基于AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法的城市排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能評(píng)價(jià)
—以淮安市淮安區(qū)為例

王俊嶺，熊玉華，張現(xiàn)國(guó)，鄧玉蓮

1.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院

2.北京首創(chuàng)生態(tài)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司

排水管網(wǎng)系統(tǒng)是地下設(shè)施的重要組成部分，排水管網(wǎng)系統(tǒng)的故障會(huì)導(dǎo)致城市運(yùn)營(yíng)中斷，出現(xiàn)環(huán)境問題，甚至對(duì)人類生活造成威脅。許多國(guó)家由于排水管網(wǎng)系統(tǒng)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(cuò)接、河水倒灌及管道淤積、破損等，嚴(yán)重影響著排水管網(wǎng)系統(tǒng)的輸水能力和污染物的收集效率。此外，城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行效能低下，會(huì)對(duì)污水廠的處理效率和城市水環(huán)境質(zhì)量帶來不利影響。掌握城市排水管網(wǎng)的資產(chǎn)效能及運(yùn)行狀況，可以有針對(duì)性地制定關(guān)于排水管網(wǎng)養(yǎng)護(hù)與修復(fù)的決策，為城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)管理提供便利。我國(guó)市政給水管網(wǎng)的績(jī)效評(píng)價(jià)經(jīng)過多年研究，已相對(duì)成熟，但排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能的綜合評(píng)價(jià)還處于起步階段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)學(xué)者對(duì)排水管網(wǎng)運(yùn)行效能的評(píng)價(jià)提出了一些方法。如程永前等[1]構(gòu)建了排水管網(wǎng)規(guī)劃的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并用分形維數(shù)描述了管網(wǎng)的空間分布特征，但該研究針對(duì)截流合流制排水管網(wǎng)，其應(yīng)用性有限；李林等[2]結(jié)合烏魯木齊排水管網(wǎng)的現(xiàn)狀和問題，對(duì)排水管網(wǎng)建設(shè)效應(yīng)的評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了研究，但僅僅使用層次分析法（AHP）分析篩選出了對(duì)管網(wǎng)影響較大的指標(biāo)，無(wú)法判斷排水管網(wǎng)的整體情況；冷雪[3]從基礎(chǔ)建設(shè)、服務(wù)水平和驅(qū)動(dòng)力發(fā)展3個(gè)方面建立了排水管網(wǎng)運(yùn)行效能的綜合評(píng)價(jià)體系，但該指標(biāo)體系沒有考慮管網(wǎng)資產(chǎn)的缺陷狀態(tài)?？傮w來看，現(xiàn)有研究對(duì)排水管網(wǎng)的評(píng)價(jià)多偏向于運(yùn)行效能，針對(duì)管網(wǎng)狀態(tài)方面的評(píng)價(jià)還很少，且在指標(biāo)體系的構(gòu)建上缺乏完整性和系統(tǒng)性，在綜合評(píng)價(jià)方法上缺乏改進(jìn)和創(chuàng)新。

傳統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)一般包含指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法2類要素，實(shí)現(xiàn)過程通常分為數(shù)據(jù)的收集與處理、確定指標(biāo)權(quán)重和綜合分析3個(gè)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(tǒng)方法很難取得良好的效果。目前，常用的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法有模糊綜合評(píng)判法、AHP等。由于在進(jìn)行管網(wǎng)評(píng)價(jià)時(shí)，使用的評(píng)語(yǔ)常帶有模糊性，所以宜采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法。應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法時(shí)，各指標(biāo)權(quán)重具有舉足輕重的地位，但是模糊評(píng)價(jià)的權(quán)重通常由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出，難免帶有主觀性。AHP是一種定量和定性相結(jié)合、將人的主觀判斷用數(shù)量形式表達(dá)和處理的方法，能夠盡可能地減少個(gè)人主觀臆斷所帶來的弊端，使評(píng)價(jià)結(jié)果更可信[4-6]。筆者將這2種方法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，通過AHP確定子目標(biāo)和各指標(biāo)權(quán)重，用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并以淮安市淮安區(qū)為例進(jìn)行應(yīng)用，以期為建立較為完善的城市排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能的綜合評(píng)價(jià)方法提供參考。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

