基于DPSIR-EES和SD模型的海綿城市建設(shè)績(jī)效評(píng)價(jià)

吳 京 戎，姜 金 延

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068； 2.湖北工業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430068)

我國(guó)城鎮(zhèn)化程度不斷提高所帶來的水生態(tài)失衡、水污染嚴(yán)重和城市洪澇頻發(fā)的城市水問題，亟需解決。2013年的中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議中提出了“防止洪澇災(zāi)害，打造自然蓄水、自然滲透和自然凈化的海綿城市”，為解決城市水問題與城鎮(zhèn)化的矛盾提供了新思路。隨著相關(guān)政策的陸續(xù)出臺(tái)，海綿城市在我國(guó)發(fā)展至今，已初具規(guī)模[1]。建立科學(xué)全面的績(jī)效評(píng)價(jià)體系，是檢驗(yàn)海綿城市建設(shè)成效和推進(jìn)海綿城市有序發(fā)展的重要舉措。

在國(guó)外，北美的低影響開發(fā)(LID)[2]、澳大利亞的水敏感城市設(shè)計(jì)(WSUD)[3]和英國(guó)的可持續(xù)城市排水系統(tǒng)(SUDS)[4]已發(fā)展得較為成熟。Hua等[5]建立了基于生命周期成本分析、層次分析法和后悔決策理論的綜合評(píng)價(jià)體系，以對(duì)LID進(jìn)行全方位的績(jī)效評(píng)價(jià)；Lerer[6]等綜述了WSUD 3類決策支持模型的發(fā)展，3類模型包括：量化模型(量化水力影響、水文影響、水質(zhì)影響、非流動(dòng)相關(guān)影響及經(jīng)濟(jì)影響)、評(píng)估模型和技術(shù)模型，并提出將模型已存信息可視化以對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；Pappalardo等[7]考察相關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)，并通過這些政策在國(guó)際城市的應(yīng)用，評(píng)估其普遍的績(jī)效特征，并在此基礎(chǔ)上提出了支持城市居住區(qū)SUDS實(shí)施的新績(jī)效標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)內(nèi)，國(guó)家財(cái)政部和住房城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺(tái)的《海綿城市建設(shè)試點(diǎn)績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》只是從整體方向把控海綿城市的績(jī)效水平，相關(guān)學(xué)者所采用的熵權(quán)TOPSIS法[8]、云模型[9]、群組評(píng)價(jià)[10]和層次分析法[11]雖能從主客觀角度反映海綿城市建設(shè)績(jī)效水平，但仍未體現(xiàn)其系統(tǒng)性和內(nèi)在聯(lián)系。

基于此，本文通過結(jié)合環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的DPSIR(驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng))理論與EES(生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會(huì))理論以及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，將海綿城市作為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，在現(xiàn)有的以水為中心的績(jī)效評(píng)價(jià)體系基礎(chǔ)上，兼顧海綿城市生態(tài)系統(tǒng)的因果關(guān)系和其內(nèi)部的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)復(fù)合屬性，構(gòu)建新的海綿城市建設(shè)績(jī)效評(píng)價(jià)模型，為未來海綿城市的量化評(píng)估和標(biāo)準(zhǔn)化推廣提供新的研究思路和理論依據(jù)。

1 海綿城市績(jī)效評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

1.1 DPSIR-EES模型

DPSIR(Driving force-Pressure-State-Impact-Response)理論最早是由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)在1993年對(duì)PSR模型和DSR模型修訂后提出的[12]，現(xiàn)已逐漸成為解決環(huán)境和社會(huì)發(fā)展關(guān)系問題的有效工具，其內(nèi)部元素關(guān)系如圖1所示。DPSIR模型能揭示環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的因果關(guān)系，并有效地整合資源、發(fā)展、環(huán)境與人類社會(huì)問題[13]。其運(yùn)作模式是以社會(huì)、經(jīng)濟(jì)或環(huán)境發(fā)展形式出現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)力對(duì)環(huán)境施加壓力，從而導(dǎo)致環(huán)境狀況的變化，引起社會(huì)反應(yīng)的影響，從而反饋到驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)或影響中[14]。EES是我國(guó)著名生態(tài)學(xué)者馬世駿[15]在1984年提出的 “社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論，能反映系統(tǒng)內(nèi)部的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的三維復(fù)合屬性。將DPSIR與EES有機(jī)結(jié)合，可同時(shí)兼顧系統(tǒng)各因素的因果關(guān)系和其內(nèi)部的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)復(fù)合屬性，從而能科學(xué)系統(tǒng)地評(píng)價(jià)海綿城市的建設(shè)成效。

