方 宇 婷

(深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 深圳 518060)

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海綿城市建設(shè)背景下住宅小區(qū)雨水綜合利用評(píng)價(jià)

方 宇 婷

(深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 深圳 518060)

針對(duì)雨水綜合利用多屬性、多指標(biāo)的特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的TOPSIS評(píng)價(jià)方法，引入信息熵計(jì)算了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，建立了基于熵權(quán)的綜合評(píng)價(jià)模型，并將該方法應(yīng)用于某住宅小區(qū)雨水綜合利用評(píng)價(jià)中，結(jié)果表明，該評(píng)價(jià)方法計(jì)算過程清晰、評(píng)價(jià)結(jié)果合理。

海綿城市，信息熵，TOPSIS法，住宅小區(qū)，雨水利用

習(xí)近平在中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議上提出了海綿城市建設(shè)的問題，要求在提升城市排水系統(tǒng)時(shí)要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來，優(yōu)先考慮利用綠色基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行排水，建設(shè)生態(tài)積存、生態(tài)滲透、生態(tài)凈化的“海綿城市”[1]。2015年我國開展全國首批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)，旨在促進(jìn)資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。在國家鼓勵(lì)建設(shè)“海綿城市”的背景下，許多土地開發(fā)商、企事業(yè)等單位在住宅小區(qū)建設(shè)過程中，也開始認(rèn)識(shí)到雨水綜合利用的重要性。

在居住區(qū)雨水綜合利用系統(tǒng)或技術(shù)措施建立過程中，都會(huì)涉及到雨水利用工程設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選問題。由于城市雨水利用可以緩解城市水資源短缺、減輕城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生，更重要的是改善了城市生態(tài)環(huán)境、提升城市可持續(xù)發(fā)展能力[2]。因此在設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)時(shí)，既要考慮經(jīng)濟(jì)效益方面，也要考慮社會(huì)效益和環(huán)境效益。

雨水綜合利用評(píng)價(jià)受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和管理等諸多因素影響，是一個(gè)多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，因此，不能使用傳統(tǒng)的主觀評(píng)價(jià)方法。在雨水綜合利用評(píng)價(jià)的研究中，國內(nèi)外學(xué)者近些年來先后提出了模糊綜合評(píng)判[3]、灰色系統(tǒng)理論[4]、可拓評(píng)價(jià)[5]等多種方法。

筆者針對(duì)雨水綜合利用工程設(shè)計(jì)方案的多指標(biāo)特征，提出了一種基于信息熵的逼近理想解排序評(píng)價(jià)法(TOPSIS)，它避免了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)法在判定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重因子時(shí)采用層次分析法或?qū)＜乙庖娬{(diào)查法造成主觀因素的不利影響，解決了雨水利用設(shè)計(jì)方案的選擇問題，為制定小區(qū)總體規(guī)劃或小區(qū)景觀設(shè)計(jì)提供了決策支持，為雨水收集利用的實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 TOPSIS評(píng)價(jià)模型

1.1 標(biāo)準(zhǔn)TOPSIS

TOPSIS是有限方案多目標(biāo)決策分析中一種常用的有效方法。它的基本原理是通過檢測(cè)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)解、最劣解的距離來進(jìn)行排序。假如評(píng)價(jià)對(duì)象最靠近最優(yōu)解同時(shí)又離最劣解最遠(yuǎn)，則是最好的；否則評(píng)價(jià)對(duì)象就不是最好的。其中最優(yōu)解的各指標(biāo)值都達(dá)到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)值；最劣解的各指標(biāo)值都達(dá)到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的最差值。該法有著較為簡單的概念、明確的計(jì)算過程、合理的評(píng)價(jià)結(jié)果，因此在多指標(biāo)評(píng)價(jià)中得到廣泛應(yīng)用。使用TOPSIS法進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)建模步驟如下[6]：

假設(shè)有m個(gè)目標(biāo)，每個(gè)目標(biāo)都有n個(gè)屬性，則多屬性決策問題的數(shù)學(xué)描述如下：

1)決策矩陣。設(shè)多指標(biāo)決策問題的方案集、指標(biāo)集分別為：M=(M1,M2,…,Mm)，C=(C1,C2,…,Cm)，方案Mj對(duì)指標(biāo)Ci的值記為xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m),則可形成初始判斷矩陣：

