一种基于层次物元可拓法的海绵城区生态指数的评价方法

摘要

本发明涉及一种基于层次物元可拓法的海绵城区生态指数的评价方法。所述海绵城区生态指数为城区雨水控制与利用的高低程度。本发明从城区的生态控制能力和生态利用能力两方面提出影响海绵城区生态指数的因素，并从工程中切实可行的角度着手，全面分析影响城区生态控制能力与生态利用能力的各个因素，建立起本评价方法的基础，即海绵城区生态指数的评价指标体系。在此基础上应用改进的层次物元可拓法得出海绵城区生态指数。本发明提出了海绵城区生态指数，并建立了该指数的评价方法并基于该指数的特点对评价方法进行改进，为城区进行雨水控制与利用的高低程度的判断提供技术支持。

说明书

技术领域

本发明属于城区防洪排涝评价领域，涉及一种城区雨水控制与利用的高低程度的评价方法。

背景技术

随着经济社会的快速发展，城市化进程不断加快，城市发展过程中面临的雨水径流污染、洪涝灾害、水资源匮乏等突出共性问题日益严重。为从源头缓解城市内涝、削减城市径流污染负荷、节约水资源、保护和改善城市生态环境，国家提出了建设“海绵城市”的新理念，提倡构建低影响开发雨水系统。海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的弹性，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水释放并加以利用。海绵城市强调以“慢排缓释”和“源头分散式”控制为主要规划设计理念，为新型城镇化建设提供重要保障。

2014年11月，住房和城乡建设部出台技术指南，首次提出“雨水径流总量控制率”指标，指导各地建设“海绵”城市，大力推进建设自然积存、自然渗透、 自然净化的“海绵城市”，节约水资源，保护和改善城市生态环境，促进生态文明建设，旨在从源头缓解城市内涝等现象。然而目前的评价，大多是针对城区防洪内涝的风险等级的评价，评价的目的多是得出哪些地区的防洪内涝风险较高，并没有针对该地区的管渠设计能力及低响应开发措施提出建议，所以在海绵城市改造中没有明确性。基于以上提出了海绵城区生态指数评价指标体系。

海绵城区生态指数的指标体系的评价采用改进的层次物元可拓法，其中物元分析法于上世纪80年代，由我国蔡文教授创立，是主要研究和处理不相容问题的理论和方法，是贯穿于自然科学与社会科学的横断学科。目前已广泛应用于新产品构思与设计、优化决策、控制、识别与评价等各个领域。可拓方法的理论支柱是物元理论和可拓集合论。它是以事物、特征及事物关于该特征的量值三者所组成的三元组，记作R=(事物，特征，量值)。并根据待评价事物的数据资料将事物质量分成若干等级，并确定各等级的数据范围，再将待评事物的指标带入各等级的集合中进行多指标评定，评定结果按它与各等级集合的关联度大小进行比较，关联度越大，它与某等级集合的符合程度就愈佳。

在确定等级关联度时，其中最重要的一项就是确定各个指标的权重。层次分析法是一种较好的权重确定方法。它是把复杂问题中的各因素划分成相关联的有序层次，使之条理化的多目标、多准则的决策方法，是一种定量分析与定性分析相结合的有效方法。该方法将定量分析与定性分析结合起来，用决策者的经验判断各衡量目标能否实现的标准之间的相对重要程度，得出判断矩阵，从判断矩阵中得出权重。

综上，海绵城区生态指数评价指标体系的建立用于对城区的雨水控制与利用高低程度进行评价，可以明确海绵城市改造的技术方向与技术措施，同时采用改进的层次物元可拓法对指标进行评价，得出海绵城区的生态指数，可以更直观的反应该城区的雨水调节与利用能力。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于层次物元可拓法的海绵城区生态指数的评价方法，包括多层次多环节的评价指标体系和适宜的评价方法，评价城区低影响开发雨水系统、城区雨水管渠系统等对雨水控制与利用的高低程度。

在评价过程中，首先是评价体系的建立，其评价体系从城区的生态控制能力和城区的生态利用能力两方面进行评价，其中生态控制能力主要考查其管渠系统、建筑生态、道路生态、绿地生态、水系生态，而生态利用能力考查其雨水资源利用能力，并从工程中切实可行的角度着手，全面分析影响城区生态控制能力与生态利用能力的各个因素。