圖1 DPSIR內(nèi)部元素關(guān)系Fig.1 DPSIR internal element diagram

1.2 SD模型

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics，簡(jiǎn)稱SD)模型由麻省理工學(xué)院的Forrester教授于1956年提出[16]，是將系統(tǒng)科學(xué)理論與計(jì)算機(jī)仿真緊密結(jié)合、研究系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)與行為的一門科學(xué)。SD模型認(rèn)為系統(tǒng)的行為模式與特點(diǎn)主要取決于其自身內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，將整個(gè)系統(tǒng)作為反饋系統(tǒng)分析處理問題來得出合理的結(jié)論[17]。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模步驟如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模步驟Fig.2 System dynamics modeling steps

1.3 績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

1.3.1界定系統(tǒng)邊界與組成

首先，明確建模目的為評(píng)價(jià)海綿城市的績(jī)效水平，由于本模型設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包含DPSIR和EES兩個(gè)系統(tǒng)組成的耦合系統(tǒng)，故此系統(tǒng)邊界為DPSIR-EES耦合系統(tǒng)。再根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的指標(biāo)體系和實(shí)地調(diào)研結(jié)果，確定了27個(gè)主要變量組成系統(tǒng)的影響因素。系統(tǒng)組成如表1所示。

表1 海綿城市績(jī)效評(píng)價(jià)模型系統(tǒng)組成Tab.1 System composition of sponge city performance evaluation model

1.3.2因果反饋關(guān)系和系統(tǒng)流圖

本文基于DPSIR的因果關(guān)系，應(yīng)用Vensim DSS 6.5E軟件建立了海綿城市績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系因果關(guān)系反饋回路，并構(gòu)建了海綿城市績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系流圖。指標(biāo)體系流圖如圖3所示。此模型因果關(guān)系反饋回路眾多，由于篇幅所限，故選取其中兩條反饋回路進(jìn)行分析。

圖3 海綿城市績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系流圖Fig.3 Flow chart of sponge city performance evaluation index system

(1) 人口數(shù)→(-)城鎮(zhèn)化率→(+)城市建成區(qū)面積→(-)綠地率→(+)項(xiàng)目生態(tài)效益→(+)項(xiàng)目績(jī)效水平→(+)人口數(shù)。該反饋回路為正反饋回路。表明隨著人口數(shù)的增加，城鎮(zhèn)化率降低，城市建成區(qū)面積也降低，綠地率反而增加，項(xiàng)目生態(tài)效益增加，導(dǎo)致項(xiàng)目績(jī)效水平提高，最后反饋到人口數(shù)。

(2) 人口數(shù)→(-)人均月用水量→(-)居民供水價(jià)格→(+)居民用水價(jià)格→(-)項(xiàng)目社會(huì)效益→(+)項(xiàng)目績(jī)效水平→(+)人口數(shù)。該反饋回路為負(fù)反饋回路。表明隨著人口數(shù)的增加，人均月用水量降低，居民供水價(jià)格增加；而在居民用水價(jià)格降低時(shí)，項(xiàng)目社會(huì)效益增加，導(dǎo)致項(xiàng)目績(jī)效水平提高，最后反饋到人口數(shù)。

