海綿城市建設背景下住宅小區雨水綜合利用評價

方 宇 婷

(深圳大學建筑與城市規劃學院，廣東 深圳 518060)

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海綿城市建設背景下住宅小區雨水綜合利用評價

方 宇 婷

(深圳大學建筑與城市規劃學院，廣東 深圳 518060)

針對雨水綜合利用多屬性、多指標的特點，提出了一種改進的TOPSIS評價方法，引入信息熵計算了各評價指標的權重，建立了基于熵權的綜合評價模型，并將該方法應用于某住宅小區雨水綜合利用評價中，結果表明，該評價方法計算過程清晰、評價結果合理。

海綿城市，信息熵，TOPSIS法，住宅小區，雨水利用

習近平在中央城鎮化工作會議上提出了海綿城市建設的問題，要求在提升城市排水系統時要優先考慮把有限的雨水留下來，優先考慮利用綠色基礎設施進行排水，建設生態積存、生態滲透、生態凈化的“海綿城市”[1]。2015年我國開展全國首批海綿城市建設試點，旨在促進資源環境與經濟建設的協調發展。在國家鼓勵建設“海綿城市”的背景下，許多土地開發商、企事業等單位在住宅小區建設過程中，也開始認識到雨水綜合利用的重要性。

在居住區雨水綜合利用系統或技術措施建立過程中，都會涉及到雨水利用工程設計方案的優選問題。由于城市雨水利用可以緩解城市水資源短缺、減輕城市洪澇災害的發生，更重要的是改善了城市生態環境、提升城市可持續發展能力[2]。因此在設計方案評價時，既要考慮經濟效益方面，也要考慮社會效益和環境效益。

雨水綜合利用評價受技術、經濟和管理等諸多因素影響，是一個多指標的綜合評價，因此，不能使用傳統的主觀評價方法。在雨水綜合利用評價的研究中，國內外學者近些年來先后提出了模糊綜合評判[3]、灰色系統理論[4]、可拓評價[5]等多種方法。

筆者針對雨水綜合利用工程設計方案的多指標特征，提出了一種基于信息熵的逼近理想解排序評價法(TOPSIS)，它避免了傳統評價法在判定評價指標的權重因子時采用層次分析法或專家意見調查法造成主觀因素的不利影響，解決了雨水利用設計方案的選擇問題，為制定小區總體規劃或小區景觀設計提供了決策支持，為雨水收集利用的實踐提供科學依據。

1 TOPSIS評價模型

1.1 標準TOPSIS

TOPSIS是有限方案多目標決策分析中一種常用的有效方法。它的基本原理是通過檢測評價對象與最優解、最劣解的距離來進行排序。假如評價對象最靠近最優解同時又離最劣解最遠，則是最好的；否則評價對象就不是最好的。其中最優解的各指標值都達到各評價指標的最優值；最劣解的各指標值都達到各評價指標的最差值。該法有著較為簡單的概念、明確的計算過程、合理的評價結果，因此在多指標評價中得到廣泛應用。使用TOPSIS法進行評價時建模步驟如下[6]：

假設有m個目標，每個目標都有n個屬性，則多屬性決策問題的數學描述如下：

1)決策矩陣。設多指標決策問題的方案集、指標集分別為：M=(M1,M2,…,Mm)，C=(C1,C2,…,Cm)，方案Mj對指標Ci的值記為xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m),則可形成初始判斷矩陣：

(1)

2)無量綱化決策矩陣。歸一化處理判斷矩陣后,得到歸一化判斷矩陣：

(2)

(3)

其中,xjmax,xjmin分別為同一指標下各個方案中第j個指標值的最大值以及最小值。

3)構造規范化的加權決策矩陣。將各指標的權重與形成的無量綱化矩陣相乘，可得到加權決策矩陣:

Z=(rij)m×n

(4)

4)確定理想解Z+和負理想解Z-：

至理想解的距離:

(5)

至負理想解的距離:

(6)

(7)

(8)

6)每個方案的相對接近度：

(9)

7)按每個方案的相對接近度Ci的大小排序，找出滿意解。Ci越大的時候，表示第i個評價單元越接近最優水平，反之越接近最劣水平。

1.2 使用熵值法進行指標權重的確定

熵值法是用來確定指標權重的一種方法。在客觀條件下，熵值法使用評價指標值構成的判斷矩陣來判斷指標權重。熵值法能盡量消除各因素權重的主觀性，因此使得評價結果更客觀。根據熵的定義，當m個方案n個評價指標時，其評價指標的熵為：

(10)

其中，

(11)

計算評價指標的熵權W：

W=(ωj)1×n

(12)

2 評價實例

某小區規劃用地面積為2.93萬m2，其中建筑物、道路與停車場、綠地占地面積分別為5 925 m2，8 995 m2，14 400 m2。小區地勢平坦，土壤滲透系數平均為5×10-5m/s，地下水埋深12 m，適宜于進行雨水滲透。小區內主要建筑物為3層～4層的瓦屋面別墅，屋面雨水水質良好，且方便收集作為中水補充水源[7]。根據小區條件和用水要求，設計了以下4種雨水綜合利用方案：①通過鋼筋混凝土圓管直接排放；②滲透管滲透+排放；③高花壇+低綠地+淺溝、滲透渠滲透；④中水利用+淺溝滲透。每種方案有7個評價指標：工程造價(C1)、運行費用(C2)、污水治理節省費用(C3)、市政工程節省費用(C4)、節水費用(C5)、環境效益(C6)、社會效益(C7)。