然后是评价方法的建立，使用其改进的物元可拓评价法，在物元分析法的基础上，对每个经典域进行归一化处理。并针对此归一化方式提出改进的关联函数。运用层次分析法确定各级指标的权重，并将最后的评价等级以百分制分数的形式来定量海绵城区生态指数。

具体步骤如下：

（1）确定评价内容与评价对象，建立三级指标评价体系，本指标体系用于评价海绵城区生态指数，其中评价指标体系从城区的生态控制能力与生态利用能力两方面着手，从不同角度对城区的雨水控制与利用的高低程度进行评价；

表1 海绵城区生态指数评价指标体系及指标含义

（2）确定三级指标的评价标准：将二十二项三级指标按海绵城区生态指数从低到高的顺序分为I、II、III、IV、V级，参考《室外排水设计规范GB 50014-2006》、《海绵城市建设技术指南（试行）》和《城市污水再生利用分类GB/T 11919-2002》标准，并结合实际情况确定所有三级指标对I、II、III、IV、V级的评价标准；按照标准的确定方式不同，三级指标分为三级定量指标和三级定性指标；所述三级定量指标是指可直接采用精确的数学区间来确定其I、II、III、IV、V级的评价标准，三级定性指标是指无法直接采用精确的数学区间只能采用区间[0，0.2]、[0.2，0.4]、[0.4，0.6]、[0.6，0.8]、[0.8，1]表示；以此来建立三级指标评价体系，从不同角度对城区的雨水控制与利用的高低程度进行评价；

表2 三级定量指标等级表

三级指标级级级级级雨水管重现期30~5020~3010~205~102~5设计降雨历时5~77~1010~1313~15≥15汇水面积<0.50.5~11~1.51.5~2≥2截流倍数≥54~53~42~3<2雨水泵站≥2515~255~15<5无泵站绿色屋顶率≥50%40%~50%30%~40%20%~30%<20%透水铺装率≥80%70%~80%50%~70%30%~50%<30%下沉式绿地率≥60%50%~60%40%~50%30%~40%<30%河网密度≥52~51~20.5~1<0.5径流水质<500500~10001000~20002000~5000≥5000

（3）根据三级指标的评价标准确定评价城区三级指标评价向量：设，其中 (i=1,2,……，22)代表第i个三级指标的评价值，代表评价城区三级指标评价向量，的确定采取调研方法，对于三级定量指标，可直接调研得出该指标的数值；对于三级定性指标，先要确定该指标的等级，再根据等级划分确定该指标的数值；

（4）运用改进的层次物元可拓评价法，得到客观科学的评价结果，具体如下：

（4.1）建立评价指标矩阵

根据步骤2确定的三级指标的评价标准作为评价指标矩阵，设为，其中中的三级指标对每一等级的评价值用（i=1,2,……,22，j=1,2,3,4,5）表示，i表示对应的第i个三级指标，j表示对应的I、II、III、IV、V级；

（4.2）规范化处理评价指标矩阵和评价城区三级指标评价向量

评价指标矩阵的规范化是对评价指标矩阵中的所有评价值进行归一化处理，使其评价值隶属于[0，1]的区间；对于三级定量指标，若中三级指标的节域是严格的闭区间，则每个经典域的归一化处理是每个经典域的端点值除以节域的右端点值，若中三级指标的节域是[m，+）的半闭半开区间，则用区间距离最大的经典域的左端点值的三倍将无限节域变为有限节域，然后并将每个经典域的端点值除以区间距离最大的经典域的左端点值的三倍进行归一化处理，最后得到归一化后的评价指标矩阵，其中中每个三级指标的经典域用表示；

评价城区三级指标评价向量的规范化是对评价城区三级指标评价向量中的评价值进行归一化处理使其评价值隶属于[0，1]的区间。规范化方法是用分别除以中第i个三级指标归一化时所除以的数值，得到归一化后的评价城区三级指标评价向量，其中，(i=1,2,……，22)代表规范化处理后第i个三级指标的评价值，代表规范化处理后评价城区三级指标评价向量；

