城市排水管網脆弱性變權評估研究

陳偉珂，丁 聿

(天津理工大學 管理學院，天津 300384)

1 研究背景

近10年來，在城市化規模急劇擴張的同時，城市內澇等“城市病”仍在不斷發生。我國60%以上的城市都經歷過城市內澇災害[1]。以往解決城市內澇災害主要依靠提高城市排水管網的泄水能力，但現已無法滿足城市排澇需求。“海綿城市”的概念提出后，我國在發展戰略層面將其作為城市發展中重要的“里子工程”進行推進，其與城市排水管網相輔相成，協同作用緩解城市內澇[2]。若要實現二者的高度融合須以探明城市排水管網基本現狀為基石。城市體檢作為現狀“診斷”的重要手段，對二者高度的功能性融合起著至關重要的基礎性作用。

城市體檢這一理念提出后，學者在宏觀層面以城市整體[3-4]、城市經濟[5-6]、城市生態環境[7]等為研究對象，對城市脆弱性內涵[8-10]、脆弱性影響因素[8]、脆弱性評價[8,11-12]、脆弱性測度[13]等方面進行了深入研究。在研究思路方面主要是利用指標、重要度進行綜合評價計算[14-16]，主要包括綜合指數、聚類分析等綜合測度方法[17-22]。通過文獻研究可知，以往學者進行的相關研究多集中于宏觀層面，其研究成果雖然能夠反映城市作為一個整體系統應對介入擾動因素的抵抗能力，但對某一具體“城市問題”的“治愈”效果甚微。此外，研究者多采用的是靜態的常權評價方法，無法反映各指標重要度在研究期內表現出的動態性。而變權模型可彌補靜態常權評價方法的缺陷，可更好地體現各個指標在不同時期決策過程中的作用。變權模型現已應用于城市宏觀領域脆弱性評價[23]、短期風速預測[24]、地下含水層突水脆弱性和危險性評價[25-26]等領域，并取得了豐碩的研究成果。

在構建脆弱性評價指標體系研究中，國內學者主要是通過PSR(“壓力-狀態-響應”)[27]、PSE(“壓力-敏感-彈性”)[28]、SRP(“生態敏感性-生態恢復力-生態壓力度”)[29]、SWAT[30]等模型進行脆弱性評價指標體系的構建。在國際上，由IPCC[31](Intergovernmental Panel on Climate Change)于1996年提出的脆弱性由暴露度、敏感性和適應能力決定這一觀點得到了普遍認可；2007年，Polsky等[32]基于IPCC的重要觀點構建了VSD(Vulnerability Scoping Diagram)模型，該模型突出了脆弱性形成的內在機理。目前，基于VSD模型的學術研究成果表現出較強的科學性與廣泛的應用性[33-35]。

鑒于此，本研究以天津市城市排水管網為例，采用VSD模型構建城市排水管網脆弱性評價指標體系，利用懲罰型變權綜合評價模型進行天津市排水管網脆弱性評價，并借鑒灰色預測GM(1,1)模型進行城市排水管網脆弱性警情預測。延拓城市排水管網體檢研究思路，豐富脆弱性研究內容，為城市排水管網與“海綿城市”進行高度功能性融合提供理論支撐，緩解城市排澇減災的壓力。

2 研究思路與關鍵步驟

2.1 研究思路

根據天津市城市排水管網自身特點、所處環境、氣候條件以及運維現狀，同時參考相關設計規范和專項規劃，從暴露度、敏感性和適應能力三個維度構建適用于城市排水管網脆弱性評價的指標體系，將其作為城市排水管網體檢的標尺，在此基礎上進行數據歸一化處理及指標變權權重的確定。上述步驟完成后，將綜合指數法與變權模型相結合，進行城市排水管網脆弱性綜合測度，并劃分脆弱性等級，從而探明天津市城市排水管網實際狀況，達到城市排水管網體檢的目的；最后，運用MATLAB進行新陳代謝GM(1,1)預測模型的代碼編寫，實現對天津市排水管網脆弱程度的預測。具體研究思路如圖1所示。