(1)

2)無量綱化決策矩陣。歸一化處理判斷矩陣后,得到歸一化判斷矩陣：

(2)

(3)

其中,xjmax,xjmin分別為同一指標(biāo)下各個(gè)方案中第j個(gè)指標(biāo)值的最大值以及最小值。

3)構(gòu)造規(guī)范化的加權(quán)決策矩陣。將各指標(biāo)的權(quán)重與形成的無量綱化矩陣相乘，可得到加權(quán)決策矩陣:

Z=(rij)m×n

(4)

4)確定理想解Z+和負(fù)理想解Z-：

至理想解的距離:

(5)

至負(fù)理想解的距離:

(6)

(7)

(8)

6)每個(gè)方案的相對(duì)接近度：

(9)

7)按每個(gè)方案的相對(duì)接近度Ci的大小排序，找出滿意解。Ci越大的時(shí)候，表示第i個(gè)評(píng)價(jià)單元越接近最優(yōu)水平，反之越接近最劣水平。

1.2 使用熵值法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的確定

熵值法是用來確定指標(biāo)權(quán)重的一種方法。在客觀條件下，熵值法使用評(píng)價(jià)指標(biāo)值構(gòu)成的判斷矩陣來判斷指標(biāo)權(quán)重。熵值法能盡量消除各因素權(quán)重的主觀性，因此使得評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀。根據(jù)熵的定義，當(dāng)m個(gè)方案n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，其評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵為：

(10)

其中，

(11)

計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)W：

W=(ωj)1×n

(12)

2 評(píng)價(jià)實(shí)例

某小區(qū)規(guī)劃用地面積為2.93萬m2，其中建筑物、道路與停車場(chǎng)、綠地占地面積分別為5 925 m2，8 995 m2，14 400 m2。小區(qū)地勢(shì)平坦，土壤滲透系數(shù)平均為5×10-5m/s，地下水埋深12 m，適宜于進(jìn)行雨水滲透。小區(qū)內(nèi)主要建筑物為3層～4層的瓦屋面別墅，屋面雨水水質(zhì)良好，且方便收集作為中水補(bǔ)充水源[7]。根據(jù)小區(qū)條件和用水要求，設(shè)計(jì)了以下4種雨水綜合利用方案：①通過鋼筋混凝土圓管直接排放；②滲透管滲透+排放；③高花壇+低綠地+淺溝、滲透渠滲透；④中水利用+淺溝滲透。每種方案有7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：工程造價(jià)(C1)、運(yùn)行費(fèi)用(C2)、污水治理節(jié)省費(fèi)用(C3)、市政工程節(jié)省費(fèi)用(C4)、節(jié)水費(fèi)用(C5)、環(huán)境效益(C6)、社會(huì)效益(C7)。

工程設(shè)計(jì)方案的基本資料見表1。

表1 某小區(qū)雨水綜合利用工程設(shè)計(jì)方案

應(yīng)用TOPSIS 評(píng)價(jià)法對(duì)該小區(qū)雨水綜合利用工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。具體的分析過程如下：

1)計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。首先將主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)量化，再對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將指標(biāo)C6，C7量化為9級(jí)；評(píng)語集為：最好，很好，好，較好，一般，較差，差，很差，最差；相應(yīng)的評(píng)價(jià)值分別為：1，0.875，0.75，0.625，0.5，0.375，0.25，0.125，0。

評(píng)價(jià)指標(biāo)值C1，C2屬于成本型指標(biāo)，按式(3)進(jìn)行歸一化；C3～C7屬于效益型指標(biāo)，按式(2)進(jìn)行歸一化。處理后得到判斷矩陣B：

2)根據(jù)式(10)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值。

Hj=(0.909，0.998，0.998，0.951，0.951，0.880，0.879)。

3)根據(jù)式(12)計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重。

ωj=(0.212，0.002，0.002，0.110，0.110，0.278，0.282)。

4)計(jì)算理想解與負(fù)理想解。

根據(jù)式(5)可知，決策矩陣的理想解為：Z+=(0.134 5，0.007，0.007，0.106 8，0.066 6，0.207 2，0.209 5)；

根據(jù)式(6)可知，決策矩陣的負(fù)理想解為：Z-=(0,0,0,0,0,0,0)。

5)計(jì)算歐氏距離。

由式(7)可知，4個(gè)工程設(shè)計(jì)方案和理想解的歐氏距離為：D+=(0.294 6，0.181 1，0.134，0.164 7);

