李 俊，吴 珊，侯本伟，曾小春

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2.北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100124；3.深圳市同济人建筑设计有限公司，广东深圳 518000)

目前国内海绵城市建设处于起步阶段，技术研究尚相对薄弱；对于海绵城市建设中涉及的低影响开发技术措施(LID)的不同组合研究更少。对于规划设计过程中选用的不同LID组合措施急需建议一套统一、有效的评估方法，以提高LID措施的组合设计的科学性、有效性、合理性及经济性。LID措施的组合优化评估是一个复杂、多因素与多层次的系统。层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是一种将定量与定性相结合的系统化结构化的评估决策方法[1]，其主要适用于多目标因素结构复杂、缺乏必要数据和需要将经验判断定量化的情况。其缺点是构造模糊判断矩阵时没有考虑到人的判断模糊性，而且一致性检验过于复杂[2]。三角模糊数层次分析法(triangular fuzzy number-analytic hierarchy process，TFN-AHP)弥补了AHP法的不足之处，可以保证评估决策结果的客观性[3-4]。目前在结合LID措施评估决策上的相关应用研究都只是停留在单项措施选用方面：如Young等[5]和谢季坚等[6]在2010年运用AHP对不同雨洪管理措施进行了决策分析；谢玉霞[4]在2013年运用模糊层次分析法在雨洪管理措施决策进行分析研究。

本研究通过利用TFN-AHP方法对LID几项单项技术措施的不同组合优化方案以定性和定量相结合的方式进行了评估研究，从海绵城市建设方案实施的角度，提供了一套科学、合理、可操作性的评估方法。

1 LID组合优化措施评估指标体系

1.1 单项LID措施评估比选体系

选用不同单项LID措施在技术性(A1)、经济性(A2)与社会效益(A3)指标方面展开分析。技术性指标(A1)由径流量削减率(B1)、雨峰流量削减率(B2)和径流污染削减率(B3)三项来构建。经济性指标(A2)由基建成本(B4)、运行维护成本(B5)两个来表示；社会效益指标(A3)主要包括景观效应(B6)和生态功能(B7)。研究选用的单项LID措施有绿色屋顶(O1)、透水铺装(O2)、下凹式绿地(O3)和雨水调蓄池(O4)等四种。

根据深圳市、武汉市和上海市等省市海绵城市建设技术导则以及相关研究的相关数据统计分析，建立单项措施比选框架图(图1)和单项海绵城市LID措施指标比选表(表1)。

图1 单项海绵城市LID措施比选框架图Fig.1 Comparison and Selection of LID Measures for Individual Item of Sponge City

指标措施径流量削减率雨峰流量削减率径流污染削减率(以SS计)基建成本运行和维护成本景观效益生态功能绿色屋顶25%～70%☆☆70%～80%☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆透水铺装30%～75%☆☆80%～90%☆☆☆☆☆下凹式绿地20%～32%☆50%～75%☆☆☆☆☆☆☆☆雨水调蓄池50%～80%☆☆☆30%～50%☆☆☆☆☆地下没有影响,地上影响很小☆

注：无-无效果； ☆-效果差； ☆☆-效果中等； ☆☆☆-效果很好

1.2 LID组合优化措施评估指标体系

将单项LID措施进行组合，形成不同的方案。研究中以上述4种措施构建形成了11种不同组合方案，用字母加数字的方式来命名每一种方案，如图2所示。

之后进行LID措施组合方案递阶层次分析体系的构建。该阶层次分析体系为四层，包括目标层、准则层、指标层以及方案层。

图2 海绵城市LID措施组合方案递阶层次分析体系Fig.2 Hierarchical Analysis System of LID Measures Combination Scheme for Sponge City

2 三角模糊综合评估模型

2.1 三角模糊数基本概念

(1)

图3 三角模糊隶属度函数Fig.3 Triangular Fuzzy Membership Function

(2)

(3)

(4)