排水管網(wǎng)包括雨水收集系統(tǒng)和污水收集系統(tǒng)，其整體效益受到建設(shè)、維護(hù)及外部環(huán)境等多種因素的影響。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系要盡可能地包括影響排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能的各種因素，全面體現(xiàn)城市排水管網(wǎng)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(chǔ)上，結(jié)合淮安市排水管網(wǎng)現(xiàn)狀，從管網(wǎng)的服務(wù)性能、建設(shè)狀態(tài)和維護(hù)管理3個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選，構(gòu)建指標(biāo)體系。在指標(biāo)選取時(shí)，遵循科學(xué)性、完備性、獨(dú)立性、主成分分析原則，采用頻度統(tǒng)計(jì)、理論分析、專家咨詢相結(jié)合的方法[11]，進(jìn)行了3輪篩選，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為3層網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，目標(biāo)層為排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能評(píng)價(jià)，準(zhǔn)則層包括服務(wù)性能、建設(shè)狀態(tài)和維護(hù)管理3個(gè)方面，指標(biāo)層包括14項(xiàng)指標(biāo)。各項(xiàng)指標(biāo)的含義及計(jì)算方法如表1所示。

圖1 排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of state and operation efficiency of the drainage pipe network

表1 排水管網(wǎng)狀態(tài)及運(yùn)行效能評(píng)價(jià)指標(biāo)說明Table 1 Description of the evaluation index of drainage network status and operation efficiency

2 AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法

2.1 AHP確定指標(biāo)權(quán)重

運(yùn)用AHP確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重[24]，并按照1～9標(biāo)度法通過比較指標(biāo)間兩兩重要程度，對(duì)各指標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行賦值。根據(jù)專家的賦值進(jìn)行加權(quán)加和并求平均，確定各項(xiàng)指標(biāo)的最終權(quán)重。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法的基本原理：首先確定被評(píng)判對(duì)象的因素(指標(biāo))集和評(píng)判等級(jí)論域集；然后進(jìn)行單因素模糊評(píng)價(jià)，獲得隸屬度矩陣R；最后把隸屬度矩陣（R）與因素（指標(biāo)）的權(quán)重向量集（W）進(jìn)行模糊運(yùn)算并進(jìn)行歸一化，得到模糊綜合評(píng)判結(jié)果集β。模糊綜合評(píng)價(jià)又分為一級(jí)評(píng)價(jià)和多級(jí)評(píng)價(jià)，本研究采用多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)，從多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果可以得出每層指標(biāo)對(duì)應(yīng)于等級(jí)論域的隸屬度，層次分明，結(jié)果可靠，適用于評(píng)價(jià)因素較多且層次較多的指標(biāo)體系。

2.2.1 模糊綜合評(píng)價(jià)步驟

（1）確定因素論域

若有P個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則評(píng)判因素論域可表示為μ={μ1,μ2,...,μP}。

（2）確定指標(biāo)權(quán)重

采用AHP確定W。一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重向量記為二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重向量記為

（3）確定評(píng)判等級(jí)論域

評(píng)判等級(jí)論域是由各評(píng)價(jià)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果組成的集合。根據(jù)淮安區(qū)城市排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，將評(píng)價(jià)等級(jí)論域劃分為差、中、良、優(yōu)4個(gè)級(jí)別。在等級(jí)論域的基礎(chǔ)上進(jìn)行隸屬度的確定。若給定m個(gè)評(píng)判級(jí)別，則評(píng)判等級(jí)論域可表示為每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)可對(duì)應(yīng)1個(gè)模糊子集。

（4）進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，確定隸屬度矩陣

（5）合成結(jié)果向量

通過合適的算子對(duì)R和W進(jìn)行合成運(yùn)算，得到結(jié)果向量。

在分析評(píng)價(jià)結(jié)果時(shí)，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(huì)損失過多有用信息，本研究采用加權(quán)平均的方法來確定評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬度，以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性[25-28]。

2.2.2 指標(biāo)等級(jí)論域劃分說明

指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)論域主要根據(jù)政策標(biāo)準(zhǔn)、工程統(tǒng)計(jì)資料確定[29]，盡可能最大化地反映排水管網(wǎng)目前的整體情況。定性指標(biāo)以10分制為基礎(chǔ)進(jìn)行劃分，將4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)平均劃分出5個(gè)分值范圍。等級(jí)論域劃分結(jié)果如表2所示。

表2 指標(biāo)等級(jí)論域劃分Table 2 Classification of index hierarchy

2.2.3 隸屬度矩陣的確定

對(duì)于定量指標(biāo)，采用半梯形分布的隸屬度函數(shù)來確定隸屬度矩陣。評(píng)價(jià)指標(biāo)所組成的因素集評(píng)價(jià)等級(jí)論域設(shè)對(duì)應(yīng)數(shù)值，和為相鄰2個(gè)數(shù)值，且＞。根據(jù)每個(gè)指標(biāo)的實(shí)際取值帶入式（3）～式（5）計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)單個(gè)指標(biāo)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(duì)于定性指標(biāo)，采用百分比統(tǒng)計(jì)法來確定其模糊關(guān)系矩陣。邀請(qǐng)專家根據(jù)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果中各等級(jí)論域的百分比，將其作為定性指標(biāo)的隸屬度，計(jì)算公式如下：

