人，2023年；Wei等人，2022年；Xia等人，2019年；Xiang等人，2024年）。与中国这一全球背景相一致，这些技术在中国也得到了越来越多的应用。针对典型的焦炭污染场地，已经建立了一个基于全规模项目和试点试验的地下水修复技术库，其中包括ISCO、PRB和MNA等核心策略（Wu等人，2024年）。这些方法现在广泛应用于地下水污染严重的地区，包括京津冀地区（Liu等人，2025年）。ISCO在多个方面具有优势，如适用污染物范围广、处理速度快、成本适中以及平均修复效率高达82.7%（Wei等人，2022年）。ISAC由于吸附过程中使用的吸附剂容量大，可以消除二次污染。MNA不需要修复基础设施，但实现清洁目标的过程较长。同样，生物修复可以是一种经济且可持续的选择，但其过程较慢（Yuan等人，2024年）。与传统修复技术相比，PRB在其使用寿命期间的维护成本较低（Padhye等人，2023年）。值得注意的是，38%的修复案例采用了地下水风险控制（GRC），主要侧重于拦截污染物迁移路径和受体保护措施，而不是快速降低地下污染物浓度（Meng等人，2025年）。

受污染场地的修复本身伴随着高排放和大量的能源需求（Vocciante等人，2021年），这导致人们越来越意识到其二次环境影响（Xiao等人，2024a）。这一认识促进了绿色和可持续修复（GSR）的发展，GSR旨在在最小化修复对生态系统和人类健康影响的同时最大化净环境效益（Hou和O’Connor，2020年；Xiao等人，2024a）。GSR实践成功的关键是可持续性评估方法。目前，GSR评估方法主要使用多标准决策分析（MCDA）（An等人，2017年）和生命周期评估（LCA）（Hellweg和Canals，2014年）。MCDA通过综合指数实现多指标整合（Zanghelini等人，2018年），但其对人工权重分配的依赖引入了主观性（Sang等人，2023年）。LCA提供了严格的供应链影响量化，但需要大量的数据输入和专业知识，这可能限制了其在早期决策或比较决策中的实用性（Anastasiadis和Tsolakis，2021年）。

在这种情况下，环境足迹分析电子表格（SEFA）作为一种简化评估工具应运而生，它能够以较低的数据负担量化关键的可持续性指标，非常适合用于筛选级评估（Sang等人，2023年）。将其纳入美国环境保护署的GSR协议中，突显了其实用性和作为修复决策支持方法的适用性（Huang等人，2016年）。尽管SEFA没有涵盖所有影响类别（如生态毒性和土地使用），但它提供了最关键环境维度的稳健和透明概览，包括能源、碳和资源消耗，这些是修复可持续性评估的核心（Khan等人，2021年）。因此，将SEFA与MCDA方法相结合，为平衡定量严谨性和决策适用性提供了有希望的途径。SEFA已成功应用于各种受污染场地，用于量化与修复相关的能源支出和碳足迹（Huang等人，2016年；Khan等人，2021年；Sang等人，2023年）。当与MCDA方法结合使用时，SEFA可以为决策者提供有效的环境影响评估工具，以在不同修复方案中进行选择。作为MCDA方法的主要组成部分，层次分析法（AHP）使用9点成对比较系统对标准和方案进行层次评估，通过特征向量分解生成标准化权重，以量化标准间的权衡并实现基于线性聚合的优先排序（Cinelli等人，2014年）。Gao等人（2023年）开发了一个基于生命周期的可持续性框架，使用AHP识别五种受污染尾矿稳定化的最佳策略。然而，定量环境足迹评估很少包含加权指标系统，这对于优先考虑特定情境的修复技术是一个重要限制。尽管SEFA和AHP已分别与其它模型成功结合，但文献中缺乏一个系统整合它们的框架，特别是将SEFA的定量足迹分析与AHP的多标准加权相结合的框架。本研究通过率先开发和验证一个集成的SEFA–AHP框架，填补了这一关键空白。

预计这一综合框架将通过解决独立应用的固有局限性而提供显著优势。它将定量足迹核算的客观性与结构化专家判断的灵活性相结合。虽然SEFA提供了稳健的数据驱动环境指标，但在特定场地可持续性目标的背景下缺乏优先排序这些经常冲突标准的机制（Khan等人，2021年）。AHP通过系统地整合专家得出的权重，将定性偏好转化为定量决策基础，弥补了这一不足（Cinelli等人，2014年）。因此，SEFA–AHP的整合被认为可以产生一个更全面、透明和适应性强的GSR决策工具，能够在科学严谨性与实际政策需求和利益相关者价值观之间取得平衡。

在这项研究中，我们旨在开发一个结合SEFA和AHP的综合框架，以评估中国一个受污染地下水场地的环境足迹并支持决策。通过这一框架，我们的目标是：（1）使用SEFA对四种假设性修复技术（GRC、ISCO、ISAC和PRB）的环境足迹进行精细建模和定量评估；（2）使用基于AHP的专家加权多标准评估，将多维环境数据系统地转化为可操作的优先级。从这个案例研究中开发的框架将有助于其在其他受污染场地的应用，通过提高客观性和可靠性来评估GSR，支持修复决策，并促进GSR的实践和发展。

部分摘录

场地描述

本案例研究在中国山东省滨州市的一个受污染场地进行（图1）。该场地于1999年6月建成用于农药制造设施，2005年5月停止运营并开始搬迁过程。经过三年的分阶段拆除，该场地在2008年完全拆除。根据相关城市规划，这块土地被指定用于未来的住宅开发，以满足城市扩张的需求。

环境足迹比较

量化并比较了四种修复技术对受污染场地的环境足迹，重点关注SEFA的核心要素（材料和废物、水、能源、空气）（表1）。GRC表现出最高的材料需求（1440吨），PRB表现出中等材料需求（896吨），而ISCO和ISAC的需求最低（分别为106吨和71吨）。根据本研究定义的过程参数和评估边界，没有任何一种修复技术...

在修复决策中整合SEFA与AHP的协同效益和局限性

整合的SEFA–AHP方法为受污染场地的修复建立了稳健的决策框架。在以往专注于生命周期或过程规模的研究基础上（Gao等人，2023年；Ong等人，2020年），当前框架通过在AHP结构中整合定量环境足迹分析，代表了方法上的进步，从而增强了其实际适用性。有三个明显的优势。

结论

本研究展示了集成SEFA–AHP方法在指导原位地下水修复策略选择和优化方面的有效应用。这一新框架为决策提供了稳健的方法，并促进了可持续修复实践。SEFA–AHP框架结合了定量环境数据和专家得出的优先级，使其成为一种透明且可转移的工具，适用于场地修复和其他决策场景。

CRediT作者贡献声明

桑春辉：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、正式分析、概念化。杨新通：撰写——审阅与编辑、资源、方法论、数据管理。张洪振：撰写——审阅与编辑、监督、资源、数据管理。张春龙：撰写——审阅与编辑、资源、数据管理。朱美洁：撰写——审阅与编辑、资源、数据管理。李向兰：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2022YFC3703300）的支持。