海绵城市建设背景下住宅小区雨水综合利用评价

方 宇 婷

(深圳大学建筑与城市规划学院，广东 深圳 518060)



海绵城市建设背景下住宅小区雨水综合利用评价

方 宇 婷

(深圳大学建筑与城市规划学院，广东 深圳 518060)

针对雨水综合利用多属性、多指标的特点，提出了一种改进的TOPSIS评价方法，引入信息熵计算了各评价指标的权重，建立了基于熵权的综合评价模型，并将该方法应用于某住宅小区雨水综合利用评价中，结果表明，该评价方法计算过程清晰、评价结果合理。

海绵城市，信息熵，TOPSIS法，住宅小区，雨水利用

习近平在中央城镇化工作会议上提出了海绵城市建设的问题，要求在提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑利用绿色基础设施进行排水，建设生态积存、生态渗透、生态净化的“海绵城市”[1]。2015年我国开展全国首批海绵城市建设试点，旨在促进资源环境与经济建设的协调发展。在国家鼓励建设“海绵城市”的背景下，许多土地开发商、企事业等单位在住宅小区建设过程中，也开始认识到雨水综合利用的重要性。

在居住区雨水综合利用系统或技术措施建立过程中，都会涉及到雨水利用工程设计方案的优选问题。由于城市雨水利用可以缓解城市水资源短缺、减轻城市洪涝灾害的发生，更重要的是改善了城市生态环境、提升城市可持续发展能力[2]。因此在设计方案评价时，既要考虑经济效益方面，也要考虑社会效益和环境效益。

雨水综合利用评价受技术、经济和管理等诸多因素影响，是一个多指标的综合评价，因此，不能使用传统的主观评价方法。在雨水综合利用评价的研究中，国内外学者近些年来先后提出了模糊综合评判[3]、灰色系统理论[4]、可拓评价[5]等多种方法。

笔者针对雨水综合利用工程设计方案的多指标特征，提出了一种基于信息熵的逼近理想解排序评价法(TOPSIS)，它避免了传统评价法在判定评价指标的权重因子时采用层次分析法或专家意见调查法造成主观因素的不利影响，解决了雨水利用设计方案的选择问题，为制定小区总体规划或小区景观设计提供了决策支持，为雨水收集利用的实践提供科学依据。

1 TOPSIS评价模型

1.1 标准TOPSIS

TOPSIS是有限方案多目标决策分析中一种常用的有效方法。它的基本原理是通过检测评价对象与最优解、最劣解的距离来进行排序。假如评价对象最靠近最优解同时又离最劣解最远，则是最好的；否则评价对象就不是最好的。其中最优解的各指标值都达到各评价指标的最优值；最劣解的各指标值都达到各评价指标的最差值。该法有着较为简单的概念、明确的计算过程、合理的评价结果，因此在多指标评价中得到广泛应用。使用TOPSIS法进行评价时建模步骤如下[6]：

假设有m个目标，每个目标都有n个属性，则多属性决策问题的数学描述如下：

1)决策矩阵。设多指标决策问题的方案集、指标集分别为：M=(M1,M2,…,Mm)，C=(C1,C2,…,Cm)，方案Mj对指标Ci的值记为xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m),则可形成初始判断矩阵：

(1)

2)无量纲化决策矩阵。归一化处理判断矩阵后,得到归一化判断矩阵：

(2)

(3)

其中,xjmax,xjmin分别为同一指标下各个方案中第j个指标值的最大值以及最小值。

3)构造规范化的加权决策矩阵。将各指标的权重与形成的无量纲化矩阵相乘，可得到加权决策矩阵:

Z=(rij)m×n

(4)

4)确定理想解Z+和负理想解Z-：

至理想解的距离:

(5)

至负理想解的距离:

(6)

(7)

(8)

6)每个方案的相对接近度：

(9)

7)按每个方案的相对接近度Ci的大小排序，找出满意解。Ci越大的时候，表示第i个评价单元越接近最优水平，反之越接近最劣水平。

1.2 使用熵值法进行指标权重的确定

熵值法是用来确定指标权重的一种方法。在客观条件下，熵值法使用评价指标值构成的判断矩阵来判断指标权重。熵值法能尽量消除各因素权重的主观性，因此使得评价结果更客观。根据熵的定义，当m个方案n个评价指标时，其评价指标的熵为：

(10)

其中，

(11)

计算评价指标的熵权W：

W=(ωj)1×n

(12)

2 评价实例

某小区规划用地面积为2.93万m2，其中建筑物、道路与停车场、绿地占地面积分别为5 925 m2，8 995 m2，14 400 m2。小区地势平坦，土壤渗透系数平均为5×10-5m/s，地下水埋深12 m，适宜于进行雨水渗透。小区内主要建筑物为3层～4层的瓦屋面别墅，屋面雨水水质良好，且方便收集作为中水补充水源[7]。根据小区条件和用水要求，设计了以下4种雨水综合利用方案：①通过钢筋混凝土圆管直接排放；②渗透管渗透+排放；③高花坛+低绿地+浅沟、渗透渠渗透；④中水利用+浅沟渗透。每种方案有7个评价指标：工程造价(C1)、运行费用(C2)、污水治理节省费用(C3)、市政工程节省费用(C4)、节水费用(C5)、环境效益(C6)、社会效益(C7)。