2.2 天津市排水管網脆弱性評價指標體系的構建

2.2.1 研究區簡況 天津市位于華北平原東北部、海河流域下游，屬大陸性氣候，降雨主要集中于夏季，年平均降雨量為550～700 mm，6-7月份的降雨量占全年總降雨量的80%左右。天津市共包括18個縣區，地勢總體走勢為南低北高，居民住宅、工礦以及交通用地約占天津市總土地面積的22%，園林牧地約占6%，城區內雨水管道約1 800 km，雨水泵站約120座，雨水管網普及率約為80%，但面對強降雨天氣，城市內澇仍有發生，例如，2016年7月，天津市出現連續兩天的強降雨，造成城區道路積水52處，海河水位持續較高，附近下沉路段全部淹沒。研究立足于“海綿城市”戰略背景，針對天津市具體情形對排水管網進行脆弱性“診斷”，以確定天津市城市排水管網脆弱性指數及脆弱程度。

2.2.2 脆弱性評價指標體系的構建 研究針對天津市城市排水管網的實際運行狀態，在借鑒前人學術成果[36]的基礎之上，利用VSD模型構建天津市城市排水管網脆弱性評價指標體系(表1)。根據本研究具體內容，將城市排水管網脆弱性評價指標區分為正向指標和負向指標，其中正向指標表示指標值越大，城市排水管網的狀態越佳，其脆弱程度越低；反之即為負向指標。

2.3 數據的標準化處理

借鑒功效系數法[37]，采用公式(1)對正屬性指標進行標準化處理，采用公式(2)對負屬性指標進行標準化處理。

(1)

(2)

圖1 研究思路

表1 城市排水管網脆弱性評價指標體系

數據及資料來源：本論文所涉及的2008-2017年的研究數據與資料在天津市市政設計院、天津市排水管理處、天津市水務局、天津市統計局等相關部門的支持下收集所得，對于個別年份缺失的數據通過趨勢外推等方法取得；主要參考規范包括：《城市排水工程規劃規范》(GB50318-2017)、《室外排水設計規范》(GB50014-2006)(2016年版)、《城市防洪規劃規范》(GB51079-2016)、《海綿城市建設技術指南-低影響開發雨水系統構建》(中華人民共和國住房和城鄉建設部2014)、《天津市排水專項規劃(2008-2020年)》、《天津市中心城區排水防澇綜合規劃(2016-2025年)》、《天津市排澇總體規劃(2011-2020年)》、《天津市海綿城市建設專項規劃(2016-2030年)》等；2018-2020年期間的天津市城市排水管網脆弱性綜合指數通過MATLAB編程構建新陳代謝GM(1,1)模型預測得到。

2.4 變權權重的確定

2.4.1 懲罰型狀態變權向量的構造 借鑒相關學術成果[38]，構造適用于城市排水管網脆弱性研究的懲罰型狀態變權向量：

(3)

2.4.2 懲罰型變權權重的確定 將Si(L*)與基礎權重向量W進行歸一化乘積處理后便可得到懲罰型變權向量，如公式(4)所示。

W(L*)=(w1(L*),w2(L*),…,wn(L*))

(4)

懲罰型變權向量確定之后，以各個評價指標的變權分量與總量之比作為各指標的變權權重，其計算公式如公式(5)所示。

(5)

2.5 懲罰型變權綜合評價模型的構建

運用綜合指數法構建城市排水管網懲罰型變權綜合評價模型：

(6)

2.6 城市排水管網脆弱性等級的劃分

為了便于進行脆弱性比較，本研究參考相關學者的研究[36]，并根據城市排水管網脆弱性評價綜合指數值V，進行城市排水管網脆弱性等級劃分，具體劃分情形見表2。

2.7 城市排水管網脆弱性預測

采用灰色預測模型對天津市2018-2020年的城市排水管網脆弱性指數進行預測。由于灰色預測具有良好的魯棒性，現已廣泛應用于用電量預測[39-40]、就業發展趨勢預測[41]等領域。新陳代謝GM(1,1)模型則是灰色預測模型中最為常用且精度較高的短期預測模型。

根據上文得出的懲罰型變權綜合脆弱性指數，運用MATLAB實現城市排水管網脆弱性指數的預測。通過殘差M、后驗差C、小誤差概率p以及關聯度r來檢驗該模型的精度級別，精度檢驗標準見表3。