由式(8)可知，4個(gè)工程設(shè)計(jì)方案與負(fù)理想解的歐氏距離為：D-=(0.184 2，0.191 7，0.290 6，0.269 4)。

6)貼近度的計(jì)算及排序。

根據(jù)式(9)計(jì)算雨水綜合利用工程4個(gè)設(shè)計(jì)方案的貼近度(見表2)。

表2 4個(gè)工程設(shè)計(jì)方案貼近度及排序

由計(jì)算結(jié)果可知，4個(gè)方案的綜合效益按貼近度從小到大排序依次為：方案③、方案④、方案②、方案①，由此可以看出方案③為最優(yōu)方案，評(píng)價(jià)結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的結(jié)果相吻合。這表明TOPSIS 綜合評(píng)價(jià)方法概念清晰、計(jì)算方便、評(píng)價(jià)結(jié)果可靠。

方案③采用了雨水滲透組合設(shè)施，屋面雨水流入高處花壇，經(jīng)拌和土滲透凈化，再與小區(qū)道路雨水匯入低洼綠地，通過截污墻后流入滲透淺溝；若雨量過大，雨水通過滲透渠繼續(xù)下滲，過量的雨水最后排入市政管網(wǎng)。

從表1可以看出：方案③與方案②的單位工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)，方案①最低，方案④最高；污水治理、市政工程節(jié)省費(fèi)用以及節(jié)水費(fèi)用中，方案③均為最高，說明該方案不但減少了污水治理、市政工程的費(fèi)用支出，而且雨水利用率高、節(jié)水效果顯著；社會(huì)效益、環(huán)境效益等間接效益，方案④最高，方案③次之，方案①最低。

方案③是通過高花壇+低綠地+淺溝、滲透渠滲透來提高雨水的綜合利用，效果最好，說明這種滲透組合設(shè)施的雨水利用設(shè)計(jì)方案是值得推薦的。

3 結(jié)語

采用基于信息熵的TOPSIS模型對(duì)城市住宅小區(qū)雨水資源利用進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)研究，它避免了確定權(quán)重的主觀性的不利影響，能夠提高TOPSIS法的合理性和準(zhǔn)確性。這種方法和其他評(píng)價(jià)方法相比，過程簡便,結(jié)果科學(xué)，能為多目標(biāo)決策提供新的途徑。

雨水綜合利用的效益是多方面的，更多地表現(xiàn)為社會(huì)效益、生態(tài)效益等間接效益。在制定雨水利用工程設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮其產(chǎn)生的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境生態(tài)方面的效益，以促進(jìn)城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

通過對(duì)多方案的雨水綜合利用評(píng)價(jià)，當(dāng)住宅小區(qū)采用屋面雨水收集設(shè)施、高處花壇、可滲透路面、低洼景觀綠地、滲透溝渠等綜合雨水工程措施時(shí)，能夠依托地形更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水的綜合利用，形成雨洪調(diào)蓄樞紐的雨水綜合利用系統(tǒng)。通過建設(shè)綠色基礎(chǔ)設(shè)施，讓城市能夠像生態(tài)“海綿”一樣涵蓄和吸收水資源，進(jìn)而減少城市洪澇災(zāi)害，推動(dòng)生態(tài)宜居城市的建設(shè)。

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The evaluation of integrative utilization of rainwater in residential community under the background of sponge city construction

Fang Yuting

(ShenzhenUniversityCollegeofArchitectureandUrbanPlanning,Shenzhen518060,China)

According to the characteristics of rainwater comperehensive untilization, multi attributes, the paper provided an improved TOPSIS evaluation method. An information entropy to calculate the weight coefficient of index is introduced and this comprehensive evaluation model based on entropy is established. The method is applied to an evaluation of rainwater integrative utilization in a residential community. The results show that the process of calculation is clear and the evaluation result is reasonable.

sponge city, information entropy, TOPSIS method, residential community, rainwater utilization

1009-6825(2016)20-0116-03

2016-05-07

方宇婷(1991- )，女，在讀碩士

TU991.14

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