陳偉珂,丁 聿
(天津理工大學(xué) 管理學(xué)院,天津 300384)
近10年來,在城市化規(guī)模急劇擴(kuò)張的同時(shí),城市內(nèi)澇等“城市病”仍在不斷發(fā)生。我國60%以上的城市都經(jīng)歷過城市內(nèi)澇災(zāi)害[1]。以往解決城市內(nèi)澇災(zāi)害主要依靠提高城市排水管網(wǎng)的泄水能力,但現(xiàn)已無法滿足城市排澇需求。“海綿城市”的概念提出后,我國在發(fā)展戰(zhàn)略層面將其作為城市發(fā)展中重要的“里子工程”進(jìn)行推進(jìn),其與城市排水管網(wǎng)相輔相成,協(xié)同作用緩解城市內(nèi)澇[2]。若要實(shí)現(xiàn)二者的高度融合須以探明城市排水管網(wǎng)基本現(xiàn)狀為基石。城市體檢作為現(xiàn)狀“診斷”的重要手段,對(duì)二者高度的功能性融合起著至關(guān)重要的基礎(chǔ)性作用。
城市體檢這一理念提出后,學(xué)者在宏觀層面以城市整體[3-4]、城市經(jīng)濟(jì)[5-6]、城市生態(tài)環(huán)境[7]等為研究對(duì)象,對(duì)城市脆弱性內(nèi)涵[8-10]、脆弱性影響因素[8]、脆弱性評(píng)價(jià)[8,11-12]、脆弱性測度[13]等方面進(jìn)行了深入研究。在研究思路方面主要是利用指標(biāo)、重要度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)計(jì)算[14-16],主要包括綜合指數(shù)、聚類分析等綜合測度方法[17-22]。通過文獻(xiàn)研究可知,以往學(xué)者進(jìn)行的相關(guān)研究多集中于宏觀層面,其研究成果雖然能夠反映城市作為一個(gè)整體系統(tǒng)應(yīng)對(duì)介入擾動(dòng)因素的抵抗能力,但對(duì)某一具體“城市問題”的“治愈”效果甚微。此外,研究者多采用的是靜態(tài)的常權(quán)評(píng)價(jià)方法,無法反映各指標(biāo)重要度在研究期內(nèi)表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)性。而變權(quán)模型可彌補(bǔ)靜態(tài)常權(quán)評(píng)價(jià)方法的缺陷,可更好地體現(xiàn)各個(gè)指標(biāo)在不同時(shí)期決策過程中的作用。變權(quán)模型現(xiàn)已應(yīng)用于城市宏觀領(lǐng)域脆弱性評(píng)價(jià)[23]、短期風(fēng)速預(yù)測[24]、地下含水層突水脆弱性和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[25-26]等領(lǐng)域,并取得了豐碩的研究成果。
在構(gòu)建脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究中,國內(nèi)學(xué)者主要是通過PSR(“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”)[27]、PSE(“壓力-敏感-彈性”)[28]、SRP(“生態(tài)敏感性-生態(tài)恢復(fù)力-生態(tài)壓力度”)[29]、SWAT[30]等模型進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建。在國際上,由IPCC[31](Intergovernmental Panel on Climate Change)于1996年提出的脆弱性由暴露度、敏感性和適應(yīng)能力決定這一觀點(diǎn)得到了普遍認(rèn)可;2007年,Polsky等[32]基于IPCC的重要觀點(diǎn)構(gòu)建了VSD(Vulnerability Scoping Diagram)模型,該模型突出了脆弱性形成的內(nèi)在機(jī)理。目前,基于VSD模型的學(xué)術(shù)研究成果表現(xiàn)出較強(qiáng)的科學(xué)性與廣泛的應(yīng)用性[33-35]。
鑒于此,本研究以天津市城市排水管網(wǎng)為例,采用VSD模型構(gòu)建城市排水管網(wǎng)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,利用懲罰型變權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行天津市排水管網(wǎng)脆弱性評(píng)價(jià),并借鑒灰色預(yù)測GM(1,1)模型進(jìn)行城市排水管網(wǎng)脆弱性警情預(yù)測。延拓城市排水管網(wǎng)體檢研究思路,豐富脆弱性研究內(nèi)容,為城市排水管網(wǎng)與“海綿城市”進(jìn)行高度功能性融合提供理論支撐,緩解城市排澇減災(zāi)的壓力。
