基于可變模糊聚類(lèi)的城市排水系統(tǒng)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

張弘

（大連市排水處，遼寧 大連 116011）

1 引 言

受城市化進(jìn)程推進(jìn)及全球氣候變化下極端天氣頻現(xiàn)等的影響，近年我國(guó)武漢、合肥、南京、北京等多座城市出現(xiàn)“城市看海”畫(huà)面，相繼發(fā)生較為嚴(yán)重的內(nèi)澇災(zāi)害，使城市蒙受了較大的經(jīng)濟(jì)損失，給市民的生活帶來(lái)了很大的不便，甚至發(fā)生市民因?yàn)?zāi)死亡事件[1-3]。

內(nèi)澇災(zāi)害頻繁發(fā)生主要受兩方面因素影響。一方面，全球氣候變化導(dǎo)致極端降雨頻現(xiàn)；另一方面，城市化發(fā)展進(jìn)程的不斷加快導(dǎo)致下墊面不透水層比例增大，即徑流系數(shù)增大，雨水下滲量減少，地面截流作用變差，地表徑流的匯流時(shí)間變短，洪峰提前，并且城市的擴(kuò)張，也使得原有管道系統(tǒng)的匯水面積增大，導(dǎo)致原有管道的負(fù)荷增大。加強(qiáng)城市排水防澇的規(guī)劃與建設(shè)是應(yīng)對(duì)城市內(nèi)澇的根本措施，但城市排水防澇的規(guī)劃與建設(shè)一定是在現(xiàn)有排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化及完善，因此采用先進(jìn)的技術(shù)、理論與方法，分析城市內(nèi)澇形成的機(jī)理，對(duì)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)工作。

城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究較少，主要有歷史災(zāi)情數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、指標(biāo)體系法、水文水力學(xué)模型及仿真分析法[4]。城市內(nèi)澇災(zāi)害受城市水文、氣象、下墊面及人類(lèi)活動(dòng)等多種因素影響，因此城市排水系統(tǒng)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估屬于多因素、多目標(biāo)決策問(wèn)題。目前，研究應(yīng)用于城市排水系統(tǒng)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的多指標(biāo)分類(lèi)方法主要有模糊綜合評(píng)判、灰色關(guān)聯(lián)度分析、層次分析及聚類(lèi)分析等[5]。由于層次分析等方法在定性轉(zhuǎn)化定量的過(guò)程中主觀依賴(lài)性較強(qiáng)，王磊、周玉文[6]提出了基于投影尋蹤的城市排水系統(tǒng)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，該方法指標(biāo)權(quán)重的確定相對(duì)比較客觀、不受人為因素干擾。實(shí)際上，權(quán)重對(duì)評(píng)估的影響是較大的，雖然難以確定但不容回避。通過(guò)確定投影尋蹤聚類(lèi)模型中的密度窗寬（截?cái)喟霃剑╅g接確定的指標(biāo)權(quán)重具有很大不確定性，缺乏理論依據(jù)[7]?？勺兡：垲?lèi)方法突破了扎德的靜態(tài)、單隸屬度概念，可以很方便地分析指標(biāo)權(quán)重對(duì)聚類(lèi)結(jié)果的影響，已經(jīng)在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8-15]。為此，筆者將陳守煜創(chuàng)建可變模糊聚類(lèi)模型應(yīng)用于城市排水系統(tǒng)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以期得到更合理的分析結(jié)果。