2 海綿城市績(jī)效評(píng)價(jià)模型仿真分析

2.1 項(xiàng)目概況

漢陽四新示范區(qū)海綿城市建設(shè)(芳草溪海綿改造工程等)項(xiàng)目位于具有“九省通衢”美稱的江城——武漢。東靠長(zhǎng)江，南鄰三環(huán)線，西至龍陽大道，北抵漢新大道，示范區(qū)面積約15.50 km2，現(xiàn)狀建成區(qū)域面積567 hm2，已建(在建)地塊面積729 hm2，待建地塊面積262 hm2。項(xiàng)目細(xì)分國(guó)博區(qū)、梅子北區(qū)、梅子南區(qū)、芳草北區(qū)、芳草南區(qū)、方島湖心區(qū)等6個(gè)區(qū)域。本文涉及其中35個(gè)子項(xiàng)目，項(xiàng)目明細(xì)如表2所示。

表2 漢陽四新示范區(qū)海綿城市建設(shè)項(xiàng)目子項(xiàng)目明細(xì)Tab.2 Subitem list of the pilot area in Hanyang District

2.2 SD模型的仿真與分析

2.2.1參數(shù)和方程設(shè)置

以2015～2035年為時(shí)間邊界，設(shè)仿真步長(zhǎng)為1 a，并查閱中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒、武漢統(tǒng)計(jì)年鑒、武漢市水資源公報(bào)、武漢市環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)等資料，將2015年數(shù)據(jù)作為相關(guān)狀態(tài)變量和常量的初始值，編輯各變量的方程式。部分初始參數(shù)及方程式如表3所示。為了使設(shè)計(jì)模型與實(shí)際更為相符，本文采用以時(shí)間()為輸入的表函數(shù)(WITH LOOKUP)來表示相關(guān)變量，表函數(shù)如表4所示。

表3 部分初始參數(shù)及其方程式Tab.3 Some initial parameters and equations

表4 相關(guān)變量表函數(shù)取值Tab.4 WITH LOOKUP values of related variables

2.2.2有效性檢驗(yàn)

完成系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和方程輸入后，進(jìn)行試運(yùn)行，根據(jù)報(bào)錯(cuò)信息對(duì)模型反復(fù)修改和調(diào)試，仔細(xì)審查系統(tǒng)內(nèi)各變量的因果關(guān)系、方程式和量綱的正確性，直到模型初次運(yùn)行成功，即可進(jìn)行模型有效性檢驗(yàn)。

(1) 真實(shí)性檢驗(yàn)。取模型中部分狀態(tài)變量的模擬數(shù)值與同年的實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)即表明模型真實(shí)有效。以2016年為例，武漢市人口數(shù)量模擬值為1 068萬人，而真實(shí)值為1 076.62萬人，相對(duì)誤差0.8%；2016年武漢市GDP模擬值為12 060億元，而真實(shí)值為11 912.61億元，相對(duì)誤差1.2%，即模型與實(shí)際基本相符，通過真實(shí)性檢驗(yàn)。

(2) 穩(wěn)定性檢驗(yàn)。通過改變模型的時(shí)間步長(zhǎng)來驗(yàn)證模型是否有變異性差錯(cuò)，根據(jù)變量的變化情況檢驗(yàn)整個(gè)模型的穩(wěn)定性。本文通過改變時(shí)間步長(zhǎng)為0.5，1 a和1.5 a對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)模型運(yùn)行穩(wěn)定，各變量的變化趨勢(shì)和幅度高度一致，能通過穩(wěn)定性檢驗(yàn)。

2.2.3模擬結(jié)果分析

以漢陽四新示范區(qū)海綿城市建設(shè)(芳草溪海綿改造工程等)項(xiàng)目為研究對(duì)象，利用Vensim DSS 6.5E軟件對(duì)系統(tǒng)流圖進(jìn)行仿真模擬，模擬結(jié)果如下。

(1) 績(jī)效水平分析。根據(jù)武漢市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃和漢陽四新示范區(qū)海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃中提供的績(jī)效標(biāo)準(zhǔn)，建立此案例所在區(qū)域部分績(jī)效指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，將其輸入模型中得到對(duì)應(yīng)的績(jī)效水平評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表5所示。由表5可知，項(xiàng)目績(jī)效水平小于0.294時(shí)不合格，在0.294和0.317之間為合格，大于等于0.317時(shí)為優(yōu)秀。

表5 案例區(qū)域部分績(jī)效指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)績(jī)效水平Tab.5 Performance index standards and corresponding performance levels of some cases in the region