根據(jù)天津市城市排水管網(wǎng)自身特點(diǎn)、所處環(huán)境、氣候條件以及運(yùn)維現(xiàn)狀,同時(shí)參考相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和專項(xiàng)規(guī)劃,從暴露度、敏感性和適應(yīng)能力三個(gè)維度構(gòu)建適用于城市排水管網(wǎng)脆弱性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系,將其作為城市排水管網(wǎng)體檢的標(biāo)尺,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理及指標(biāo)變權(quán)權(quán)重的確定。上述步驟完成后,將綜合指數(shù)法與變權(quán)模型相結(jié)合,進(jìn)行城市排水管網(wǎng)脆弱性綜合測度,并劃分脆弱性等級(jí),從而探明天津市城市排水管網(wǎng)實(shí)際狀況,達(dá)到城市排水管網(wǎng)體檢的目的;最后,運(yùn)用MATLAB進(jìn)行新陳代謝GM(1,1)預(yù)測模型的代碼編寫,實(shí)現(xiàn)對(duì)天津市排水管網(wǎng)脆弱程度的預(yù)測。具體研究思路如圖1所示。
2.2.1 研究區(qū)簡況 天津市位于華北平原東北部、海河流域下游,屬大陸性氣候,降雨主要集中于夏季,年平均降雨量為550~700 mm,6-7月份的降雨量占全年總降雨量的80%左右。天津市共包括18個(gè)縣區(qū),地勢(shì)總體走勢(shì)為南低北高,居民住宅、工礦以及交通用地約占天津市總土地面積的22%,園林牧地約占6%,城區(qū)內(nèi)雨水管道約1 800 km,雨水泵站約120座,雨水管網(wǎng)普及率約為80%,但面對(duì)強(qiáng)降雨天氣,城市內(nèi)澇仍有發(fā)生,例如,2016年7月,天津市出現(xiàn)連續(xù)兩天的強(qiáng)降雨,造成城區(qū)道路積水52處,海河水位持續(xù)較高,附近下沉路段全部淹沒。研究立足于“海綿城市”戰(zhàn)略背景,針對(duì)天津市具體情形對(duì)排水管網(wǎng)進(jìn)行脆弱性“診斷”,以確定天津市城市排水管網(wǎng)脆弱性指數(shù)及脆弱程度。
2.2.2 脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建 研究針對(duì)天津市城市排水管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),在借鑒前人學(xué)術(shù)成果[36]的基礎(chǔ)之上,利用VSD模型構(gòu)建天津市城市排水管網(wǎng)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。根據(jù)本研究具體內(nèi)容,將城市排水管網(wǎng)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)區(qū)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo),其中正向指標(biāo)表示指標(biāo)值越大,城市排水管網(wǎng)的狀態(tài)越佳,其脆弱程度越低;反之即為負(fù)向指標(biāo)。
借鑒功效系數(shù)法[37],采用公式(1)對(duì)正屬性指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,采用公式(2)對(duì)負(fù)屬性指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。
(1)
(2)
圖1 研究思路
表1 城市排水管網(wǎng)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
數(shù)據(jù)及資料來源:本論文所涉及的2008-2017年的研究數(shù)據(jù)與資料在天津市市政設(shè)計(jì)院、天津市排水管理處、天津市水務(wù)局、天津市統(tǒng)計(jì)局等相關(guān)部門的支持下收集所得,對(duì)于個(gè)別年份缺失的數(shù)據(jù)通過趨勢(shì)外推等方法取得;主要參考規(guī)范包括:《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB50318-2017)、《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006)(2016年版)、《城市防洪規(guī)劃規(guī)范》(GB51079-2016)、《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南-低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》(中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2014)、《天津市排水專項(xiàng)規(guī)劃(2008-2020年)》、《天津市中心城區(qū)排水防澇綜合規(guī)劃(2016-2025年)》、《天津市排澇總體規(guī)劃(2011-2020年)》、《天津市海綿城市建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃(2016-2030年)》等;2018-2020年期間的天津市城市排水管網(wǎng)脆弱性綜合指數(shù)通過MATLAB編程構(gòu)建新陳代謝GM(1,1)模型預(yù)測得到。