（4.3）确定关联度矩阵K

根据规范化处理后评价指标矩阵和规范化处理后评价城区三级指标评价向量，采用关联函数的定义，确定关联度矩阵K，其中K是一个的矩阵，K中的每一项用表示；

关联函数的定义如下：

式中：表示点到有限区间的距离；表示点到节域的距离；表示有限区间的距离。点与有限区间距离的计算公式为：

（4.4）确定所有三级指标的权重

采用层次分析法确定每项三级指标的权重时，需要先确定一级指标的权重，再确定二级指标的权重，最后再确定三级指标的权重。确定权重时需要对每项指标进行两两对比，然后采用(0，1，2)三标度法排定各个指标的相对优劣顺序，构造出三标度比较矩阵C，其中，

（4.4.1）计算三标度比较矩阵C的行要素r之和：

从中找出最大值和最小值，与和相对应的要素称为两个基点比较要素，将两个基点比较要素按1～9判断尺度进行比较判断，得出其相对重要性程度为；

（4.4.2）根据三标度比较矩阵C得出间接判断矩阵A：

三标度比较矩阵并不能准确地反映各因素在某准则下的相对重要性程度，因此必须将其变换成具有层次分析法特点和性质的间接判断矩阵，利用前面的比较判断矩阵C，用以下公式求间接判断矩阵A的元素；

式中，表示间接判断矩阵A的元素，表示三标度比较矩阵C的第i行要素之和，表示三标度比较矩阵C的第j行要素之和，表示三标度比较矩阵C的行要素之和的最大值，表示三标度比较矩阵C的行要素之和的最小值，表示其相对重要性程度；

（4.4.3）求解间接判断矩阵A的权重向量：

计算判断矩阵A每行元素乘积的n次方根：

式中，表示间接判断矩阵A的元素，(i=1,2,……,n)表示间接判断矩阵A的第i行元素乘积的n次方根；

计算权重向量:

式中，(i=1,2,……,n)表示间接判断矩阵A的第i行元素乘积的n次方根，其中(i=1,2,……,n)表示第i个指标的权重值；

求权重向量W对应的最大特征值，并检验一致性：

式中：CI表示层次一致性指标；RI表示随机一致性指标，查同阶平均随机一致性指标可得出；CR表示检验系数；

CI越小，表示一致性越大；考虑到一致性的偏离可能是由于随机原因造成的，因此在检验判断矩阵是否具有满意的一致性时，还需将CI和平均随机一致性指标RI进行比较，得出检验系数CR；一般认为CI<0.1，CR<0.1时，判断矩阵的一致性可以接受，否则重新两两进行比较；

根据一级指标的权重和二级指标的权重，最后确定每项三级指标的权重向量；

（4.5）计算评价指标矩阵G_i关于等级j的综合关联度

就是步骤（4.3）中确定的关联度矩阵K与步骤（4.4）中确定的三级指标的权重向量W的乘积；

（4.6）确定综合生态等级

并

等级

式中：表示该海绵城区的综合生态等级；

（4.7）确定海绵城区生态指数

确定综合生态等级之后，采用内插法，采用表3对该综合生态等级赋分，将得到的分数定义为该海绵城区的生态指数，分数越高则代表该海绵城区的生态指数越高，低影响开发措施实施越到位，对雨水的控制与利用程度越高，分数越低则代表该海绵城区的生态指数越低。

 表3 海绵城区生态指数与综合生态等级对应表

等级级级级级级对应指数9075604530

本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种基于层次物元可拓法的海绵城区生态指数的评价方法，并针各项参数的特点，提出了改进的层次物元可拓法，用以评价城区低影响开发雨水系统、城区雨水管渠系统等对雨水控制与利用的高低程度。

住房和城乡建设部出台的海绵城市技术指南提出了海绵城市建设—低影响开发雨水系统构建的基本原则，规划控制目标分解、落实及其构建技术框架，明确了城市规划、工程设计、建设、维护及管理过程中低影响开发雨水系统构建的内容、要求和方法等内容。但在落实的过程中，需要从城区的设计现状出发，对城区的雨水控制与利用高低程度进行评价，以明确之后的技术方向与技术措施，为此提出了海绵城区生态指数评价指标体系，为决策者提供科学依据与技术支持。同时该评价方法不仅适用于该系统，也可以为其他领域其他对象的评价提供借鉴依据。