式中：M為μi指標(biāo)中選vi等級(jí)的人數(shù)；N為參與評(píng)價(jià)的總?cè)藬?shù)；i= 1,2,...,p；j= 1,2,...,m。

3 實(shí)例評(píng)價(jià)與結(jié)果分析

3.1 淮安區(qū)概況

淮安市是江蘇省重要的中心城市，其排水管網(wǎng)主體為分流制。目前我國(guó)大部分城市的市政排水管網(wǎng)的建設(shè)年代較早，管網(wǎng)病害問題日益嚴(yán)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(wǎng)病害問題，以淮安市淮安區(qū)為例進(jìn)行評(píng)價(jià)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(wàn)人，是江蘇省新興的工業(yè)城市。淮安區(qū)位于淮安市最南端，全區(qū)總面積為1 452.7 km2?；窗矃^(qū)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)總長(zhǎng)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(wǎng)?；窗矃^(qū)管網(wǎng)以分流制為主，截至2019年底，雨污分流管道長(zhǎng)度占98%。管道材質(zhì)以混凝土及塑料管為主，其中混凝土管道長(zhǎng)度占69.2%，塑料管道占30%，剩余極少量管道材質(zhì)為鑄鐵和磚。區(qū)域內(nèi)管道的建設(shè)年代如圖2所示。由圖2可見，2009—2013年為排水管網(wǎng)全面建設(shè)年，管網(wǎng)建設(shè)長(zhǎng)度占管網(wǎng)建設(shè)總長(zhǎng)度的71.6%，其中2009年占比為39.2%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年污水管道的更新比例約為5%。

圖2 淮安區(qū)不同年份排水管道建設(shè)的長(zhǎng)度Fig.2 Length of drainage pipe network construction in different years in Huai'an District

根據(jù)《淮安市城市排水（雨水）防澇規(guī)劃（2017—2030年）》《淮安市區(qū)污水處理專項(xiàng)規(guī)劃（2016—2030年）》，淮安區(qū)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)排水能力普遍偏低，管道水位相對(duì)較高，降水時(shí)段經(jīng)常發(fā)生路面積水的現(xiàn)象。綜合分析現(xiàn)狀排水管網(wǎng)建設(shè)情況發(fā)現(xiàn)，淮安區(qū)現(xiàn)狀管網(wǎng)病害問題較為嚴(yán)重，主要原因?yàn)楣芫W(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、淤堵嚴(yán)重、管網(wǎng)年久老化破損、管道存在逆坡、錯(cuò)口、管網(wǎng)豎向坡度不合理以及雨污管道錯(cuò)接混接等。

3.2 淮安區(qū)內(nèi)排水管網(wǎng)狀態(tài)與運(yùn)行效能評(píng)價(jià)

3.2.1 利用AHP確定指標(biāo)權(quán)重

采用層次分析法，邀請(qǐng)排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域的14位專家使用1～9標(biāo)度法對(duì)指標(biāo)分別進(jìn)行兩兩比較打分，選取專家人數(shù)占比最大的標(biāo)度值作為指標(biāo)相對(duì)重要度的最終標(biāo)度。以B1層中各指標(biāo)為例，標(biāo)度打分百分比的結(jié)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(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表3 淮安區(qū)排水管網(wǎng)狀態(tài)與運(yùn)行效能評(píng)價(jià)B1層指標(biāo)專家標(biāo)度打分百分比統(tǒng)計(jì)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(jí)指標(biāo)權(quán)重Table 4 Index weight at all levels

3.2.2 構(gòu)造隸屬度矩陣

對(duì)于定量指標(biāo)，采用半梯形分布隸屬度函數(shù)計(jì)算指標(biāo)的隸屬度；對(duì)于定性指標(biāo)，邀請(qǐng)多位淮安市排水管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理方面的專家進(jìn)行打分，按照百分比統(tǒng)計(jì)法確定各指標(biāo)的隸屬度，結(jié)果如表5所示。

表5 淮安區(qū)內(nèi)排水管網(wǎng)狀態(tài)與運(yùn)行效能評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jìn)行多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)指標(biāo)體系中各層因素（指標(biāo)）對(duì)應(yīng)的權(quán)重和模糊矩陣運(yùn)算規(guī)則，從最低層（指標(biāo)層）向上一層逐層進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)式（2）進(jìn)行第一級(jí)模糊矩陣運(yùn)算，得到準(zhǔn)則層模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果（表6）。