2 可變模糊聚類(lèi)原理

可變模糊聚類(lèi)模型的具體原理請(qǐng)見(jiàn)文獻(xiàn)［12］。

3 城市排水系統(tǒng)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

以大連某排水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為例，具體說(shuō)明評(píng)估過(guò)程。該地區(qū)面積約為100.87 hm2，排水管網(wǎng)分布圖如下圖1，首先采用美國(guó)EPA的SWMM模型對(duì)該地區(qū)排水系統(tǒng)進(jìn)行建模計(jì)算。采用重現(xiàn)期為50年一遇6 h設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程線(xiàn)（如圖3所示）作為模型的輸入進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得排水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)超標(biāo)情形下的水力狀況。然后對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各種指標(biāo)進(jìn)行處理分析，參照文獻(xiàn)[6]分析得出排水系統(tǒng)洪澇風(fēng)險(xiǎn)與排水系統(tǒng)水力狀況、影響區(qū)域范圍和社會(huì)功能等因素有關(guān)，其在此基礎(chǔ)上建立了科學(xué)的、全面的、實(shí)用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，可操作性較強(qiáng)；又結(jié)合這次研究區(qū)域特點(diǎn)，這次計(jì)算使用的指標(biāo)體系包括檢查井最大積水深度、最大洪水流量、檢查井洪水總水量、檢查井洪水持續(xù)時(shí)間、集水區(qū)不透水面積、集水區(qū)總面積和所在道路等級(jí)等共7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中前6個(gè)指標(biāo)為越大越優(yōu)型指標(biāo)，而所在道路等級(jí)為越小越優(yōu)型指標(biāo)，指標(biāo)樣本集共有105個(gè)樣本(檢查井總數(shù))（見(jiàn)表1,已歸一化處理）。

圖1 某排水系統(tǒng)圖

圖2 某時(shí)刻部分管線(xiàn)水位圖

圖3 50年一遇6h雨型圖

表1 排水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)集

采用陳守煜教授提出的可變模糊聚類(lèi)進(jìn)行聚類(lèi)分析計(jì)算。首先對(duì)105個(gè)排水管井的各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，然后應(yīng)用文獻(xiàn)［12］的公式（23）～（24）進(jìn)行計(jì)算，其中α=p=2，即距離參數(shù)取為歐氏距離。由于不同指標(biāo)對(duì)模糊聚類(lèi)的權(quán)重不同，且權(quán)重是可變模糊聚類(lèi)迭代模型中的一個(gè)重要參數(shù)。首先考慮采用等權(quán)重 ω1，即 ω1=（1/7，1/7，1/7，1/7，1/7，1/7，1/7），運(yùn)用可變模糊聚類(lèi)對(duì)排水區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估分級(jí)。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行3級(jí)劃分，即高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（3級(jí)）、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（2級(jí)）、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（1級(jí)）。通過(guò)迭代計(jì)算，得到聚類(lèi)中心為：

S1=（0.909，0.140，0.038，0.159，0.208，0.234，0.345）

S2=（0.017，0.005，0.003，0.006，0.161，0.195，0.019）

S3=（0.026，0.010，0.006，0.011，0.177，0.218，0.510）。

最優(yōu)糊聚類(lèi)矩陣列于表2，即各排水管井對(duì)1，2，3類(lèi)的相對(duì)隸屬度數(shù)據(jù)，應(yīng)用級(jí)別特征值公式，得到 105 個(gè)排水管井歸屬各類(lèi)的類(lèi)別特征值Hj。其中，當(dāng)i≤Hj≤1.5時(shí)，歸屬 1類(lèi)，當(dāng) 1.5＜Hj≤2.5時(shí)，歸屬 2類(lèi)，當(dāng) 2.5＜Hj≤3時(shí)，歸屬3類(lèi)。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，借助ArcGIS進(jìn)行空間分析，則得到重現(xiàn)期為50年一遇的某排水區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分布圖，如圖4所示。

表2 最優(yōu)模糊聚類(lèi)結(jié)果（ω1）

圖4 重現(xiàn)期為50年的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分布

根據(jù)計(jì)算出的級(jí)別特征值，計(jì)算結(jié)果越大，則城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高，屬于城市內(nèi)澇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，易于發(fā)生洪災(zāi)，屬于城市防洪減災(zāi)的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。由圖中可以看出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的區(qū)域，正是檢查井溢流較為嚴(yán)重的區(qū)域，與實(shí)際情況吻合很好。

4 結(jié) 語(yǔ)

可變模糊聚類(lèi)可以用來(lái)處理多因素復(fù)雜問(wèn)題的聚類(lèi)分析，通過(guò)多指標(biāo)分析，對(duì)城市排水系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，與實(shí)際情況吻合很好，其結(jié)果能正確反映出城市雨水洪澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，可以有效應(yīng)用于城市防災(zāi)減災(zāi)。可變模糊聚類(lèi)考慮各指標(biāo)的權(quán)重，優(yōu)于傳統(tǒng)的模糊聚類(lèi)模型，模型簡(jiǎn)單，具有良好的性能，可方便應(yīng)用于城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

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