海綿社區綜合實施效能的評價研究
——以青島案例海綿社區為例

強小飛,孫夢,梁浩,肖傳晶,劉志強

(1.青島理工大學環境與市政工程學院,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技術的不斷完善,海綿城市的建設范圍也在急劇擴增,對于怎樣科學、全面地評價建設成效,國家從宏觀角度提出了 《海綿城市建設績效評價與考核指標(試行)》。本文以該考核指標要求為依托,結合青島某海綿社區具體情況探索了適合青島市的海綿社區綜合效能的評價方法,建立青島市海綿社區綜合實施效能評價體系。

1 海綿社區建設概況

1.1 基礎資料分析

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

圖1 研究社區地形分析圖

研究區域屬溫帶海洋性氣候,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 研究區域年降雨量分析圖

1.2 海綿社區建設前后雨洪控制效果對比

采用SWMM軟件對區域內部分地塊的降雨徑流過程進行模擬。根據地區水文地質資料及社區平面布置圖、雨水管網設計狀況進行子匯水區劃分,最終概化為18個子匯水區,涵蓋居住用地、綠地、道路等多種土地利用形式,實現地表徑流的有組織匯集；35個節點,實現降水收集；3個排水口,將雨水外排至A水庫。

根據區域內低影響開發設施的設置情況,確立SWMM模型參數,下滲過程采用Horton模型,產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模型,污染物沖刷過程選擇事件平均濃度方程模型,依據3個排放口水質、水量變化情況對區域內海綿社區建設的成果進行評價。與實施海綿社區建設前相比,區域內海綿社區的建設實現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。區域內低影響開發設施對TSS、CODCr、TN、TP四種代表性污染物質的平均控制率依次為40.02%、40.97%、38.47%、50.69%。

2 海綿社區綜合實施效能評價標準的構建

2.1 評價指標的篩選

根據對海綿社區設計單位的走訪及工程實施現場的調研,匯總分析綜合反映海綿社區應用效能的各相關因素；根據從事降雨徑流污染控制、低影響開發和海綿城市建設等方面研究的專家學者經驗,從涉及海綿社區建設對于水質凈化能力影響的指標、降雨徑流控制效果的指標、顯示公眾對海綿社區建設的評價指標、反映海綿社區建設及維護管理成本與收益的指標中進行篩選確定相關評價指標。經過多輪專家咨詢,將咨詢結果進行整理,確定出具有主導作用、適應性更廣和內涵更豐富的反映海綿社區綜合實施效能的指標。海綿社區綜合實施效能評價指標體系如圖3所示。

2.2 權重的分析

影響海綿社區綜合評價的因素很多,且各因素之間存在相互關聯,需要尋找一種非獨立反饋系統的新型實用決策方法[1],所以本文選用網絡分析法(Analytic Network Process,ANP)作為權重評價方法。由于文中涉及的海綿社區綜合實施效能評價指標體系涵蓋范圍較廣、指標數目較多、建立的超矩陣較為復雜,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、口頭式等方式實現數據輸入[2]。基于輸入的數據信息及指標之間建立的相互作用關系,自動生成權重分析所需的超矩陣、加權超矩陣、極限超矩陣,最終通過矩陣運算得到綜合優勢度,進行指標體系的權重分析,所得各個指標權重如表1所示。

圖3 海綿社區綜合實施效能評價指標體系

2.3 評價標準的建立

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

3 海綿社區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驗為評價依據的專家評價方法和以運籌學等數學理論為依據,集成人工神經網絡、灰色綜合評價的優勢而形成的數學評價方法等。考慮到海綿社區綜合實施效能是涉及多方面、多領域的分析評價,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綜合實施效能評價結果的判定。該方法基于模糊數學中的隸屬度理論,將無法量化的定性評價轉化為定量分析評價,能直觀地展示評價結果。

表2 海綿社區綜合實施效能評價指標體系

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 構建評價等級子集V

評價等級子集是與評價項目相應的評價標準或等級構成的集合,即V={v1,v2,……,vm}。

3.2.3 基于隸屬度函數構建模糊關系矩陣R

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

式中：rij為評判因素子集U中ui對應的評價等級子集V中等級vj的隸屬關系。

模糊綜合評價分析中常用隸屬函數分布形式包括梯形分布、三角形分布、嶺形分布、正態分布等[3],這些隸屬度函數根據其取值狀況可分為：偏小型、中間型、偏大型,偏小型和偏大型只是單側區間有值,中間型的特點是取值呈區間對稱分布[4]。傳統隸屬函數的分布為梯形分布,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；正態分布當取較高的隸屬度時,能夠收集更全面的隸屬度信息,當取較低的隸屬度時,能夠屏蔽更多冗余信息。每個隸屬度函數側重點不同,且隸屬度函數待定的參數變化亦會導致所得評價結論的差異。考慮到模糊關系矩陣R中的元素——隸屬度函數值rij的準確性關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構建合理的模糊關系矩陣R。

基于對考察指標的分析,本次研究所選組合隸屬度函數分別為正態分布及梯形分布,采用加權平均的方式構建組合隸屬度函數f。

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

式中：σ為對應指標的標準誤差。

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

式中：μi與μj為區間邊界。

基于正態分布及梯形分布構建組合隸屬度函數：

式中：ω1與ω2分別為隸屬度函數r1j與r2j的權系數。

3.2.4 確定權重集

評價因素的權重或權數分配集為W,權重集在綜合評價中用來對R作加權處理。

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 評價結果向量分析

評價結果向量B是對每個被評價對象每個等級的程度描述。評價結果是一個模糊向量,不能直接用于評價對象的排序評優,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、加權平均原則、模糊向量單值化、計算隸屬度對比系數等[5]。本次研究采用加權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為結果向量中隸屬于第p等級的隸屬度；k為待定系數(k=1或k=2),其目的是控制較大的bj所起的作用；M為模糊綜合評價結果。

3.3 海綿社區綜合實施效能評價結果

基于模糊綜合評價法實施步驟和所建立的海綿社區綜合實施效能評價標準,以網絡分析法所確定的16項評價指標比重值為基礎,對青島某海綿社區的綜合實施效能實施評價。

參考綠色建筑評價標準,將本次海綿社區綜合實施效能評價等級分為5級,根據打分制將其量化,量化結果如表3所示。

表3 評價等級百分制表

根據SWMM軟件建立的海綿社區建設前后降雨徑流模型的模擬結果、海綿社區建設過程中的經濟性指標、社會效益指標問卷調查及技術指標的量化分析,得出青島某海綿社區評價結果為：

依據本次研究所設立的百分制評分標準,得出青島某海綿社區綜合實施效能等級為Ⅱ級,表明該項目取得較好的環境、經濟、社會效益,故認定青島某生態園海綿社區雨洪管理效果達到最初設計的目標。

4 結論與建議

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

(2)對海綿社區建設的評價必須能夠科學準確地反映海綿社區建設的成效,以便為后續海綿社區建設的完善提供指導性建議。

(3)根據社區的具體條件,參考現有國家、行業、地方標準,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的建設成效。

(4)海綿社區建設因地制宜,對其進行評價的體系也要因地制宜,基于每個地區的具體條件具體實施,避免評價目標選取僵化,并對評價體系進行動態監控,不斷自我糾正完善,形成適合當地海綿社區建設的有效評價體系。