通過對(duì)系統(tǒng)仿真模擬，得到項(xiàng)目績(jī)效水平，如圖4所示。圖4顯示項(xiàng)目績(jī)效水平最低值為0.3351，大于0.317，故漢陽四新示范區(qū)海綿城市建設(shè)(芳草溪海綿改造工程等)項(xiàng)目績(jī)效評(píng)價(jià)結(jié)果為“優(yōu)秀”。

圖4 項(xiàng)目績(jī)效水平Fig.4 Project performance level

將此結(jié)果與已有的項(xiàng)目績(jī)效評(píng)價(jià)方法如熵權(quán)TOPSIS法、云模型和層次分析法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(如表6所示)，評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。在同等條件下，將本文方法與精度準(zhǔn)確度類似的方法對(duì)比，SD模型仿真通過方程式和表函數(shù)來建立系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系，直接輸入相關(guān)數(shù)據(jù)即可通過仿真模擬出所需結(jié)果，過程更簡(jiǎn)單。將本文方法與復(fù)雜程度類似的方法對(duì)比，本文方法的系統(tǒng)性和仿真性保證了其精確程度和真實(shí)性，結(jié)果更客觀。

表6 本文方法與其他評(píng)價(jià)方法的結(jié)果對(duì)比Tab.6 Comparison of the result by the proposed method with the other evaluation methods

(2) 趨勢(shì)分析。對(duì)海綿城市項(xiàng)目績(jī)效水平和項(xiàng)目社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益的模擬結(jié)果進(jìn)行趨勢(shì)分析，如圖5所示。其中項(xiàng)目績(jī)效水平在2015～2016年小幅增長(zhǎng)，2016～2017年小幅下降，而在2017～2035年以后呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)；項(xiàng)目生態(tài)效益呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)；項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益呈穩(wěn)定小幅波動(dòng)趨勢(shì)；而項(xiàng)目社會(huì)效益則在2015～2016年劇增，2016～2017年劇降，2017～2021年又增加至臨界點(diǎn)，往后2021～2035年呈平穩(wěn)且微降趨勢(shì)。這樣的趨勢(shì)變化表明海綿城市由于在2015～2017年間處于初步建設(shè)階段，各方面未成熟，故此時(shí)績(jī)效水平有小幅波動(dòng)，而未來隨著項(xiàng)目成熟度的提高，海綿城市績(jī)效水平也在不斷提高；項(xiàng)目的生態(tài)效益逐漸增強(qiáng)；經(jīng)濟(jì)效益波動(dòng)范圍變化不大；社會(huì)效益在2015～2021年這段時(shí)間內(nèi)波動(dòng)幅度大則是由于海綿城市項(xiàng)目在此段時(shí)間剛推行不久，對(duì)社會(huì)各方面影響較大，隨著項(xiàng)目持續(xù)推進(jìn)和不斷完善，在2021～2035年以后項(xiàng)目社會(huì)效益逐漸平穩(wěn)，且隨時(shí)間變化有些微的下降，這可能與邊際效益遞減有關(guān)。因此通過趨勢(shì)分析可知海綿城市項(xiàng)目發(fā)展趨勢(shì)良好，可在現(xiàn)有項(xiàng)目基礎(chǔ)上繼續(xù)大力推廣。

圖5 海綿城市項(xiàng)目績(jī)效水平和生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益趨勢(shì)Fig.5 Sponge city project performance level and trend of ecological，economic and social benefits

(3) 敏感性分析。敏感性分析是在模型完成后，分析觀測(cè)量對(duì)控制量的敏感程度。本文選取相關(guān)政策發(fā)布量模擬200次后，分別對(duì)項(xiàng)目績(jī)效水平、項(xiàng)目社會(huì)效益、項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益、項(xiàng)目生態(tài)效益進(jìn)行敏感性分析，如圖6所示。項(xiàng)目績(jī)效水平和項(xiàng)目社會(huì)效益呈帶狀圖，通常稱為敏感圖和軌跡圖。項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益和項(xiàng)目生態(tài)效益則呈線狀，無帶寬。一般帶寬越大、越敏感，越小、越不敏感。由此表明，項(xiàng)目績(jī)效水平和項(xiàng)目社會(huì)效益對(duì)政策發(fā)布量的變化較為敏感，而項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益則不敏感。其他各變量的敏感性分析以此類推。