2.2 构造模糊判断矩阵

表2 1～9标度法及其含义Tab.2 1～9 Scale Method and the Meanings

在三角模糊数构造的模糊判断矩阵[n,m,u]中，中间值m为专家给出的两指标相对重要程度，模糊评判区间下界n和上界u可根据专家对判断模糊程度确定；u-n越大，表示专家的判断越模糊；u-n越小，表示专家越清楚。

2.3 计算评估指标的权重

(1) 利用判断矩阵构造模糊评价因子矩阵E，计算方法如式(5)。

E=(eij)n×n=

(5)

(2) 计算调整判断矩阵Q，如式(6)。

(6)

其中，矩阵M为判断矩阵中所有三角模糊中间值mij组成的矩阵。

(3) 将调整判断矩阵Q按列转换成对角线为1的判断矩阵，记为判断矩阵P，如式(7)。

Pij=(pij)n×n

(7)

且满足式(8)。

(8)

(4) 利用相容矩阵分析法对矩阵P进行变换，得到相容矩阵R，如式(9)～式(10)。

R=(rij)n×n

(9)

rij=rikrkj(k=1,2,…,n)

(10)

且满足式(11)。

(11)

同时满足式(12)。

(12)

(5) 计算在标准层中各指标分别在方案层中的权重ωα-Si，如式(13)和式(14)。

(13)

(14)

2.4 计算各指标对于总目标综合权重

计算各指标对于总目标的综合权重ω。将计算指标层中的不同指标条件下在方案层中对应不同的权重ωα-Si，根据相同方法计算指标对应的不同权重ωa(a=1)。根据求得指标权重与指标条件下的方案权重进行综合权重计算，如式(15)。

ω=ωaωα-Si(i=1,2,…,n)

(15)

且将其进行排序，选出最佳组合优化措施。

2.5 利用PCSWMM模型进行模拟验证

首先由于TFN-AHP法的计算太过复杂，利用MATBAB软件对上述TFN-AHP法的计算原理进行编程计算，可大大提高计算速度。再将原有措施方案sn(n=1,2,…,11)分别带入PCSWMM模型中进行模拟分析验证，将在不同指标Bt(t=1,2，...，7)条件下模拟结果排序。

其中，构建PCSWMM模型主要由降雨数据、管网数据、子汇水区以及模型其他参数等组成。

降雨数据是由研究区域的暴雨强度公式和芝加哥雨型公式进行耦合得到。

管网数据一般是由管道参数(长度、坡度、管径等)、检查井参数(地面标高、井底标高等)以及排放口(井底标高、是否淹没出流、是否有潮汐等)等参数组成。

利用ArcGIS中一个创建泰森多边形功能命令来划分子汇水区，子汇水区数据有子汇水区编号、出水口、面积和雨量计等；用PCSWMM模块进行地表产汇流计算时，参数包括不透水区百分比、宽度和坡度等。

根据研究区域的地形和土壤特点，查阅研究区域相关雨洪模型文献资料以及SWMM手册，得到PCSWMM模型的水文水力模块主要参数初始值如表3所示。

表3 PSWMM模型水文水力模块主要参数初始值[10-12]Tab.3 Initial Values of Main Parameters of Hydrologic and Hydraulic Module for PSWMM Model [10-12]

模拟结果根据不同LID措施组合条件下系统出流量变化曲线进行分析，其中出流量曲线峰值大小可以得到模型雨峰削减效果好坏，即用雨峰削减百分率表示；为此雨峰削减百分率大小排序与利用三角模糊层次分析法(TFN-AHP)计算的权重ωi排序相吻合，则说明该方法有效、可行的；从而根据综合权重集合V={υ1,υ2,…,υn}(n=1,2,…,11)得到最佳LID措施组合方案。

3 实例分析

以某滨海城市填海区海绵城市建设工程中LID措施组合优化方案的选择为研究案例，对上述LID组合措施评估方法进行验证分析，以期为今后海绵城市LID组合措施的工程应用提供借鉴。

首先根据三角模糊综合评价模型原理，构造不同LID组合措施的模糊判断矩阵。其中以“B2雨峰流量削减率”为准则条件下构造的模糊判断矩阵B=(bij)11×11(表4)。

