城市韧性; 排水系统评估; 组合赋权法; 灰云聚类模型; 城市内涝
*陕西省教育厅重点项目 (21JZ033)。
董思宇 (2000—), 女, 研究方向: 多指标评价与决策理论。
张翔 (通信作者) (1997—), 男, 博士, 助理工程师, 经济师,研究方向: 多指标评价与决策理论。
近年来, 随着气候变暖及城市化进程加快, 极端天气导致的内涝灾害频发, 城市不透水面积急剧增长, 降低了城市抗洪能力, 严重影响了城市的排水系统。据统计, 2022 年, 我国因城市洪涝造成的受灾人口占城市自然灾害总人口的55. 4% , 造成2445. 7 亿元的直接经济损失; 2021 年, 河南暴雨造成河南省因灾死亡失踪 398 人, 直接经济损失达1200. 6 亿元; 2023 年, 上海市新龙路西侧污水管道渗漏, 土质流失导致路面塌陷, 造成周边交通拥堵。2024 年, 柞水特大洪涝导致桥梁坍塌,造成重大人员伤亡及财产损失。因此, 开展城市排水系统韧性评估的研究刻不容缓。
国内外众多学者针对城市排水系统韧性问题展开了研究。目前城市排水系统韧性评估多以积水持续时间和积水量两个指标为主。例如, 2017 年, Mugume 等使用积水量和平均持续时间两个指标量化城市排水系统的功能损失, 发现降雨持续时间越短且强度越高, 城市排水系统的功能韧性越低; Lee 等将洪水量转换为洪水损失, 计算其损失函数, 得到韧性指数, 以反映城市排水系统的韧性变化, 结果发现洪涝持续时间越长, 城市排水系统韧性越低。以上研究虽然基于系统性能对城市排水系统进行了评估, 但忽视了相关因素对系统的影响。随着研究的不断深入完善, 部分学者又提出将社会、经济等维度纳入研究并赋予权重。例如, 2018 年, Birgani 等以技术、 经济、 社会、 环境和规划为准则层, 提出城市排水管理规划综合评估框架; 2022 年, 李正兆等提出从致灾因子、 抗灾因子及承灾因子三个准则层评估城市应对内涝灾害综合能力的指标体系, 并基于AHP 方法和GIS 技术建立了韧性定量评估模型; 2023 年, 周铭毅等综合考虑社会、 经济、 环境及管理 4 个维度, 基于熵权法与 VIKOR 法构建了广东省城市洪涝灾害韧性评估模型。将经济、 社会等维度指标纳入韧性评估指标体系,可以量化和可视化政策干预对城市排水系统韧性提升的影响, 但当前研究多为单一赋权, 而单客观未考虑决策者对各指标的重视程度, 纯主观又会忽略数据存在的客观规律, 导致所赋权重与实际不相符合。为此, 部分学者尝试突破单一赋权的局限性,缩小结果的差异性, 促使韧性评估更全面、 更准确。例如, 2023 年, 孟晓静等从经济、 社会、 生态环境和基础设施维度对西安市6个城区洪涝韧性进行评估, 并基于 AHP 和 CRITIC 组合赋权法为指标赋权; 2024 年, 尹志国等基于城市洪涝灾害韧性属性及韧性维度构建评价指标, 采用主观指标 OWA 算子、 客观指标改进 CRITIC 法计算权重; 陈述等从暴露度、 敏感性、 适应力及恢复力4 个维度构建湖北省城市洪涝灾害韧性评价指标体系, 并采用熵权法和 G1 法赋权评价指标。虽然通过定性与定量相结合的组合赋权法确定指标权重打破了单一赋权法的局限性, 使评估方法更具合理性, 但目前城市排水系统韧性研究成果在构建指标体系时忽略了系统自身和恢复能力这两个因素对城市排水系统韧性的影响, 评估过程系统性不足。
综上所述, 根据韧性城市理念, 本文提出了一种基于灰云聚类模型的城市排水系统韧性评估方法。首先, 采用可变模糊云和正态云模型得到主客观权重值, 使指标得以量化; 其次, 运用拉格朗日乘数法组合赋权法得到综合权重, 完成指标赋权, 实现信息融合; 最后, 将灰云聚类模型应用于西安市城市排水系统, 计算综合韧性评估结果, 以期为提升城市排水系统韧性、 减少灾害损失提供一定的参考。
