海綿社區(qū)綜合實施效能的評價研究
——以青島案例海綿社區(qū)為例

強小飛,孫夢,梁浩,肖傳晶,劉志強

(1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,青島 266033；2.山東金來工程項目管理有限公司,煙臺 265701)

近年來,隨著我國海綿城市建設(shè)技術(shù)的不斷完善,海綿城市的建設(shè)范圍也在急劇擴增,對于怎樣科學(xué)、全面地評價建設(shè)成效,國家從宏觀角度提出了 《海綿城市建設(shè)績效評價與考核指標(biāo)(試行)》。本文以該考核指標(biāo)要求為依托,結(jié)合青島某海綿社區(qū)具體情況探索了適合青島市的海綿社區(qū)綜合效能的評價方法,建立青島市海綿社區(qū)綜合實施效能評價體系。

1 海綿社區(qū)建設(shè)概況

1.1 基礎(chǔ)資料分析

該社區(qū)地處濱海丘陵地帶,地質(zhì)條件良好,由山地、臺地、溝壑三種地貌構(gòu)成,總面積共計67.18ha,如圖1所示。研究區(qū)域高程為10m～75m,內(nèi)含高程約為30m的海蝕地和高程約為70m的緩丘；區(qū)域內(nèi)坡向以E、SE向為主,坡度＜15%,A水庫為主要的匯水地。

圖1 研究社區(qū)地形分析圖

研究區(qū)域?qū)贉貛ШＱ笮詺夂?年平均氣溫為12.1℃,極高氣溫為37.4℃,極低氣溫為-16.9℃；降水多集中于6～9月份,占全年降水量的70%左右,降雨季節(jié)分布不均。多年平均降水量為755.6mm,最大降水量為1227.6mm,最小降水量為386.3mm,相差懸殊,如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域年降雨量分析圖

1.2 海綿社區(qū)建設(shè)前后雨洪控制效果對比

采用SWMM軟件對區(qū)域內(nèi)部分地塊的降雨徑流過程進行模擬。根據(jù)地區(qū)水文地質(zhì)資料及社區(qū)平面布置圖、雨水管網(wǎng)設(shè)計狀況進行子匯水區(qū)劃分,最終概化為18個子匯水區(qū),涵蓋居住用地、綠地、道路等多種土地利用形式,實現(xiàn)地表徑流的有組織匯集；35個節(jié)點,實現(xiàn)降水收集；3個排水口,將雨水外排至A水庫。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)低影響開發(fā)設(shè)施的設(shè)置情況,確立SWMM模型參數(shù),下滲過程采用Horton模型,產(chǎn)匯流過程采用非線性水庫模型,流量演算過程選取動力波模型,污染物累積過程采用飽和函數(shù)模型,污染物沖刷過程選擇事件平均濃度方程模型,依據(jù)3個排放口水質(zhì)、水量變化情況對區(qū)域內(nèi)海綿社區(qū)建設(shè)的成果進行評價。與實施海綿社區(qū)建設(shè)前相比,區(qū)域內(nèi)海綿社區(qū)的建設(shè)實現(xiàn)了徑流總量削減率為40.66%,洪峰削減率為41.46%,洪峰推遲時間為4min的水量控制效果。區(qū)域內(nèi)低影響開發(fā)設(shè)施對TSS、CODCr、TN、TP四種代表性污染物質(zhì)的平均控制率依次為40.02%、40.97%、38.47%、50.69%。

2 海綿社區(qū)綜合實施效能評價標(biāo)準的構(gòu)建

2.1 評價指標(biāo)的篩選

根據(jù)對海綿社區(qū)設(shè)計單位的走訪及工程實施現(xiàn)場的調(diào)研,匯總分析綜合反映海綿社區(qū)應(yīng)用效能的各相關(guān)因素；根據(jù)從事降雨徑流污染控制、低影響開發(fā)和海綿城市建設(shè)等方面研究的專家學(xué)者經(jīng)驗,從涉及海綿社區(qū)建設(shè)對于水質(zhì)凈化能力影響的指標(biāo)、降雨徑流控制效果的指標(biāo)、顯示公眾對海綿社區(qū)建設(shè)的評價指標(biāo)、反映海綿社區(qū)建設(shè)及維護管理成本與收益的指標(biāo)中進行篩選確定相關(guān)評價指標(biāo)。經(jīng)過多輪專家咨詢,將咨詢結(jié)果進行整理,確定出具有主導(dǎo)作用、適應(yīng)性更廣和內(nèi)涵更豐富的反映海綿社區(qū)綜合實施效能的指標(biāo)。海綿社區(qū)綜合實施效能評價指標(biāo)體系如圖3所示。

