基于DPSIR-EES和SD模型的海綿城市建設(shè)績效評價

吳 京 戎，姜 金 延

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

我國城鎮(zhèn)化程度不斷提高所帶來的水生態(tài)失衡、水污染嚴重和城市洪澇頻發(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，海綿城市在我國發(fā)展至今，已初具規(guī)模[1]。建立科學全面的績效評價體系，是檢驗海綿城市建設(shè)成效和推進海綿城市有序發(fā)展的重要舉措。

在國外，北美的低影響開發(fā)(LID)[2]、澳大利亞的水敏感城市設(shè)計(WSUD)[3]和英國的可持續(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價體系，以對LID進行全方位的績效評價；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、非流動相關(guān)影響及經(jīng)濟影響)、評估模型和技術(shù)模型，并提出將模型已存信息可視化以對其進行綜合評價；Pappalardo等[7]考察相關(guān)政策標準，并通過這些政策在國際城市的應(yīng)用，評估其普遍的績效特征，并在此基礎(chǔ)上提出了支持城市居住區(qū)SUDS實施的新績效標準。在國內(nèi)，國家財政部和住房城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺的《海綿城市建設(shè)試點績效評價指標體系》只是從整體方向把控海綿城市的績效水平，相關(guān)學者所采用的熵權(quán)TOPSIS法[8]、云模型[9]、群組評價[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)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng))理論與EES(生態(tài)-經(jīng)濟-社會)理論以及系統(tǒng)動力學理論，將海綿城市作為一個動態(tài)系統(tǒng)，在現(xiàn)有的以水為中心的績效評價體系基礎(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、社會復(fù)合屬性，構(gòu)建新的海綿城市建設(shè)績效評價模型，為未來海綿城市的量化評估和標準化推廣提供新的研究思路和理論依據(jù)。

1 海綿城市績效評價體系構(gòu)建

1.1 DPSIR-EES模型

DPSIR(Driving force-Pressure-State-Impact-Response)理論最早是由經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)在1993年對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)境與人類社會問題[13]。其運作模式是以社會、經(jīng)濟或環(huán)境發(fā)展形式出現(xiàn)的驅(qū)動力對環(huán)境施加壓力，從而導(dǎo)致環(huán)境狀況的變化，引起社會反應(yīng)的影響，從而反饋到驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)或影響中[14]。EES是我國著名生態(tài)學者馬世駿[15]在1984年提出的 “社會-經(jīng)濟-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)濟和社會的三維復(fù)合屬性。將DPSIR與EES有機結(jié)合，可同時兼顧系統(tǒng)各因素的因果關(guān)系和其內(nèi)部的生態(tài)、經(jīng)濟、社會復(fù)合屬性，從而能科學系統(tǒng)地評價海綿城市的建設(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)動力學(System Dynamics，簡稱SD)模型由麻省理工學院的Forrester教授于1956年提出[16]，是將系統(tǒng)科學理論與計算機仿真緊密結(jié)合、研究系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)與行為的一門科學。SD模型認為系統(tǒng)的行為模式與特點主要取決于其自身內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，將整個系統(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)動力學建模步驟如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)動力學建模步驟Fig.2 System dynamics modeling steps

1.3 績效評價指標體系的建立

1.3.1界定系統(tǒng)邊界與組成

首先，明確建模目的為評價海綿城市的績效水平，由于本模型設(shè)計的系統(tǒng)包含DPSIR和EES兩個系統(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)威機構(gòu)發(fā)布的指標體系和實地調(diào)研結(jié)果，確定了27個主要變量組成系統(tǒng)的影響因素。系統(tǒng)組成如表1所示。

表1 海綿城市績效評價模型系統(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效評價指標體系因果關(guān)系反饋回路，并構(gòu)建了海綿城市績效評價指標體系流圖。指標體系流圖如圖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行分析。

圖3 海綿城市績效評價指標體系流圖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→(+)項目生態(tài)效益→(+)項目績效水平→(+)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，項目生態(tài)效益增加，導(dǎo)致項目績效水平提高，最后反饋到人口數(shù)。

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

2 海綿城市績效評價模型仿真分析

2.1 項目概況

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)項目位于具有“九省通衢”美稱的江城——武漢。東靠長江，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。項目細分國博區(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個區(qū)域。本文涉及其中35個子項目，項目明細如表2所示。

表2 漢陽四新示范區(qū)海綿城市建設(shè)項目子項目明細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年為時間邊界，設(shè)仿真步長為1 a，并查閱中國城市統(tǒng)計年鑒、武漢統(tǒng)計年鑒、武漢市水資源公報、武漢市環(huán)境質(zhì)量狀況公報等資料，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)計模型與實際更為相符，本文采用以時間()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

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

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

(2) 穩(wěn)定性檢驗。通過改變模型的時間步長來驗證模型是否有變異性差錯，根據(jù)變量的變化情況檢驗整個模型的穩(wěn)定性。本文通過改變時間步長為0.5，1 a和1.5 a對系統(tǒng)進行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)模型運行穩(wěn)定，各變量的變化趨勢和幅度高度一致，能通過穩(wěn)定性檢驗。

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)項目為研究對象，利用Vensim DSS 6.5E軟件對系統(tǒng)流圖進行仿真模擬，模擬結(jié)果如下。

(1) 績效水平分析。根據(jù)武漢市海綿城市專項規(guī)劃和漢陽四新示范區(qū)海綿城市專項規(guī)劃中提供的績效標準，建立此案例所在區(qū)域部分績效指標標準，將其輸入模型中得到對應(yīng)的績效水平評價標準，如表5所示。由表5可知，項目績效水平小于0.294時不合格，在0.294和0.317之間為合格，大于等于0.317時為優(yōu)秀。