2.4.1 懲罰型狀態(tài)變權(quán)向量的構(gòu)造 借鑒相關(guān)學(xué)術(shù)成果[38],構(gòu)造適用于城市排水管網(wǎng)脆弱性研究的懲罰型狀態(tài)變權(quán)向量:
(3)
2.4.2 懲罰型變權(quán)權(quán)重的確定 將Si(L*)與基礎(chǔ)權(quán)重向量W進(jìn)行歸一化乘積處理后便可得到懲罰型變權(quán)向量,如公式(4)所示。
W(L*)=(w1(L*),w2(L*),…,wn(L*))
(4)
懲罰型變權(quán)向量確定之后,以各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的變權(quán)分量與總量之比作為各指標(biāo)的變權(quán)權(quán)重,其計(jì)算公式如公式(5)所示。
(5)
運(yùn)用綜合指數(shù)法構(gòu)建城市排水管網(wǎng)懲罰型變權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型:
(6)
為了便于進(jìn)行脆弱性比較,本研究參考相關(guān)學(xué)者的研究[36],并根據(jù)城市排水管網(wǎng)脆弱性評(píng)價(jià)綜合指數(shù)值V,進(jìn)行城市排水管網(wǎng)脆弱性等級(jí)劃分,具體劃分情形見表2。
采用灰色預(yù)測模型對(duì)天津市2018-2020年的城市排水管網(wǎng)脆弱性指數(shù)進(jìn)行預(yù)測。由于灰色預(yù)測具有良好的魯棒性,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于用電量預(yù)測[39-40]、就業(yè)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測[41]等領(lǐng)域。新陳代謝GM(1,1)模型則是灰色預(yù)測模型中最為常用且精度較高的短期預(yù)測模型。
根據(jù)上文得出的懲罰型變權(quán)綜合脆弱性指數(shù),運(yùn)用MATLAB實(shí)現(xiàn)城市排水管網(wǎng)脆弱性指數(shù)的預(yù)測。通過殘差M、后驗(yàn)差C、小誤差概率p以及關(guān)聯(lián)度r來檢驗(yàn)該模型的精度級(jí)別,精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表3。
表2 城市排水管網(wǎng)脆弱性等級(jí)
表3 預(yù)測精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
采用懲罰型變權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)天津市2008-2017年城市排水管網(wǎng)脆弱性綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表4。為進(jìn)一步說明變權(quán)評(píng)價(jià)思路具有更強(qiáng)的客觀性,將常權(quán)權(quán)重的評(píng)價(jià)結(jié)果與變權(quán)權(quán)重的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖2所示。由圖2可知,懲罰型變權(quán)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果普遍低于傳統(tǒng)的常權(quán)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,這正是懲罰型變權(quán)綜合評(píng)價(jià)方法所帶來的“懲罰”效應(yīng),其消除了傳統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)方法中存在的不合理的泡沫,進(jìn)而提高了最終評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性與客觀性。
表4 2008-2017年天津市城市排水管網(wǎng)脆弱性綜合指數(shù)
單獨(dú)分析懲罰型變權(quán)評(píng)價(jià)結(jié)果,在2008-2017年期間,天津市城市排水管網(wǎng)脆弱性指數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但存在上下波動(dòng)。脆弱程度總體由“中度”演進(jìn)至“輕度”,脆弱性等級(jí)在2017年首次進(jìn)入Ⅱ級(jí)。