工程設計方案的基本資料見表1。

表1 某小區雨水綜合利用工程設計方案

應用TOPSIS 評價法對該小區雨水綜合利用工程設計方案進行評價研究。具體的分析過程如下：

1)計算各個指標的權重。首先將主觀評價指標量化，再對原始數據進行處理，將指標C6，C7量化為9級；評語集為：最好，很好，好，較好，一般，較差，差，很差，最差；相應的評價值分別為：1，0.875，0.75，0.625，0.5，0.375，0.25，0.125，0。

評價指標值C1，C2屬于成本型指標，按式(3)進行歸一化；C3～C7屬于效益型指標，按式(2)進行歸一化。處理后得到判斷矩陣B：

2)根據式(10)計算評價指標的熵值。

Hj=(0.909，0.998，0.998，0.951，0.951，0.880，0.879)。

3)根據式(12)計算指標的權重。

ωj=(0.212，0.002，0.002，0.110，0.110，0.278，0.282)。

4)計算理想解與負理想解。

根據式(5)可知，決策矩陣的理想解為：Z+=(0.134 5，0.007，0.007，0.106 8，0.066 6，0.207 2，0.209 5)；

根據式(6)可知，決策矩陣的負理想解為：Z-=(0,0,0,0,0,0,0)。

5)計算歐氏距離。

由式(7)可知，4個工程設計方案和理想解的歐氏距離為：D+=(0.294 6，0.181 1，0.134，0.164 7);

由式(8)可知，4個工程設計方案與負理想解的歐氏距離為：D-=(0.184 2，0.191 7，0.290 6，0.269 4)。

6)貼近度的計算及排序。

根據式(9)計算雨水綜合利用工程4個設計方案的貼近度(見表2)。

表2 4個工程設計方案貼近度及排序

由計算結果可知，4個方案的綜合效益按貼近度從小到大排序依次為：方案③、方案④、方案②、方案①，由此可以看出方案③為最優方案，評價結果與文獻[7]的結果相吻合。這表明TOPSIS 綜合評價方法概念清晰、計算方便、評價結果可靠。

方案③采用了雨水滲透組合設施，屋面雨水流入高處花壇，經拌和土滲透凈化，再與小區道路雨水匯入低洼綠地，通過截污墻后流入滲透淺溝；若雨量過大，雨水通過滲透渠繼續下滲，過量的雨水最后排入市政管網。

從表1可以看出：方案③與方案②的單位工程造價和運行費用相當，方案①最低，方案④最高；污水治理、市政工程節省費用以及節水費用中，方案③均為最高，說明該方案不但減少了污水治理、市政工程的費用支出，而且雨水利用率高、節水效果顯著；社會效益、環境效益等間接效益，方案④最高，方案③次之，方案①最低。

方案③是通過高花壇+低綠地+淺溝、滲透渠滲透來提高雨水的綜合利用，效果最好，說明這種滲透組合設施的雨水利用設計方案是值得推薦的。

3 結語

采用基于信息熵的TOPSIS模型對城市住宅小區雨水資源利用進行綜合評價研究，它避免了確定權重的主觀性的不利影響，能夠提高TOPSIS法的合理性和準確性。這種方法和其他評價方法相比，過程簡便,結果科學，能為多目標決策提供新的途徑。

雨水綜合利用的效益是多方面的，更多地表現為社會效益、生態效益等間接效益。在制定雨水利用工程設計方案時，應綜合考慮其產生的社會經濟、環境生態方面的效益，以促進城市建設的可持續發展。

通過對多方案的雨水綜合利用評價，當住宅小區采用屋面雨水收集設施、高處花壇、可滲透路面、低洼景觀綠地、滲透溝渠等綜合雨水工程措施時，能夠依托地形更好地實現對雨水的綜合利用，形成雨洪調蓄樞紐的雨水綜合利用系統。通過建設綠色基礎設施，讓城市能夠像生態“海綿”一樣涵蓄和吸收水資源，進而減少城市洪澇災害，推動生態宜居城市的建設。

[1] 高 峰.建設海綿城市 還水于自然[J].綠色中國,2015,35(22):51-52.

[2] 曾金鳳.萍鄉市海綿城市發展需求與建設思路初析[J].人民長江,2015,46(22):17-21.

[3] 王彩娟,徐得潛.城市雨水利用系統的模糊層次綜合評價[J].工業用水與廢水,2009,22(5):15-18.

[4] 趙玲萍,雷春生,張鳳娥，等.灰色模糊綜合評價法在城市雨水利用系統中的應用[J].節水灌溉,2011,18(12):57-58.

[5] 張新波,趙新華,洪 韜，等.基于可拓學的城市雨水利用設計方案評價[J].中國給水排水,2006,22(19):105-108.

[6] 張先起,梁 川,劉慧卿.基于熵權的改進TOPSIS法在水質評價中的應用[J].哈爾濱工業大學學報,2007,39(10):1672.

[7] 李俊奇,車 武,孟光輝,等.城市雨水利用方案設計與技術經濟分析[J].給水排水,2001,21(12):25-28.

The evaluation of integrative utilization of rainwater in residential community under the background of sponge city construction

Fang Yuting

(ShenzhenUniversityCollegeofArchitectureandUrbanPlanning,Shenzhen518060,China)

According to the characteristics of rainwater comperehensive untilization, multi attributes, the paper provided an improved TOPSIS evaluation method. An information entropy to calculate the weight coefficient of index is introduced and this comprehensive evaluation model based on entropy is established. The method is applied to an evaluation of rainwater integrative utilization in a residential community. The results show that the process of calculation is clear and the evaluation result is reasonable.

sponge city, information entropy, TOPSIS method, residential community, rainwater utilization

1009-6825(2016)20-0116-03

2016-05-07

方宇婷(1991- )，女，在讀碩士

TU991.14

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