表5 案例區(qū)域部分績效指標標準及對應(yīng)績效水平Tab.5 Performance index standards and corresponding performance levels of some cases in the region

通過對系統(tǒng)仿真模擬，得到項目績效水平，如圖4所示。圖4顯示項目績效水平最低值為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)項目績效評價結(jié)果為“優(yōu)秀”。

圖4 項目績效水平Fig.4 Project performance level

將此結(jié)果與已有的項目績效評價方法如熵權(quán)TOPSIS法、云模型和層次分析法結(jié)果進行對比(如表6所示)，評價結(jié)果基本一致。在同等條件下，將本文方法與精度準確度類似的方法對比，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，過程更簡單。將本文方法與復(fù)雜程度類似的方法對比，本文方法的系統(tǒng)性和仿真性保證了其精確程度和真實性，結(jié)果更客觀。

表6 本文方法與其他評價方法的結(jié)果對比Tab.6 Comparison of the result by the proposed method with the other evaluation methods

(2) 趨勢分析。對海綿城市項目績效水平和項目社會效益、經(jīng)濟效益、生態(tài)效益的模擬結(jié)果進行趨勢分析，如圖5所示。其中項目績效水平在2015～2016年小幅增長，2016～2017年小幅下降，而在2017～2035年以后呈波動增長趨勢；項目生態(tài)效益呈波動增長趨勢；項目經(jīng)濟效益呈穩(wěn)定小幅波動趨勢；而項目社會效益則在2015～2016年劇增，2016～2017年劇降，2017～2021年又增加至臨界點，往后2021～2035年呈平穩(wěn)且微降趨勢。這樣的趨勢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，故此時績效水平有小幅波動，而未來隨著項目成熟度的提高，海綿城市績效水平也在不斷提高；項目的生態(tài)效益逐漸增強；經(jīng)濟效益波動范圍變化不大；社會效益在2015～2021年這段時間內(nèi)波動幅度大則是由于海綿城市項目在此段時間剛推行不久，對社會各方面影響較大，隨著項目持續(xù)推進和不斷完善，在2021～2035年以后項目社會效益逐漸平穩(wěn)，且隨時間變化有些微的下降，這可能與邊際效益遞減有關(guān)。因此通過趨勢分析可知海綿城市項目發(fā)展趨勢良好，可在現(xiàn)有項目基礎(chǔ)上繼續(xù)大力推廣。

圖5 海綿城市項目績效水平和生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益趨勢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，分析觀測量對控制量的敏感程度。本文選取相關(guān)政策發(fā)布量模擬200次后，分別對項目績效水平、項目社會效益、項目經(jīng)濟效益、項目生態(tài)效益進行敏感性分析，如圖6所示。項目績效水平和項目社會效益呈帶狀圖，通常稱為敏感圖和軌跡圖。項目經(jīng)濟效益和項目生態(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，項目績效水平和項目社會效益對政策發(fā)布量的變化較為敏感，而項目經(jīng)濟效益和生態(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)布量對項目績效水平和項目社會、經(jīng)濟、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效評價指標體系的構(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)建的績效評價指標體系包含了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)達標率等27個主要子指標。

(2) 從趨勢預(yù)測來看，在系統(tǒng)保持穩(wěn)定的情況下，未來海綿城市建設(shè)項目績效水平會穩(wěn)定增長，項目社會效益和生態(tài)效益也會穩(wěn)步上升，而其經(jīng)濟效益則會在波動范圍內(nèi)維持穩(wěn)定，海綿城市發(fā)展形勢大好。

(3) 從敏感性預(yù)測來看，指標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)項目投資額、污水處理率等指標對項目績效水平較為敏感，而生態(tài)岸線占比、自然湖泊保持率等指標對項目績效水平不太敏感。

3.2 建 議

基于上述海綿城市績效評價模型的研究結(jié)論，本文提出如下建議：

(1) 對于海綿城市的績效評價研究，要從海綿城市的內(nèi)涵出發(fā)，充分考慮其整體的復(fù)雜性和動態(tài)性，以及內(nèi)部的因果關(guān)系和生態(tài)、經(jīng)濟、社會復(fù)合屬性，從科學、完整、合理的角度對海綿城市進行系統(tǒng)性的評價。

(2) 對比現(xiàn)有的海綿城市績效評價體系，要從海綿城市建設(shè)的實際成效出發(fā)，反復(fù)驗證指標的可行性和準確性，以便及時更新和優(yōu)化績效評價體系，再以新的評價體系推動海綿城市的良性發(fā)展。

(3) 對于海綿城市績效評價的發(fā)展，要與低碳城市、智慧城市等理念進行融合，從宏觀角度考慮，以整個城市為主體，建立全方位、多角度的智能評價體系，以適應(yīng)未來智能城市的發(fā)展趨勢。

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，是落實生態(tài)文明建設(shè)理念的重要舉措。然而目前國內(nèi)對于海綿城市績效評價的研究仍較為匱乏。本文結(jié)合環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的DPSIR(驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng))理論與EES(生態(tài)-經(jīng)濟-社會)理論，將海綿城市看作一個動態(tài)系統(tǒng)，建立了基于DPSIR-EES和SD模型的海綿城市建設(shè)績效評價體系，并以武漢市漢陽四新示范區(qū)建設(shè)項目為例進行實證分析。與熵權(quán)TOPSIS法、云模型法和層次分析法相比較而言，本文評價方法過程更為簡化，準確度也有所提升，更為客觀易用?？勺鳛楹罄m(xù)評判海綿城市建設(shè)績效水平和推進海綿城市進一步發(fā)展的依據(jù)。