1 城市排水系统韧性评估指标体系构建
估为例, 根据表 3 可知, 排水系统生态环境因素中的恢复能力对各等级聚类结果分别为 0. 003、0. 000、 0. 012 和 0. 003, 而 0. 012 > 0. 003 = 0. 003> 0. 000, 因此, 生态环境恢复能力的韧性等级为Ⅲ级, 即 “较高韧性”, 表明生态环境受到影响后, 需要一定时间逐渐恢复。根据表 4 可知, 生态环境对各等级的聚类结果分别是 0. 010、 0. 000、0. 018、 0. 017, 而 0. 018 > 0. 017 > 0. 010 > 0. 009,因此, 排水系统生态环境因素的韧性等级为Ⅲ级,即 “较高韧性”, 表明生态环境受到外界影响时,一般能正常恢复至原平衡状态。
根据表 4 可知, 2013—2022 年西安市排水系统在经济、 社会、 生态环境、 组织制度和系统自身 5 个对应的韧性等级分别为Ⅰ、 Ⅳ、 Ⅲ、 Ⅱ、Ⅳ级。排水系统整体处于Ⅳ级, 即 “高韧性”。生态环境因素的韧性水平优于经济因素, 关键原因在于经济方面的韧性水平提升需要经过较长时间的积累与缓冲才能取得较显著的效果, 而生态环境方面韧性水平通过制订切实可行的计划即可在短期内达到一定提升, 因此, 城市排水系统韧性建设过程中须不断修复完善生态环境, 加强提升经济韧性水平。
3. 4. 2 抵抗、 预警、 适应和恢复能力韧性评估
基于灰云模型分别对各年份的抵抗、 预警、适应和恢复能力 进 行 韧 性 评 估。由 表 5 可 知,2013—2022 年西安市排水系统韧性水平呈现先降低后增长的趋势。
3. 4. 3 评估层韧性评估
3. 5 评估方法比较
由表 7 可知, 三种方法综合韧性评估结果均为 “高韧性”, 而各评估层的韧性评估水平存在差异。例如, 生态环境方面, 由本文研究方法评估得到的结果为 “较高韧性”, 由 AHP 法评估出的结果为 “高韧性”, 由灰色模糊综合评价法评估得出的结果为 “较低韧性”。AHP 法评估过程过度依赖专家个人经验, 评估指标的量化及指标权重的确定主观性过强, 评估结果存在一定的误差。灰色模糊综合评价法基于模糊综合评价法并融合了灰色系统理论, 便于处理具有不确定性的信息,可修饰主观影响, 使结果更具准确性与客观性,但也存在局限性: 首先, 灰色模糊综合评价法在等级上要求对应的为确定的整数数值, 而实际的评价结果一般介于两等级之间, 不完全为既定等级; 其次, 该方法赋值取值需为一个确定点, 对专家打分值产生了一定的限制, 且评估结果受专家人数的影响较大; 最后, 该方法不能用确切的数值来反映随机性及评估结果的稳定性与可靠性,更不能通过图直观地反映评估等级。在实际城市排水系统韧性评估过程中, 指标数据有残缺且部分存在极端值, 具有随机性, 专家打分不完全为既定值, 等级可能介于两等级之间, 从而会降低韧性评估结果的准确性和客观性。AHP 法和灰色模糊综合评价法均未结合实际工程情况, 因此无法给出准确全面客观的韧性评估结果。本文的研究方法基于灰云聚类模型, 通过可变模糊云和正态云模型得到主客观相结合的量化结果, 采用拉格朗日乘数法进行优化, 从而弥补了上述情况的不足, 提高了评估结果的精确性与可信度。
4 结语
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收稿日期: 2024-08-07
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资料来源：《项目管理技术》2024年第11期
组稿制作：贾清刚 责任编辑：王素 内容审核：李鸿
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