圖6 相關(guān)政策發(fā)布量對(duì)項(xiàng)目績(jī)效水平和項(xiàng)目社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益的敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of relevant policy releases to project performance level and project social，economic and ecological benefits

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

通過上述海綿城市績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建與仿真，本文研究結(jié)論如下：

(1) 基于DPSIR、EES和SD理論，本文所構(gòu)建的績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包含了DPSIR-EES耦合系統(tǒng)下的城鎮(zhèn)化率、年徑流總量控制率、海綿城市資本投入量、地表水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等27個(gè)主要子指標(biāo)。

(2) 從趨勢(shì)預(yù)測(cè)來看，在系統(tǒng)保持穩(wěn)定的情況下，未來海綿城市建設(shè)項(xiàng)目績(jī)效水平會(huì)穩(wěn)定增長(zhǎng)，項(xiàng)目社會(huì)效益和生態(tài)效益也會(huì)穩(wěn)步上升，而其經(jīng)濟(jì)效益則會(huì)在波動(dòng)范圍內(nèi)維持穩(wěn)定，海綿城市發(fā)展形勢(shì)大好。

(3) 從敏感性預(yù)測(cè)來看，指標(biāo)層中的徑流污染控制量、年徑流總量控制率、年SS總量去除率、相關(guān)政策發(fā)布量、政府海綿城市建設(shè)項(xiàng)目投資額、污水處理率等指標(biāo)對(duì)項(xiàng)目績(jī)效水平較為敏感，而生態(tài)岸線占比、自然湖泊保持率等指標(biāo)對(duì)項(xiàng)目績(jī)效水平不太敏感。

3.2 建 議

基于上述海綿城市績(jī)效評(píng)價(jià)模型的研究結(jié)論，本文提出如下建議：

(1) 對(duì)于海綿城市的績(jī)效評(píng)價(jià)研究，要從海綿城市的內(nèi)涵出發(fā)，充分考慮其整體的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，以及內(nèi)部的因果關(guān)系和生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)復(fù)合屬性，從科學(xué)、完整、合理的角度對(duì)海綿城市進(jìn)行系統(tǒng)性的評(píng)價(jià)。

(2) 對(duì)比現(xiàn)有的海綿城市績(jī)效評(píng)價(jià)體系，要從海綿城市建設(shè)的實(shí)際成效出發(fā)，反復(fù)驗(yàn)證指標(biāo)的可行性和準(zhǔn)確性，以便及時(shí)更新和優(yōu)化績(jī)效評(píng)價(jià)體系，再以新的評(píng)價(jià)體系推動(dòng)海綿城市的良性發(fā)展。

(3) 對(duì)于海綿城市績(jī)效評(píng)價(jià)的發(fā)展，要與低碳城市、智慧城市等理念進(jìn)行融合，從宏觀角度考慮，以整個(gè)城市為主體，建立全方位、多角度的智能評(píng)價(jià)體系，以適應(yīng)未來智能城市的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié) 語

海綿城市的興起是維持可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展的必然趨勢(shì)，是落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)理念的重要舉措。然而目前國(guó)內(nèi)對(duì)于海綿城市績(jī)效評(píng)價(jià)的研究仍較為匱乏。本文結(jié)合環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的DPSIR(驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng))理論與EES(生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會(huì))理論，將海綿城市看作一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，建立了基于DPSIR-EES和SD模型的海綿城市建設(shè)績(jī)效評(píng)價(jià)體系，并以武漢市漢陽四新示范區(qū)建設(shè)項(xiàng)目為例進(jìn)行實(shí)證分析。與熵權(quán)TOPSIS法、云模型法和層次分析法相比較而言，本文評(píng)價(jià)方法過程更為簡(jiǎn)化，準(zhǔn)確度也有所提升，更為客觀易用。可作為后續(xù)評(píng)判海綿城市建設(shè)績(jī)效水平和推進(jìn)海綿城市進(jìn)一步發(fā)展的依據(jù)。