基于AHP-模糊綜合評價法的城市排水管網狀態和運行效能評價
—以淮安市淮安區為例

王俊嶺，熊玉華，張現國，鄧玉蓮

1.北京建筑大學環境與能源工程學院

2.北京首創生態環保集團股份有限公司

排水管網系統是地下設施的重要組成部分，排水管網系統的故障會導致城市運營中斷，出現環境問題，甚至對人類生活造成威脅。許多國家由于排水管網系統已使用100多年，因而存在各種缺陷。例如雨水和污水管道混接錯接、河水倒灌及管道淤積、破損等，嚴重影響著排水管網系統的輸水能力和污染物的收集效率。此外，城市排水管網系統運行效能低下，會對污水廠的處理效率和城市水環境質量帶來不利影響。掌握城市排水管網的資產效能及運行狀況，可以有針對性地制定關于排水管網養護與修復的決策，為城市排水管網系統的運營管理提供便利。我國市政給水管網的績效評價經過多年研究，已相對成熟，但排水管網狀態和運行效能的綜合評價還處于起步階段。隨著計算機技術的發展，我國學者對排水管網運行效能的評價提出了一些方法。如程永前等[1]構建了排水管網規劃的評價指標體系，并用分形維數描述了管網的空間分布特征，但該研究針對截流合流制排水管網，其應用性有限；李林等[2]結合烏魯木齊排水管網的現狀和問題，對排水管網建設效應的評價體系進行了研究，但僅僅使用層次分析法（AHP）分析篩選出了對管網影響較大的指標，無法判斷排水管網的整體情況；冷雪[3]從基礎建設、服務水平和驅動力發展3個方面建立了排水管網運行效能的綜合評價體系，但該指標體系沒有考慮管網資產的缺陷狀態。總體來看，現有研究對排水管網的評價多偏向于運行效能，針對管網狀態方面的評價還很少，且在指標體系的構建上缺乏完整性和系統性，在綜合評價方法上缺乏改進和創新。

傳統的綜合評價一般包含指標體系和評價方法2類要素，實現過程通常分為數據的收集與處理、確定指標權重和綜合分析3個階段。由于各階段的描述存在一定的不確定性，因此一些傳統方法很難取得良好的效果。目前，常用的系統評價方法有模糊綜合評判法、AHP等。由于在進行管網評價時，使用的評語常帶有模糊性，所以宜采用模糊綜合評價方法。應用模糊綜合評價法時，各指標權重具有舉足輕重的地位，但是模糊評價的權重通常由專家根據經驗給出，難免帶有主觀性。AHP是一種定量和定性相結合、將人的主觀判斷用數量形式表達和處理的方法，能夠盡可能地減少個人主觀臆斷所帶來的弊端，使評價結果更可信[4-6]。筆者將這2種方法的優點結合起來，通過AHP確定子目標和各指標權重，用模糊綜合評價法對排水管網狀態和運行效能進行綜合評價，并以淮安市淮安區為例進行應用，以期為建立較為完善的城市排水管網狀態和運行效能的綜合評價方法提供參考。

1 評價指標體系的構建

排水管網包括雨水收集系統和污水收集系統，其整體效益受到建設、維護及外部環境等多種因素的影響。評價指標體系要盡可能地包括影響排水管網狀態和運行效能的各種因素，全面體現城市排水管網的綜合狀況。在借鑒以往研究成果[7-10]并征詢專家意見的基礎上，結合淮安市排水管網現狀，從管網的服務性能、建設狀態和維護管理3個方面進行綜合評價指標的篩選，構建指標體系。在指標選取時，遵循科學性、完備性、獨立性、主成分分析原則，采用頻度統計、理論分析、專家咨詢相結合的方法[11]，進行了3輪篩選，結果如圖1所示。由圖1可知，排水管網狀態和運行效能評價指標體系為3層網絡層次結構，目標層為排水管網狀態和運行效能評價，準則層包括服務性能、建設狀態和維護管理3個方面，指標層包括14項指標。各項指標的含義及計算方法如表1所示。

圖1 排水管網狀態和運行效能評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of state and operation efficiency of the drainage pipe network

表1 排水管網狀態及運行效能評價指標說明Table 1 Description of the evaluation index of drainage network status and operation efficiency

2 AHP-模糊綜合評價法

2.1 AHP確定指標權重

運用AHP確定各評價指標的權重[24]，并按照1～9標度法通過比較指標間兩兩重要程度，對各指標的相對重要性進行賦值。根據專家的賦值進行加權加和并求平均，確定各項指標的最終權重。