依据三角模糊综合评价模型计算原理，利用MATLAB软件编程将在不同准则条件下计算在方案层中方案权重ωα-Si。在以“B2雨峰流量削减率”为准则条件计算得到ωα-Si(i=1,2,...,11)，如表5所示。在以“B2雨峰流量削减率”为准则条件下得到权重排序情况可以得知，方案S11(绿色屋顶+透水铺装+下凹式绿地+雨水调蓄池)在雨峰削减效果方面最好，其次是方案S8(绿色屋顶+透水铺装+雨水调蓄池)，排第三的是方案S10(绿色屋顶+下凹式绿地+雨水调蓄池)，相对来说雨峰流量削减效果最差是方案S4(透水铺装+下凹式绿地)。

表4 “B2雨峰流量削减率”为准则条件下构造的模糊判断矩阵Tab.4 Fuzzy Judgment Matrix Constructed under Criterion Conditions of “B2 Rain Peak Flow Reduction Rate”

表5 在以“B2雨峰流量削减率”为准则条件下各方案权重值排序表Tab.5 Sorting of Weights of Schemes under the Criterion of “B2 Rain Peak Flow Reduction Rate”

根据同样的方法及MATLAB软件，在以各个指标为准则条件下得到各个方案权重值ωα-Si，如表6所示。

表6 各指标条件下的各方案权重值Tab.6 Weights of Schemes under Each Index Condition

表7 指标层各个权重值及其排序Tab.7 Weight Values of Indicator Layer and the Sorting

将指标层权重与各个方案权重值进行计算得到下表中的综合权重值，并且将其进行排序，选出最佳组合优化措施，如表8所示；可以看出，最佳组合优化措施是方案S11，依次排序是S8、S10、S9、S6、S3、S5、S7、S2、S1、S4。

表8 综合权重值排序表Tab.8 Sorting of Comprehensive Weights

以该填海区海绵城市建设地块为研究区域，选用该区域的降雨、管网、地形、水文等数据资料，利用PCSWMM软件建立雨洪模型，其中降雨资料利用重现期P=2，降雨历时t=120 min的芝加哥设计降雨；根据PCSWMM模型模拟结果，得到在不同方案措施条件下的出流量变化曲线(图4)，并且换算得到雨峰削减率(表9)。其中在没有潮汐情况下，最佳组合措施是方案S11(绿色屋顶+透水铺装+下凹式绿地+雨水调蓄池)，依次排序是S10、S9、S8、S6、S3、S5、S7、S2、S4、S1。

图4 PCSWMM模型系统出流量变化曲线Fig.4 Outflow Curve of PCSWMM Model System

表9 在雨峰削减百分率为指标下各组合措施在TFN-AHP法与真实模拟排序对比Tab.9 Comparison of FTN-AHP and Real Simulation Sorting for Various Combination Measures under Rainstorm Reduction Percentage Index

由表9可知，TFN-AHP评估方法得到综合权重排序情况与海绵城市PCSWMM模型模拟结果基本上是吻合的，即最佳组合措施排序依次是方案S11，S8、S10、S9、S6、S3、S5、S7、S2、S1、S4。因此，研究提出的这种基于TFN-AHP法的LID措施最佳方案评估方法是可行的。

4 结论

本研究中首先结合LID单项措施的削减效果、经济成本、功能效益等特点构造了单项LID措施比选体系，在此基础上建立了一套LID组合措施方案的评估指标体系。研究中结合海绵城市LID组合措施评估指标体系的特点，运用三角模糊层次分析法(TFN-AHP)建立了评估模型，有效地克服了以往评估中专家的主观因素影响比较大的弱点，增强了科学合理性。在案例分析中，利用MATLAB软件和PCSWMM模型辅助方案比选和计算排序保证结果可靠性和计算过程方便快捷。实例分析结果证实了该评估方法的可行性和有效性，对实际工程应用具有较好的参考价值。