在過去10年中,天津市陸續(xù)出臺(tái)了《天津市排水專項(xiàng)規(guī)劃》、《天津市排澇總體規(guī)劃》、《天津市海綿城市建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃》等一系列全新建設(shè)規(guī)劃,在原有規(guī)劃的基礎(chǔ)上將天津市中心城區(qū)以及外環(huán)線以外的各縣區(qū)進(jìn)行了統(tǒng)籌規(guī)劃,整合了服役時(shí)間較長的排水泵站,對(duì)市內(nèi)常積水區(qū)域進(jìn)行了排水設(shè)施的升級(jí)改造與擴(kuò)建,排水管網(wǎng)普及率約達(dá)80%。相關(guān)規(guī)劃的制定與頒布表明天津市逐漸加強(qiáng)了城市排水管網(wǎng)的建設(shè),加快城市排水管網(wǎng)發(fā)展以滿足城市排澇需求,使得天津市城市排水管網(wǎng)脆弱性逐漸降低。
在2017年,天津市城市排水管網(wǎng)脆弱度首次達(dá)到“輕度”狀態(tài),排水管網(wǎng)已基本滿足城市排澇需求,雖然已達(dá)到“輕度”狀態(tài),但其脆弱性綜合指數(shù)也僅僅是處于區(qū)間邊緣,仍然存有跌至“中度”狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)。因此,針對(duì)天津市具體積水情況,“海綿城市”的建設(shè)可優(yōu)先將重點(diǎn)集中于常積水片區(qū),緩解重點(diǎn)區(qū)域排水管網(wǎng)泄水壓力。
圖2 天津市城市排水管網(wǎng)脆弱性發(fā)展走勢(shì)
通過懲罰型變權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型,分別計(jì)算天津市城市排水管網(wǎng)在“暴露度”、“敏感性”、“適應(yīng)能力”維度的變權(quán)指數(shù),結(jié)果如圖3所示??傆[圖3可知,在“暴露度-敏感性-適應(yīng)能力”三個(gè)維度的評(píng)價(jià)結(jié)果的變化趨勢(shì)總體符合城市排水管網(wǎng)脆弱性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的走勢(shì),其中,“適應(yīng)能力”這一維度的評(píng)價(jià)結(jié)果均高于其他兩個(gè)維度,說明天津市相關(guān)政府部門與市政建設(shè)部門對(duì)城市排水管網(wǎng)的投資在市政建設(shè)投資中占有一定的比例且逐年增加,但需要注重資金的監(jiān)管與高效利用。
圖3 “暴露度-敏感性-適應(yīng)能力”變權(quán)指數(shù)走勢(shì)
3.2.1 “暴露度”分析 在暴露度這一維度中,透水地面率和綠化覆蓋率對(duì)天津市城市排水管網(wǎng)暴露度影響較大。天津市在城市發(fā)展及建設(shè)過程中,將“海綿城市”的建設(shè)理念融入其中,透水地面率由25%逐步增加至接近40%,綠化覆蓋率現(xiàn)已增長至38%。天津市面對(duì)汛期降雨較多的情形,采取了“源頭控制”策略,如:停車場、小區(qū)道路等根據(jù)具體條件采用透水地面進(jìn)行鋪設(shè);在道路兩側(cè)允許的前提下設(shè)置植草溝;舊城區(qū)進(jìn)行改造時(shí)堅(jiān)持低影響開發(fā)理念等。在暴露度中,雨強(qiáng)、降雨量難以進(jìn)行人為控制,因此,“海綿城市”的建設(shè)應(yīng)在因地制宜的基礎(chǔ)上,將重點(diǎn)置于對(duì)暴露度影響較大的透水地面率、綠化覆蓋率等方面,彌補(bǔ)城市排水管網(wǎng)功能盲區(qū)。
3.2.2 “敏感性”分析 在敏感性維度中,天津市城市排水管網(wǎng)敏感性與管網(wǎng)普及率、管網(wǎng)連通指數(shù)關(guān)系最為密切。《天津市排水專項(xiàng)規(guī)劃》(2008-2020年)將天津市主城區(qū)、濱海新區(qū)以及其他區(qū)縣的管網(wǎng)普及率目標(biāo)值分別定為95%、90%、85%。2016年,天津市中心城區(qū)排水管網(wǎng)普及率已由2007年的70.06%增加至80.4%。排水管網(wǎng)普及率的提高在很大程度上降低了排水管網(wǎng)的敏感性。在2013和2016年,敏感性變權(quán)指數(shù)有所降低,主要是由于老城區(qū)排水管網(wǎng)出現(xiàn)不同程度的破損、老化及市財(cái)政限制所致。
目前天津市城市排水管網(wǎng)實(shí)際普及率與《天津市排水專項(xiàng)規(guī)劃》中設(shè)定的目標(biāo)普及率仍有較大差距;天津市舊城區(qū)排水管網(wǎng)存在著管道服役時(shí)間較長、管道老化嚴(yán)重以及管道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低等多方面的問題。因此,天津市城市排水管網(wǎng)的規(guī)劃與建設(shè)應(yīng)集中于新區(qū)縣排水管網(wǎng)的現(xiàn)代化建設(shè)和老城區(qū)排水管網(wǎng)的升級(jí)、改造。