2.2 權(quán)重的分析

影響海綿社區(qū)綜合評價的因素很多,且各因素之間存在相互關(guān)聯(lián),需要尋找一種非獨立反饋系統(tǒng)的新型實用決策方法[1],所以本文選用網(wǎng)絡(luò)分析法(Analytic Network Process,ANP)作為權(quán)重評價方法。由于文中涉及的海綿社區(qū)綜合實施效能評價指標(biāo)體系涵蓋范圍較廣、指標(biāo)數(shù)目較多、建立的超矩陣較為復(fù)雜,為此引入超級決策軟件(Super Decisions),通過輸入矩陣式、百分比式、問卷式、口頭式等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入[2]。基于輸入的數(shù)據(jù)信息及指標(biāo)之間建立的相互作用關(guān)系,自動生成權(quán)重分析所需的超矩陣、加權(quán)超矩陣、極限超矩陣,最終通過矩陣運算得到綜合優(yōu)勢度,進行指標(biāo)體系的權(quán)重分析,所得各個指標(biāo)權(quán)重如表1所示。

圖3 海綿社區(qū)綜合實施效能評價指標(biāo)體系

2.3 評價標(biāo)準的建立

將評價結(jié)果分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5個等級,從Ⅰ到Ⅴ級別依次遞減。針對項目實施所產(chǎn)生的環(huán)境效益、社會效益、技術(shù)效能與經(jīng)濟效益等方面的評價要求,給出該評價體系中16個指標(biāo)在各個等級中的具體限定范圍。具體的評價指標(biāo)標(biāo)準見表2。

3 海綿社區(qū)綜合實施效能評價實施

3.1 評價方法的選擇

目前,較為常見的綜合評價方法分為以主觀經(jīng)驗為評價依據(jù)的專家評價方法和以運籌學(xué)等數(shù)學(xué)理論為依據(jù),集成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色綜合評價的優(yōu)勢而形成的數(shù)學(xué)評價方法等。考慮到海綿社區(qū)綜合實施效能是涉及多方面、多領(lǐng)域的分析評價,其評價方法的選取需要綜合全面,因此選擇模糊綜合評價法進行海綿社區(qū)綜合實施效能評價結(jié)果的判定。該方法基于模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度理論,將無法量化的定性評價轉(zhuǎn)化為定量分析評價,能直觀地展示評價結(jié)果。

表2 海綿社區(qū)綜合實施效能評價指標(biāo)體系

3.2 評價過程的實施

3.2.1 確立評判因素子集U

因子集是參與評價的n個因素組成的模糊子集,即U={u1,u2,……,un}。

3.2.2 構(gòu)建評價等級子集V

評價等級子集是與評價項目相應(yīng)的評價標(biāo)準或等級構(gòu)成的集合,即V={v1,v2,……,vm}。

3.2.3 基于隸屬度函數(shù)構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R

根據(jù)評價等級及評判因素之間的強弱關(guān)系,建立隸屬度函數(shù),即建立所涉及評價因子對于待評價對象的隸屬度關(guān)系,并依托所建立的隸屬度函數(shù),構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣R。矩陣R表示為：

式中：rij為評判因素子集U中ui對應(yīng)的評價等級子集V中等級vj的隸屬關(guān)系。

模糊綜合評價分析中常用隸屬函數(shù)分布形式包括梯形分布、三角形分布、嶺形分布、正態(tài)分布等[3],這些隸屬度函數(shù)根據(jù)其取值狀況可分為：偏小型、中間型、偏大型,偏小型和偏大型只是單側(cè)區(qū)間有值,中間型的特點是取值呈區(qū)間對稱分布[4]。傳統(tǒng)隸屬函數(shù)的分布為梯形分布,相比于其他分布,此分布較為簡潔,適合于線性離散型變量分析；正態(tài)分布當(dāng)取較高的隸屬度時,能夠收集更全面的隸屬度信息,當(dāng)取較低的隸屬度時,能夠屏蔽更多冗余信息。每個隸屬度函數(shù)側(cè)重點不同,且隸屬度函數(shù)待定的參數(shù)變化亦會導(dǎo)致所得評價結(jié)論的差異。考慮到模糊關(guān)系矩陣R中的元素——隸屬度函數(shù)值rij的準確性關(guān)乎所建立模糊綜合評價矩陣的實施效果,因此本次研究采用組合隸屬度函數(shù)構(gòu)建合理的模糊關(guān)系矩陣R。

