基于功效系數(shù)法的南京城市防洪規(guī)劃方案評(píng)價(jià)

王 超，楊 勇，李結(jié)華，王麗君

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 210000)

1 概述

防洪規(guī)劃是為防治某一流域、河段或者區(qū)域的洪水災(zāi)害而制定的總體安排，包括規(guī)劃目標(biāo)、原則、防洪工程措施的總體部署和防洪非工程措施規(guī)劃等內(nèi)容，是抵抗洪水災(zāi)害、保證生命財(cái)產(chǎn)安全的重要指導(dǎo)性文件[1]。隨著全球氣候變化、城市熱島效應(yīng)、人口增加、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等現(xiàn)象的出現(xiàn)，我國(guó)城市防洪面臨著許多新問(wèn)題[2]，有必要根據(jù)具體的變化情況調(diào)整城市防洪規(guī)劃方案[3]。城市防洪規(guī)劃方案的優(yōu)化選擇是一項(xiàng)多目標(biāo)多準(zhǔn)則的決策問(wèn)題，影響因素眾多，情況復(fù)雜多變，要采用科學(xué)合理的方案評(píng)價(jià)方法[4]。目前，城市防洪規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)方法包括模糊評(píng)價(jià)法、二元語(yǔ)義評(píng)價(jià)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、投影尋蹤法、和粗糙熵理論法等[5]，這些方法均未在城市防洪規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)中得到普遍認(rèn)可。功效系數(shù)法具有理論成熟、思路清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在商業(yè)、服務(wù)業(yè)、金融業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[6]。本文引入功效系數(shù)法用于城市防洪方案的評(píng)價(jià)中，構(gòu)建基于功效系數(shù)法的城市防洪規(guī)劃方案評(píng)估模型，并以南京市城市防洪規(guī)劃方案為例驗(yàn)證該模型的合理性。

2 防洪規(guī)劃評(píng)價(jià)案例與模型

2.1 研究區(qū)概況

南京市位于江蘇省西南部，地處長(zhǎng)江下游，地理坐標(biāo)為北緯31°14′～32°37′，東經(jīng)118°22′～119°14′，常住人口816.10萬(wàn)人，土地總面積6587.02km2。屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。多年平均年降水量1059.8mm，多年平均年水面蒸發(fā)量884.3mm，多年平均氣溫15.5℃，多年平均風(fēng)速3.6m/s，多年平均水資源總量9066億m3。境內(nèi)有三大主要水系，即長(zhǎng)江水系、淮河水系、太湖水系。長(zhǎng)江水系是南京市境內(nèi)最大的水系，可細(xì)分出四條水系，即長(zhǎng)江南京河段沿江水系、秦淮河水系、滁河水系、水陽(yáng)江水系。

2.2 防洪規(guī)劃方案

南京市城市防洪規(guī)劃的總體目標(biāo)是根據(jù)蘇南現(xiàn)代化建設(shè)示范區(qū)及南京經(jīng)濟(jì)社會(huì)現(xiàn)代化建設(shè)的總要求，針對(duì)《南京市城市總體規(guī)劃》確定的城市布局，依托長(zhǎng)江、秦淮河、滁河等流域防洪安排，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)流域防洪與城市防洪、城市防洪與排澇、防洪工程與城市基礎(chǔ)設(shè)施等方面的關(guān)系，構(gòu)建與城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)的“安全保障可靠、生態(tài)景觀良好、運(yùn)行調(diào)度高效”的現(xiàn)代化城市防洪減災(zāi)體系。以此目標(biāo)為導(dǎo)向，南京市城市防洪擬定了4個(gè)規(guī)劃方案，主要差別在于秦淮河流域南京段的工程布置。

(1)方案A：保持現(xiàn)狀不變。

(2)方案B：全線加高加固干、支流堤防。

(3)方案C：擴(kuò)挖秦淮河干流、秦淮新河和加固干流局部堤防相結(jié)合。

(4)方案D：新開(kāi)分洪河道和加固干流局部堤防相結(jié)合。

2.3 防洪規(guī)劃方案評(píng)價(jià)模型

基于功效系數(shù)法評(píng)價(jià)南京市城市防洪規(guī)劃不同方案的合理性，該方法可以從不同側(cè)面進(jìn)行分析判斷的綜合評(píng)價(jià)和多目標(biāo)決策方法[7]，主要分4步：建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、確定功效要素值、計(jì)算單項(xiàng)功效系數(shù)、評(píng)估總功效系數(shù)。