2.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法的基本原理：首先確定被評判對象的因素(指標)集和評判等級論域集；然后進行單因素模糊評價，獲得隸屬度矩陣R；最后把隸屬度矩陣（R）與因素（指標）的權重向量集（W）進行模糊運算并進行歸一化，得到模糊綜合評判結果集β。模糊綜合評價又分為一級評價和多級評價，本研究采用多級模糊綜合評價，從多級模糊綜合評價的結果可以得出每層指標對應于等級論域的隸屬度，層次分明，結果可靠，適用于評價因素較多且層次較多的指標體系。

2.2.1 模糊綜合評價步驟

（1）確定因素論域

若有P個評價指標，則評判因素論域可表示為μ={μ1,μ2,...,μP}。

（2）確定指標權重

采用AHP確定W。一級指標的權重向量記為二級指標的權重向量記為

（3）確定評判等級論域

評判等級論域是由各評價因素的評價結果組成的集合。根據淮安區城市排水管網狀態和運行效能評價的特點，將評價等級論域劃分為差、中、良、優4個級別。在等級論域的基礎上進行隸屬度的確定。若給定m個評判級別，則評判等級論域可表示為每個評價等級可對應1個模糊子集。

（4）進行模糊評價，確定隸屬度矩陣

（5）合成結果向量

通過合適的算子對R和W進行合成運算，得到結果向量。

在分析評價結果時，一般遵循最大隸屬度原則。最大隸屬度的分析原則在特定的使用條件下會損失過多有用信息，本研究采用加權平均的方法來確定評價對象的隸屬度，以提高評價結果的準確性[25-28]。

2.2.2 指標等級論域劃分說明

指標評價等級論域主要根據政策標準、工程統計資料確定[29]，盡可能最大化地反映排水管網目前的整體情況。定性指標以10分制為基礎進行劃分，將4個評價等級平均劃分出5個分值范圍。等級論域劃分結果如表2所示。

表2 指標等級論域劃分Table 2 Classification of index hierarchy

2.2.3 隸屬度矩陣的確定

對于定量指標，采用半梯形分布的隸屬度函數來確定隸屬度矩陣。評價指標所組成的因素集評價等級論域設對應數值，和為相鄰2個數值，且＞。根據每個指標的實際取值帶入式（3）～式（5）計算，得到對應單個指標的隸屬度向量（r1,r2,...,rm），所有因素的隸屬度向量組合成隸屬度矩陣，公式如下：

對于定性指標，采用百分比統計法來確定其模糊關系矩陣。邀請專家根據指標評價標準對指標進行定性評價，統計評價結果中各等級論域的百分比，將其作為定性指標的隸屬度，計算公式如下：

式中：M為μi指標中選vi等級的人數；N為參與評價的總人數；i= 1,2,...,p；j= 1,2,...,m。

3 實例評價與結果分析

3.1 淮安區概況

淮安市是江蘇省重要的中心城市，其排水管網主體為分流制。目前我國大部分城市的市政排水管網的建設年代較早，管網病害問題日益嚴重，很多省市（如上海市、深圳市、福州市、江蘇省等）存在相似管網病害問題，以淮安市淮安區為例進行評價具有一定的代表性。

淮安市總面積為10 920 km2，全市人口約490萬人，是江蘇省新興的工業城市。淮安區位于淮安市最南端，全區總面積為1 452.7 km2。淮安區區域內現狀排水管網總長度約433 km，其中，污水管道約190 km，雨水管道約235 km，其余約8 km管道為合流制排水管網。淮安區管網以分流制為主，截至2019年底，雨污分流管道長度占98%。管道材質以混凝土及塑料管為主，其中混凝土管道長度占69.2%，塑料管道占30%，剩余極少量管道材質為鑄鐵和磚。區域內管道的建設年代如圖2所示。由圖2可見，2009—2013年為排水管網全面建設年，管網建設長度占管網建設總長度的71.6%，其中2009年占比為39.2%。據統計，每年污水管道的更新比例約為5%。

圖2 淮安區不同年份排水管道建設的長度Fig.2 Length of drainage pipe network construction in different years in Huai'an District

根據《淮安市城市排水（雨水）防澇規劃（2017—2030年）》《淮安市區污水處理專項規劃（2016—2030年）》，淮安區現狀排水管網排水能力普遍偏低，管道水位相對較高，降水時段經常發生路面積水的現象。綜合分析現狀排水管網建設情況發現，淮安區現狀管網病害問題較為嚴重，主要原因為管網設計標準低、淤堵嚴重、管網年久老化破損、管道存在逆坡、錯口、管網豎向坡度不合理以及雨污管道錯接混接等。

3.2 淮安區內排水管網狀態與運行效能評價

3.2.1 利用AHP確定指標權重

采用層次分析法，邀請排水管網設計、施工及運營領域的14位專家使用1～9標度法對指標分別進行兩兩比較打分，選取專家人數占比最大的標度值作為指標相對重要度的最終標度。以B1層中各指標為例，標度打分百分比的結果如表3所示。由表3分別得出A-B、B1-C、B2-C、B3-C判斷矩陣，計算各指標的權重并進行一致性檢驗，結果如表4所示。