3.2.3 “適應(yīng)能力”分析 在適應(yīng)能力維度中,雨水管道總長度、雨水泵站數(shù)所占權(quán)重最高,其對(duì)天津市排水管網(wǎng)的適應(yīng)能力影響也較大。2008-2017年期間,天津市中心城區(qū)雨水管道長度由2008年的1 190 km增加至2017年的1 338 km、雨水泵站數(shù)由2008年的98座增加至2017年的120座;新城區(qū)排水管網(wǎng)的建設(shè)以及部分老城區(qū)排水管網(wǎng)的改建將天津市排水管網(wǎng)的排水能力由2008年的671.0 m3/s提升到2017年的1 940.3 m3/s,排水能力的極大提高使得排水管網(wǎng)應(yīng)對(duì)強(qiáng)降雨天氣等不利因素的能力也不斷提高。天津市相關(guān)政府部門對(duì)城市排水管網(wǎng)建設(shè)與改造的市政資金投入不斷增加,但現(xiàn)階段應(yīng)更加注重投入資金的監(jiān)管與高效利用。
借助Matlab實(shí)現(xiàn)新陳代謝GM(1,1)模型對(duì)天津市2018、2019和2020年的排水管網(wǎng)脆弱性綜合指數(shù)進(jìn)行預(yù)測,其預(yù)測結(jié)果分別為:0.672、0.690、0.700。結(jié)合表3所示的預(yù)測精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),新陳代謝GM(1,1)模型的預(yù)測精度檢驗(yàn)結(jié)果見表5。
表5 新陳代謝GM(1,1)模型預(yù)測精度檢驗(yàn)結(jié)果
天津市城市排水管網(wǎng)脆弱性綜合指數(shù)實(shí)際值與預(yù)測值的對(duì)比及發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測如圖4所示,從圖4不難看出,2008-2017年期間,天津市城市排水管網(wǎng)脆弱性綜合指數(shù)預(yù)測值總體走勢(shì)符合實(shí)際評(píng)估結(jié)果的趨勢(shì);2018-2020年預(yù)測期間,天津市城市排水管網(wǎng)脆弱性綜合指數(shù)逐年增長但依然處于“輕度”狀態(tài),其狀況并非完全樂觀。
面對(duì)天津市城市排水管網(wǎng)未來發(fā)展趨勢(shì),在城市排水管網(wǎng)的規(guī)劃與建設(shè)方面,天津市仍需加大對(duì)城市排水管網(wǎng)擴(kuò)建、新建的資金投入,并提高資金利用效率,進(jìn)一步提高城市排水管網(wǎng)的普及率、管網(wǎng)連通指數(shù)等重點(diǎn)指標(biāo)值,同時(shí)實(shí)現(xiàn)老城區(qū)排水管網(wǎng)的全面升級(jí)與改造,提高天津市城市排水管網(wǎng)的整體現(xiàn)代化水平。
在“海綿城市”建設(shè)戰(zhàn)略背景下,《天津市海綿城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則(2016版)》現(xiàn)已出臺(tái),針對(duì)天津市排水管網(wǎng)建設(shè)及改進(jìn)存有困難的區(qū)域,“海綿城市”的建設(shè)顯得至關(guān)重要,其建設(shè)重點(diǎn)在于雨水入滲、滯留、市政道路綠化、城市綠地與廣場等方面,使排水管網(wǎng)和“海綿城市”相輔相成,通過排水管網(wǎng)泄水、自然滲水、自然蓄水等綜合手段共同緩解城市內(nèi)澇問題。
圖4 天津市排水管網(wǎng)脆弱性綜合指數(shù)對(duì)比及預(yù)測
研究主要對(duì)天津市城市排水管網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行“診斷”及預(yù)測,并得出如下結(jié)論:
(1)2008-2017年,天津市城市排水管網(wǎng)變權(quán)評(píng)價(jià)結(jié)果總體呈上升趨勢(shì),但其中存有波動(dòng)。在暴露度方面,“海綿城市”建設(shè)集中于透水地面率與綠化覆蓋率兩方面;在敏感性方面,對(duì)老舊城區(qū)城市排水管網(wǎng)進(jìn)行深度改造與擴(kuò)建,持續(xù)降低排水管網(wǎng)自身的敏感性;在適應(yīng)能力方面,重點(diǎn)對(duì)投入資金進(jìn)行監(jiān)管,提高利用效率,完善城市排水管網(wǎng)配套設(shè)施。
(2)2018-2020年,天津市城市排水管網(wǎng)脆弱性綜合指數(shù)穩(wěn)步發(fā)展并穩(wěn)定在“輕度”區(qū)間,但“海綿城市”建設(shè)仍有巨大的發(fā)展空間。因此,更進(jìn)一步地深化“海綿城市”與城市排水管網(wǎng)的功能融合對(duì)緩解城市內(nèi)澇災(zāi)害仍具有重要的研究價(jià)值。
(3)研究表明懲罰型變權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型具有較高的科學(xué)性與客觀性,但該模型中參數(shù)的選擇與否定水平的確定對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。因此,如何選擇與確定更為合理的參數(shù)值與否定水平需要更加深入地研究。