表6 淮安區(qū)排水管網(wǎng)狀態(tài)與運(yùn)行效能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)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(zhǔn)則層B1、B2、B3看作是目標(biāo)層A的3個(gè)單因素，則B1、B2、B3的隸屬度矩陣為：

準(zhǔn)則層的B1、B2、B3相對(duì)于目標(biāo)層A的權(quán)向量W=[0.633 3，0.106 2，0.260 5]，進(jìn)行第二級(jí)模糊矩陣運(yùn)算，得到目標(biāo)層的綜合評(píng)價(jià)集β=W×R=[0.142,0.350,0.275,0.233]。

3.3 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析

由表4可知，C層指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層A的相對(duì)重要度排序?yàn)?C14＞C12＞C33＞C15＞C11＞C31＞C22＞C34＞C13＞C32＞C24＞C25＞C23＞C21。相較其他指標(biāo)，生活污水集中收集率(C14)、雨污分流比(C12)、管網(wǎng)維護(hù)水平(C33)和污水處理率(C15)4個(gè)指標(biāo)的權(quán)重之和為0.661 1，是影響排水管網(wǎng)運(yùn)行效能的重要因素。服務(wù)性能指標(biāo)(B1)評(píng)價(jià)等級(jí)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(qū)排水管網(wǎng)服務(wù)性能處于中等偏上的水平；建設(shè)狀態(tài)指標(biāo)(B2)評(píng)價(jià)等級(jí)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(rèn)為淮安區(qū)排水管網(wǎng)的建設(shè)狀態(tài)處于中等偏下的水平；維護(hù)管理指標(biāo)(B3)評(píng)價(jià)等級(jí)處于中的可能性為45.2%，處于良的可能性為31.7%，故可認(rèn)為淮安區(qū)排水管網(wǎng)的維護(hù)管理處于中等偏上的水平。

淮安區(qū)排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果處于中的可能性為35.0%，處于良的可能性為27.5%，處于優(yōu)的可能性23.3%，處于差的可能性為14.2%。因此，可以認(rèn)為淮安區(qū)排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能處于中等偏上的水平。

圖3 淮安區(qū)排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果各等級(jí)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(píng)價(jià)結(jié)果來看，淮安區(qū)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)的狀態(tài)及運(yùn)行效能的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)不高，其原因在于建設(shè)狀態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)偏低?；窗矃^(qū)管網(wǎng)的普查結(jié)果表明，影響管網(wǎng)建設(shè)狀態(tài)的主要因素在于管網(wǎng)的病害和缺陷治理。現(xiàn)狀排水管網(wǎng)的病害問題主要表現(xiàn)在外水入侵、污水直排、雨污管道混錯(cuò)接、管道排水不暢及管網(wǎng)溢流污染5個(gè)方面?；窗矃^(qū)雨水管道和污水管道中，缺陷最多的均為管道沉積，其長(zhǎng)度占比分別為71%和80%，錯(cuò)口、破裂、滲漏、異物穿入、障礙物和殘?jiān)珘稳毕菀草^多。在以后的運(yùn)營(yíng)管理中，應(yīng)針對(duì)上述問題進(jìn)行有針對(duì)性地解決，以有效提高排水管網(wǎng)的整體水平。

4 結(jié)論

（1）對(duì)能合理表征排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行能效的指標(biāo)進(jìn)行收集和篩選，建立了基于服務(wù)性能、建設(shè)狀態(tài)、維護(hù)管理的城市排水管網(wǎng)狀態(tài)及運(yùn)行效能的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

（2）應(yīng)用排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能評(píng)價(jià)模型對(duì)淮安區(qū)排水管網(wǎng)的整體效能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，影響淮安區(qū)排水管網(wǎng)狀態(tài)和運(yùn)行效能的主要指標(biāo)為生活污水集中收集率、雨污分流比、污水處理率和管網(wǎng)維護(hù)水平4項(xiàng)指標(biāo)，其中生活污水集中收集率的權(quán)重最大（0.263 1）。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，淮安區(qū)排水管網(wǎng)的服務(wù)性能處于中等偏上的水平，其中建設(shè)狀態(tài)處于中等偏下水平，維護(hù)管理處于中等偏上水平，綜合評(píng)價(jià)淮安區(qū)排水管網(wǎng)狀態(tài)及運(yùn)行效能為中等偏上水平。