基于城市防洪的基本影響與限制因素，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H，遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、代表性、可行性、獨(dú)立性等原則，構(gòu)建了南京城市防洪規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 防洪規(guī)劃方案評(píng)價(jià)模型

在該體系中，“拆遷移民”、“生命安全”、“河道堤防”、“生態(tài)環(huán)境”等要素可稱為“功效要素”，所對(duì)應(yīng)的值為“功效要素值”。各方案的功效要素值及其權(quán)重主要采取專家打分法確定。邀請(qǐng)南京市水利主管單位代表、水利咨詢機(jī)構(gòu)代表、水利施工單位代表、高?？蒲袡C(jī)構(gòu)代表、民眾代表共10名專家進(jìn)行打分。分?jǐn)?shù)介于0～10之間，其中0～2表示“差”、2～4表示“一般”、4～6表示“良”、6～8表示“好”、8～10表示“優(yōu)”，最終根據(jù)平均值取值。

在該體系中，“實(shí)施條件”、“投資規(guī)模”、“工程效益”、“生態(tài)文明”可成為“單項(xiàng)功效指標(biāo)”，所對(duì)應(yīng)的值為“單項(xiàng)功效系數(shù)”。各方案的單項(xiàng)功效指標(biāo)值主要根據(jù)功效要素值及其權(quán)重來(lái)確定，其基本公式為：

fi=wi1pi1+wi2pi2

(1)

式中，fi—第i個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)值；pi1—第i個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)下的第1個(gè)功效要素值；wi1—對(duì)應(yīng)的權(quán)重值；pi2—第i個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)下的第2個(gè)功效要素值；wi2—對(duì)應(yīng)的權(quán)重值。

各方案的合理性程度可由“方案功效”來(lái)度量，在功效系數(shù)法中可稱為“總功效指標(biāo)”，所對(duì)應(yīng)的值為“總功效系數(shù)”。各方案的總功效系數(shù)主要根據(jù)功效指標(biāo)值及其權(quán)重來(lái)確定，其基本公式為：

F=W1f1+W2f2+W3f3+W4f4

(1)

式中，F(xiàn)—某個(gè)方案的總功效系數(shù)；fi—第i個(gè)單項(xiàng)功效指標(biāo)值；Wi—對(duì)應(yīng)的權(quán)重值。

單項(xiàng)功效指標(biāo)的權(quán)重值也是基于專家打分法確定的；實(shí)現(xiàn)工程效益是施行防洪工程與措施的主要目的，其權(quán)重值最大，為0.48；水生態(tài)文明是我國(guó)工程建設(shè)必須重點(diǎn)考慮的制約因素，其權(quán)重值也較大，為0.28；實(shí)施條件和投資規(guī)模主要為短期影響因素，且隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)實(shí)力的發(fā)展，其制約性已大幅下降，因此權(quán)重值相對(duì)較小，分別為0.16和0.09。

3 防洪規(guī)劃方案比較分析

3.1 防洪規(guī)劃方案功效要素值與單項(xiàng)功效系數(shù)

南京市各城市防洪規(guī)劃方案的功效要素值與單項(xiàng)功效系數(shù)值分別如圖2和圖3所示。

在工程效益方面，方案B雖然可實(shí)現(xiàn)行洪能力的提升，但卻提高了防洪水位，增大了流域和城市防洪風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)期會(huì)造成水位壅高、流速增大，易引起河道沖刷、建筑物消能設(shè)施破壞，危及河道、堤防、建筑物安全，因此對(duì)現(xiàn)狀方案(方案A)的提升幅度相對(duì)較小。方案C與方案D均可在流域規(guī)劃50年一遇標(biāo)準(zhǔn)下增加河道行洪能力約300m3/s，在保證生命財(cái)產(chǎn)安全方面功效最佳；其中方案C可解決主城、東山副城防洪和流域防洪問(wèn)題，而方案D除此之外還可解決仙林副城的防洪問(wèn)題，工程效益最優(yōu)。

圖2 防洪規(guī)劃方案功效要素值

圖3 防洪規(guī)劃方案單項(xiàng)功效系數(shù)

在生態(tài)文明方面，方案B將大幅改變當(dāng)前的河流狀態(tài)，造成水位抬高、河道沖刷等問(wèn)題，同時(shí)增高的堤防系統(tǒng)也嚴(yán)重影響河道與城市景觀，降低城市親水性，因此方案B將降低當(dāng)前的生態(tài)文明水平。方案C因?yàn)橐獢U(kuò)挖秦淮河干流和秦淮新河，也將對(duì)現(xiàn)有的河流生態(tài)造成一定影響，但擴(kuò)挖河流可在一定程度上提升城市景觀格局，因此優(yōu)于方案B。方案D采取新開(kāi)分洪河道的方式來(lái)增加行洪能力，這一方面避免對(duì)原有河流造成加大程度的影響，另一方面也可改善南京市的水系連通程度與景觀格局，因此為最佳方案。