该评价指标体系不仅弥补了国内针对城区雨水控制与利用高低程度评价的空白，还可以针对该地区的管渠设计能力及低响应开发措施提出建议，并在海绵城市改造中提供技术支持，并且该评价方法操作性高，适用性强。

附图说明

图1为海绵城区生态指数评价方法流程图；

图2为海绵城区生态指数指标体系构建图。

具体实施方式

本发明的目的在于提出了一种基于层次物元可拓法的海绵城区生态指数的评价方法，下面结合具体案例对本评价方法进行详细说明。

实施例1：（1）确定评价内容与评价对象，建立三级指标评价体系。评价对象是某城区T，评价内容是对海绵城区T的生态指数进行评价。

（2）确定三级指标的评价标准，将二十二项三级指标按海绵城区生态指数从低到高的顺序分为I、II、III、IV、V级。

（3）确定三级指标的评价值，调研得出T城区的各项三级指标的数值，如表4所示。

表4  T城区三级指标调研数值表

三级指标数值三级指标数值雨水管渠设计重现期5植被缓冲带、植草沟10%设计降雨历时10人工土壤渗滤0.3汇水面积0.8河网密度1.3截流倍数3渗透塘0雨水泵站12雨水湿地0绿色屋顶率15%湿塘0蓄水池0.3调节塘、调节池0.2雨水罐0.4径流水质1400透水铺装率40%景观用水回用设施0下沉式绿地率20%城市杂用水回用设施0生物滞留设施0补充水源水回用设施0

并对所有数值进行归一化处理，按照表1的三级指标顺序，处理结果如下：（0.1，0.222，0.133，0.2，0.16，0.15，0.3，0.4，0.4，0.2，0，0.1，0.3，0.087，0，0，0，0.2，0.093，0，0，0）。

（4）运用改进的层次物元可拓评价法，得到客观科学的评价结果。

（4.1）建立评价指标矩阵；

（4.2）规范化处理评价指标矩阵和评价城区三级指标评价向量，根据步骤2确定待评价元体，为步骤2中的归一化结果，即（0.1，0.222，0.133，0.2，0.16，0.15，0.3，0.4，0.4，0.2，0，0.1，0.3，0.087，0，0，0，0.2，0.093，0，0，0）；

（4.3）根据关联函数定义，确定关联度矩阵，如表5；

表5  T城区三级指标关联矩阵表

级级级级级-0.893-0.833-0.6251.0001.000-0.3731.0001.000-0.376-0.500-0.2730.595-0.204-0.468-0.601-0.399-0.2511.0001.000-0.251-0.520-0.2000.699-0.368-0.479-0.700-0.625-0.500-0.2500.750-0.625-0.500-0.2500.500-0.250-0.500-0.3331.0001.000-0.333-0.500-0.3331.0001.000-0.333-0.667-0.600-0.500-0.3330.667-1.000-1.000-1.000-1.0001.000-0.875-0.833-0.750-0.5000.500-0.625-0.500-0.2500.500-0.250-0.739-0.3460.697-0.187-0.383-1.000-1.000-1.000-1.0001.000-1.000-1.000-1.000-1.0001.000-1.000-1.000-1.000-1.0001.000-0.750-0.667-0.5001.0001.000-0.392-0.2180.606-0.301-0.721-1.000-1.000-1.000-1.0001.000-1.000-1.000-1.000-1.0001.000-1.000-1.000-1.000-1.0001.000

（4.4）采用（0，1，2）三标度法，确定各三级指标的权重，为（0.114，0.114，0.027，0.014，0.114，0.021，0.021，0.005，0.025，0.093，0.024，0.024，0.056，0.035，0.016，0.016，0.016，0.016，0.146，0.045，0.045，0.014）；

（4.5）计算待评物元关于等级的综合关联度，为（-0.648，-0.359，-0.003，-0.159，0.116）；

（4.6）等级评定，将步骤（4.5）中关于等级的综合关联度进行归一化计算，结果为（0，0.378，0.844，0.640，1.000），并进行综合等级计算，结果为2.210级；

（4.7）确定海绵城区生态指数，步骤（4.6）中计算等级为2.210级，则根据表3在II级和III级之间进行内插计算，结果为48分。

该结果表明海绵城区T的生态指数较低，该地区对雨水的控制与利用程度不高，低影响开发措施实施还需要进一步加强。