表3 淮安區排水管網狀態與運行效能評價B1層指標專家標度打分百分比統計Table 3 Statistics on the percentage of indicators scored by experts on the B1 level of Huai'an District drainage network status and operational efficiency evaluation

表4 各級指標權重Table 4 Index weight at all levels

3.2.2 構造隸屬度矩陣

對于定量指標，采用半梯形分布隸屬度函數計算指標的隸屬度；對于定性指標，邀請多位淮安市排水管網運營管理方面的專家進行打分，按照百分比統計法確定各指標的隸屬度，結果如表5所示。

表5 淮安區內排水管網狀態與運行效能評價指標隸屬度Table 5 Status of drainage pipe network and the degree of subordination of operational efficiency evaluation index in Huai'an District

3.2.3 進行多級模糊綜合評價

根據指標體系中各層因素（指標）對應的權重和模糊矩陣運算規則，從最低層（指標層）向上一層逐層進行模糊綜合評價。根據式（2）進行第一級模糊矩陣運算，得到準則層模糊綜合評價結果（表6）。

表6 淮安區排水管網狀態與運行效能評價準則層評價結果等級占比Table 6 Proportion of the evaluation result level of the drainage network status and operation efficiency evaluation criteria in Huai'an District

將準則層B1、B2、B3看作是目標層A的3個單因素，則B1、B2、B3的隸屬度矩陣為：

準則層的B1、B2、B3相對于目標層A的權向量W=[0.633 3，0.106 2，0.260 5]，進行第二級模糊矩陣運算，得到目標層的綜合評價集β=W×R=[0.142,0.350,0.275,0.233]。

3.3 綜合評價結果分析

由表4可知，C層指標相對于目標層A的相對重要度排序為 C14＞C12＞C33＞C15＞C11＞C31＞C22＞C34＞C13＞C32＞C24＞C25＞C23＞C21。相較其他指標，生活污水集中收集率(C14)、雨污分流比(C12)、管網維護水平(C33)和污水處理率(C15)4個指標的權重之和為0.661 1，是影響排水管網運行效能的重要因素。服務性能指標(B1)評價等級處于中的可能性為34.3%，處于良的可能性為30.8%，故可判定淮安區排水管網服務性能處于中等偏上的水平；建設狀態指標(B2)評價等級處于中的可能性較大，為63.0%，處于差的可能性為32.6%，故可認為淮安區排水管網的建設狀態處于中等偏下的水平；維護管理指標(B3)評價等級處于中的可能性為45.2%，處于良的可能性為31.7%，故可認為淮安區排水管網的維護管理處于中等偏上的水平。

淮安區排水管網狀態和運行效能的綜合評價結果如圖3所示。由圖3可知，綜合評價結果處于中的可能性為35.0%，處于良的可能性為27.5%，處于優的可能性23.3%，處于差的可能性為14.2%。因此，可以認為淮安區排水管網狀態和運行效能處于中等偏上的水平。

圖3 淮安區排水管網狀態和運行效能的綜合評價結果各等級占比Fig.3 Proportion of each grade of comprehensive evaluation results of the status and operation efficiency of the drainage network in Huai'an District

從評價結果來看，淮安區現狀排水管網的狀態及運行效能的綜合評價等級不高，其原因在于建設狀態評價等級偏低。淮安區管網的普查結果表明，影響管網建設狀態的主要因素在于管網的病害和缺陷治理。現狀排水管網的病害問題主要表現在外水入侵、污水直排、雨污管道混錯接、管道排水不暢及管網溢流污染5個方面。淮安區雨水管道和污水管道中，缺陷最多的均為管道沉積，其長度占比分別為71%和80%，錯口、破裂、滲漏、異物穿入、障礙物和殘垣壩缺陷也較多。在以后的運營管理中，應針對上述問題進行有針對性地解決，以有效提高排水管網的整體水平。

4 結論

（1）對能合理表征排水管網狀態和運行能效的指標進行收集和篩選，建立了基于服務性能、建設狀態、維護管理的城市排水管網狀態及運行效能的評價指標體系。

（2）應用排水管網狀態和運行效能評價模型對淮安區排水管網的整體效能進行評價，結果表明，影響淮安區排水管網狀態和運行效能的主要指標為生活污水集中收集率、雨污分流比、污水處理率和管網維護水平4項指標，其中生活污水集中收集率的權重最大（0.263 1）。綜合評價結果表明，淮安區排水管網的服務性能處于中等偏上的水平，其中建設狀態處于中等偏下水平，維護管理處于中等偏上水平，綜合評價淮安區排水管網狀態及運行效能為中等偏上水平。