基于對考察指標(biāo)的分析,本次研究所選組合隸屬度函數(shù)分別為正態(tài)分布及梯形分布,采用加權(quán)平均的方式構(gòu)建組合隸屬度函數(shù)f。

(1)正態(tài)分布：根據(jù)模糊正態(tài)分布的密度函數(shù)——高斯函數(shù)確定各個指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。具體表達式如下所示：

式中：σ為對應(yīng)指標(biāo)的標(biāo)準誤差。

(2)梯形分布：考慮到部分指標(biāo)通過分級評分法取得,指標(biāo)集屬于離散型分布,隸屬度函數(shù)選用一次線性分布,關(guān)系式如下：

式中：μi與μj為區(qū)間邊界。

基于正態(tài)分布及梯形分布構(gòu)建組合隸屬度函數(shù)：

式中：ω1與ω2分別為隸屬度函數(shù)r1j與r2j的權(quán)系數(shù)。

3.2.4 確定權(quán)重集

評價因素的權(quán)重或權(quán)數(shù)分配集為W,權(quán)重集在綜合評價中用來對R作加權(quán)處理。

3.2.5 確定合成算子

合成算子是將W和R合成得到各評價對象的模糊綜合評價結(jié)果向量B的計算方法。模糊綜合評價中常用的合成算子有M(∧,∨)、M(·,∨)、M(∧,⊕)、M(·,⊕)四種,本文模糊綜合評價的合成算子基本模型表示為：

3.2.6 評價結(jié)果向量分析

評價結(jié)果向量B是對每個被評價對象每個等級的程度描述。評價結(jié)果是一個模糊向量,不能直接用于評價對象的排序評優(yōu),還需要作進一步分析處理。

常用的處理方法主要有最大隸屬度原則、加權(quán)平均原則、模糊向量單值化、計算隸屬度對比系數(shù)等[5]。本次研究采用加權(quán)平均的方式對各等級的秩進行求和,具體表達式如下：

其中,bj為結(jié)果向量中隸屬于第p等級的隸屬度；k為待定系數(shù)(k=1或k=2),其目的是控制較大的bj所起的作用；M為模糊綜合評價結(jié)果。

3.3 海綿社區(qū)綜合實施效能評價結(jié)果

基于模糊綜合評價法實施步驟和所建立的海綿社區(qū)綜合實施效能評價標(biāo)準,以網(wǎng)絡(luò)分析法所確定的16項評價指標(biāo)比重值為基礎(chǔ),對青島某海綿社區(qū)的綜合實施效能實施評價。

參考綠色建筑評價標(biāo)準,將本次海綿社區(qū)綜合實施效能評價等級分為5級,根據(jù)打分制將其量化,量化結(jié)果如表3所示。

表3 評價等級百分制表

根據(jù)SWMM軟件建立的海綿社區(qū)建設(shè)前后降雨徑流模型的模擬結(jié)果、海綿社區(qū)建設(shè)過程中的經(jīng)濟性指標(biāo)、社會效益指標(biāo)問卷調(diào)查及技術(shù)指標(biāo)的量化分析,得出青島某海綿社區(qū)評價結(jié)果為：

依據(jù)本次研究所設(shè)立的百分制評分標(biāo)準,得出青島某海綿社區(qū)綜合實施效能等級為Ⅱ級,表明該項目取得較好的環(huán)境、經(jīng)濟、社會效益,故認定青島某生態(tài)園海綿社區(qū)雨洪管理效果達到最初設(shè)計的目標(biāo)。

4 結(jié)論與建議

(1)社區(qū)是城市水體污染的重要點源,而隨著海綿社區(qū)建設(shè)的不斷推進,將以點帶面,對城市全面海綿化有重要意義。

(2)對海綿社區(qū)建設(shè)的評價必須能夠科學(xué)準確地反映海綿社區(qū)建設(shè)的成效,以便為后續(xù)海綿社區(qū)建設(shè)的完善提供指導(dǎo)性建議。

(3)根據(jù)社區(qū)的具體條件,參考現(xiàn)有國家、行業(yè)、地方標(biāo)準,本文提出的綜合實施效能評價體系能夠綜合直觀地展示該海綿社區(qū)的建設(shè)成效。

(4)海綿社區(qū)建設(shè)因地制宜,對其進行評價的體系也要因地制宜,基于每個地區(qū)的具體條件具體實施,避免評價目標(biāo)選取僵化,并對評價體系進行動態(tài)監(jiān)控,不斷自我糾正完善,形成適合當(dāng)?shù)睾＞d社區(qū)建設(shè)的有效評價體系。