表2 城市排水管網脆弱性等級

表3 預測精度檢驗標準

3 評價結果與分析

3.1 天津市城市排水管網脆弱性演變綜合分析

采用懲罰型變權綜合評價模型對天津市2008-2017年城市排水管網脆弱性綜合評價指數計算，計算結果見表4。為進一步說明變權評價思路具有更強的客觀性，將常權權重的評價結果與變權權重的評價結果進行對比，如圖2所示。由圖2可知，懲罰型變權綜合評價結果普遍低于傳統的常權綜合評價結果，這正是懲罰型變權綜合評價方法所帶來的“懲罰”效應，其消除了傳統綜合評價方法中存在的不合理的泡沫，進而提高了最終評價結果的科學性與客觀性。

表4 2008-2017年天津市城市排水管網脆弱性綜合指數

單獨分析懲罰型變權評價結果，在2008-2017年期間，天津市城市排水管網脆弱性指數總體呈現上升趨勢，但存在上下波動。脆弱程度總體由“中度”演進至“輕度”，脆弱性等級在2017年首次進入Ⅱ級。

在過去10年中，天津市陸續出臺了《天津市排水專項規劃》、《天津市排澇總體規劃》、《天津市海綿城市建設專項規劃》等一系列全新建設規劃，在原有規劃的基礎上將天津市中心城區以及外環線以外的各縣區進行了統籌規劃，整合了服役時間較長的排水泵站，對市內常積水區域進行了排水設施的升級改造與擴建，排水管網普及率約達80%。相關規劃的制定與頒布表明天津市逐漸加強了城市排水管網的建設，加快城市排水管網發展以滿足城市排澇需求，使得天津市城市排水管網脆弱性逐漸降低。

在2017年，天津市城市排水管網脆弱度首次達到“輕度”狀態，排水管網已基本滿足城市排澇需求，雖然已達到“輕度”狀態，但其脆弱性綜合指數也僅僅是處于區間邊緣，仍然存有跌至“中度”狀態的風險。因此，針對天津市具體積水情況，“海綿城市”的建設可優先將重點集中于常積水片區，緩解重點區域排水管網泄水壓力。

圖2 天津市城市排水管網脆弱性發展走勢

3.2 “暴露度-敏感性-適應能力”分析

通過懲罰型變權綜合評價模型，分別計算天津市城市排水管網在“暴露度”、“敏感性”、“適應能力”維度的變權指數，結果如圖3所示。總覽圖3可知，在“暴露度-敏感性-適應能力”三個維度的評價結果的變化趨勢總體符合城市排水管網脆弱性綜合評價結果的走勢，其中，“適應能力”這一維度的評價結果均高于其他兩個維度，說明天津市相關政府部門與市政建設部門對城市排水管網的投資在市政建設投資中占有一定的比例且逐年增加，但需要注重資金的監管與高效利用。

圖3 “暴露度-敏感性-適應能力”變權指數走勢

3.2.1 “暴露度”分析 在暴露度這一維度中，透水地面率和綠化覆蓋率對天津市城市排水管網暴露度影響較大。天津市在城市發展及建設過程中，將“海綿城市”的建設理念融入其中，透水地面率由25%逐步增加至接近40%，綠化覆蓋率現已增長至38%。天津市面對汛期降雨較多的情形，采取了“源頭控制”策略，如：停車場、小區道路等根據具體條件采用透水地面進行鋪設；在道路兩側允許的前提下設置植草溝；舊城區進行改造時堅持低影響開發理念等。在暴露度中，雨強、降雨量難以進行人為控制，因此，“海綿城市”的建設應在因地制宜的基礎上，將重點置于對暴露度影響較大的透水地面率、綠化覆蓋率等方面，彌補城市排水管網功能盲區。

3.2.2 “敏感性”分析 在敏感性維度中，天津市城市排水管網敏感性與管網普及率、管網連通指數關系最為密切。《天津市排水專項規劃》(2008-2020年)將天津市主城區、濱海新區以及其他區縣的管網普及率目標值分別定為95%、90%、85%。2016年，天津市中心城區排水管網普及率已由2007年的70.06%增加至80.4%。排水管網普及率的提高在很大程度上降低了排水管網的敏感性。在2013和2016年，敏感性變權指數有所降低，主要是由于老城區排水管網出現不同程度的破損、老化及市財政限制所致。