工程设计方案的基本资料见表1。

表1 某小区雨水综合利用工程设计方案

应用TOPSIS 评价法对该小区雨水综合利用工程设计方案进行评价研究。具体的分析过程如下：

1)计算各个指标的权重。首先将主观评价指标量化，再对原始数据进行处理，将指标C6，C7量化为9级；评语集为：最好，很好，好，较好，一般，较差，差，很差，最差；相应的评价值分别为：1，0.875，0.75，0.625，0.5，0.375，0.25，0.125，0。

评价指标值C1，C2属于成本型指标，按式(3)进行归一化；C3～C7属于效益型指标，按式(2)进行归一化。处理后得到判断矩阵B：

2)根据式(10)计算评价指标的熵值。

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

3)根据式(12)计算指标的权重。

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

4)计算理想解与负理想解。

根据式(5)可知，决策矩阵的理想解为：Z+=(0.134 5，0.007，0.007，0.106 8，0.066 6，0.207 2，0.209 5)；

根据式(6)可知，决策矩阵的负理想解为：Z-=(0,0,0,0,0,0,0)。

5)计算欧氏距离。

由式(7)可知，4个工程设计方案和理想解的欧氏距离为：D+=(0.294 6，0.181 1，0.134，0.164 7);

由式(8)可知，4个工程设计方案与负理想解的欧氏距离为：D-=(0.184 2，0.191 7，0.290 6，0.269 4)。

6)贴近度的计算及排序。

根据式(9)计算雨水综合利用工程4个设计方案的贴近度(见表2)。

表2 4个工程设计方案贴近度及排序

由计算结果可知，4个方案的综合效益按贴近度从小到大排序依次为：方案③、方案④、方案②、方案①，由此可以看出方案③为最优方案，评价结果与文献[7]的结果相吻合。这表明TOPSIS 综合评价方法概念清晰、计算方便、评价结果可靠。

方案③采用了雨水渗透组合设施，屋面雨水流入高处花坛，经拌和土渗透净化，再与小区道路雨水汇入低洼绿地，通过截污墙后流入渗透浅沟；若雨量过大，雨水通过渗透渠继续下渗，过量的雨水最后排入市政管网。

从表1可以看出：方案③与方案②的单位工程造价和运行费用相当，方案①最低，方案④最高；污水治理、市政工程节省费用以及节水费用中，方案③均为最高，说明该方案不但减少了污水治理、市政工程的费用支出，而且雨水利用率高、节水效果显著；社会效益、环境效益等间接效益，方案④最高，方案③次之，方案①最低。

方案③是通过高花坛+低绿地+浅沟、渗透渠渗透来提高雨水的综合利用，效果最好，说明这种渗透组合设施的雨水利用设计方案是值得推荐的。

3 结语

采用基于信息熵的TOPSIS模型对城市住宅小区雨水资源利用进行综合评价研究，它避免了确定权重的主观性的不利影响，能够提高TOPSIS法的合理性和准确性。这种方法和其他评价方法相比，过程简便,结果科学，能为多目标决策提供新的途径。

雨水综合利用的效益是多方面的，更多地表现为社会效益、生态效益等间接效益。在制定雨水利用工程设计方案时，应综合考虑其产生的社会经济、环境生态方面的效益，以促进城市建设的可持续发展。

通过对多方案的雨水综合利用评价，当住宅小区采用屋面雨水收集设施、高处花坛、可渗透路面、低洼景观绿地、渗透沟渠等综合雨水工程措施时，能够依托地形更好地实现对雨水的综合利用，形成雨洪调蓄枢纽的雨水综合利用系统。通过建设绿色基础设施，让城市能够像生态“海绵”一样涵蓄和吸收水资源，进而减少城市洪涝灾害，推动生态宜居城市的建设。

[1] 高 峰.建设海绵城市 还水于自然[J].绿色中国,2015,35(22):51-52.

[2] 曾金凤.萍乡市海绵城市发展需求与建设思路初析[J].人民长江,2015,46(22):17-21.

[3] 王彩娟,徐得潜.城市雨水利用系统的模糊层次综合评价[J].工业用水与废水,2009,22(5):15-18.

[4] 赵玲萍,雷春生,张凤娥，等.灰色模糊综合评价法在城市雨水利用系统中的应用[J].节水灌溉,2011,18(12):57-58.

[5] 张新波,赵新华,洪 韬，等.基于可拓学的城市雨水利用设计方案评价[J].中国给水排水,2006,22(19):105-108.

[6] 张先起,梁 川,刘慧卿.基于熵权的改进TOPSIS法在水质评价中的应用[J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(10):1672.

[7] 李俊奇,车 武,孟光辉,等.城市雨水利用方案设计与技术经济分析[J].给水排水,2001,21(12):25-28.

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，在读硕士

TU991.14

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