在投資規(guī)模方面，方案B需要對(duì)原有的部分跨河橋梁、沿河碼頭、管線等涉河建筑物和市政設(shè)施進(jìn)行改造以適應(yīng)新的防洪水位要求，但由于不需要拓寬現(xiàn)有或開(kāi)挖新河道，其投資規(guī)模相對(duì)于方案C和方案D較小。若采用方案C，則河道堤防工程投資需10.6億元，市政設(shè)施復(fù)建工程投資80.1億元；若采用方案D，河道堤防工程投資28.3億元，市政設(shè)施復(fù)建投資41.3億元，因此總體上方案D的投資規(guī)模小于方案C。

在實(shí)施條件方面，方案B的主要難度在于涉河建筑物和市政設(shè)施改造方面，由于幾乎不需要進(jìn)行移民且實(shí)施經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)比較豐富，因此實(shí)施條件優(yōu)于方案C與方案D。若采用方案C，主城段河道兩岸為明城墻、市政道路和密集建筑，基本不可能拆遷，制約因素較多，實(shí)施難度極大；若采用方案D，需改建沿線橋梁、鐵路、管線等市政設(shè)施，影響因素較多，實(shí)施有一定難度；新開(kāi)河道用地已做規(guī)劃控制預(yù)留，沿線基本尚未開(kāi)發(fā)，拆遷量較??；因此總體上方案D優(yōu)于方案C。

3.2 防洪規(guī)劃方案總功效系數(shù)

根據(jù)圖3所示的單項(xiàng)功效系數(shù)、圖1所示的各功效指標(biāo)權(quán)重值，采用公式(2)計(jì)算得到南京市各城市防洪規(guī)劃方案的總功效系數(shù)，如圖4所示。若采用方案A，即保持現(xiàn)狀條件，則總功效系數(shù)為6.192。若采用方案B，即全線加高加固干、支流堤防，則總功效系數(shù)將下降至5.973，主要因?yàn)樵摲桨傅墓こ绦б娌幻黠@，且將嚴(yán)重影響南京市的生態(tài)文明，因此該方案不宜采用。若采用方案C，即擴(kuò)挖秦淮河干流、秦淮新河和加固干流局部堤防相結(jié)合，則可將總功效系數(shù)提升至6.85，該方案投資規(guī)模大，實(shí)施條件非常不佳，但可以實(shí)現(xiàn)較高的工程效益并略提升南京市的生態(tài)文明水平。若采用方案D，即新開(kāi)分洪河道和加固干流局部堤防相結(jié)合，則可將總功效系數(shù)提升至8.183，該方案相對(duì)于其它方案可最大程度上實(shí)現(xiàn)工程效益并提升生態(tài)文明水平，投資規(guī)模與實(shí)施難度較大、均優(yōu)于方案C。因此，綜合而言，方案D是南京城市防洪規(guī)劃的最佳方案。在實(shí)際應(yīng)用中，方案D已經(jīng)得到了上級(jí)主管部門的批復(fù)與深化論證[8]，深化論證結(jié)果表明該方案實(shí)施后分洪效果明顯，與預(yù)期基本一致，證明了該方法與對(duì)應(yīng)結(jié)論的合理性。

圖4 防洪規(guī)劃方案總功效系數(shù)

4 結(jié)論

應(yīng)用功效系數(shù)法構(gòu)建了城市防洪規(guī)劃方案的評(píng)估模型，并以南京市城市防洪規(guī)劃方案為例對(duì)該模型的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證，主要得到以下結(jié)論：

(1)“全線加高加固干、支流堤防”方案會(huì)降低當(dāng)前防洪方案的綜合功效。

(2)“擴(kuò)挖秦淮河干流、秦淮新河和加固干流局部堤防相結(jié)合”方案和“新開(kāi)分洪河道和加固干流局部堤防相結(jié)合”方案均有利于南京是城市防洪水平的提高，但后者的總功效系數(shù)更高，為最佳方案。

(3)本文選取的最佳方案已經(jīng)得到上級(jí)主管部門的批復(fù)與深化論證，論證結(jié)果與預(yù)期一致，驗(yàn)證了功效系數(shù)法在城市防洪規(guī)劃方案評(píng)價(jià)中的合理性，說(shuō)明該方法具有一定的推廣價(jià)值。