目前天津市城市排水管網實際普及率與《天津市排水專項規劃》中設定的目標普及率仍有較大差距；天津市舊城區排水管網存在著管道服役時間較長、管道老化嚴重以及管道建設標準偏低等多方面的問題。因此，天津市城市排水管網的規劃與建設應集中于新區縣排水管網的現代化建設和老城區排水管網的升級、改造。

3.2.3 “適應能力”分析 在適應能力維度中，雨水管道總長度、雨水泵站數所占權重最高，其對天津市排水管網的適應能力影響也較大。2008-2017年期間，天津市中心城區雨水管道長度由2008年的1 190 km增加至2017年的1 338 km、雨水泵站數由2008年的98座增加至2017年的120座；新城區排水管網的建設以及部分老城區排水管網的改建將天津市排水管網的排水能力由2008年的671.0 m3/s提升到2017年的1 940.3 m3/s，排水能力的極大提高使得排水管網應對強降雨天氣等不利因素的能力也不斷提高。天津市相關政府部門對城市排水管網建設與改造的市政資金投入不斷增加，但現階段應更加注重投入資金的監管與高效利用。

4 天津市城市排水管網脆弱性指數預測

借助Matlab實現新陳代謝GM(1,1)模型對天津市2018、2019和2020年的排水管網脆弱性綜合指數進行預測，其預測結果分別為：0.672、0.690、0.700。結合表3所示的預測精度檢驗標準，新陳代謝GM(1,1)模型的預測精度檢驗結果見表5。

表5 新陳代謝GM(1,1)模型預測精度檢驗結果

天津市城市排水管網脆弱性綜合指數實際值與預測值的對比及發展趨勢預測如圖4所示，從圖4不難看出，2008-2017年期間，天津市城市排水管網脆弱性綜合指數預測值總體走勢符合實際評估結果的趨勢；2018-2020年預測期間，天津市城市排水管網脆弱性綜合指數逐年增長但依然處于“輕度”狀態，其狀況并非完全樂觀。

面對天津市城市排水管網未來發展趨勢，在城市排水管網的規劃與建設方面，天津市仍需加大對城市排水管網擴建、新建的資金投入，并提高資金利用效率，進一步提高城市排水管網的普及率、管網連通指數等重點指標值，同時實現老城區排水管網的全面升級與改造，提高天津市城市排水管網的整體現代化水平。

在“海綿城市”建設戰略背景下，《天津市海綿城市建設技術導則(2016版)》現已出臺，針對天津市排水管網建設及改進存有困難的區域，“海綿城市”的建設顯得至關重要，其建設重點在于雨水入滲、滯留、市政道路綠化、城市綠地與廣場等方面，使排水管網和“海綿城市”相輔相成，通過排水管網泄水、自然滲水、自然蓄水等綜合手段共同緩解城市內澇問題。

圖4 天津市排水管網脆弱性綜合指數對比及預測

5 結 論

研究主要對天津市城市排水管網發展現狀進行“診斷”及預測，并得出如下結論：

(1)2008-2017年，天津市城市排水管網變權評價結果總體呈上升趨勢，但其中存有波動。在暴露度方面，“海綿城市”建設集中于透水地面率與綠化覆蓋率兩方面；在敏感性方面，對老舊城區城市排水管網進行深度改造與擴建，持續降低排水管網自身的敏感性；在適應能力方面，重點對投入資金進行監管，提高利用效率，完善城市排水管網配套設施。

(2)2018-2020年，天津市城市排水管網脆弱性綜合指數穩步發展并穩定在“輕度”區間，但“海綿城市”建設仍有巨大的發展空間。因此，更進一步地深化“海綿城市”與城市排水管網的功能融合對緩解城市內澇災害仍具有重要的研究價值。

(3)研究表明懲罰型變權綜合評價模型具有較高的科學性與客觀性，但該模型中參數的選擇與否定水平的確定對評價結果的準確性至關重要。因此，如何選擇與確定更為合理的參數值與否定水平需要更加深入地研究。