基于功效系数法的南京城市防洪规划方案评价

王 超，杨 勇，李结华，王丽君

(南京市水利规划设计院，江苏 南京 210000)

1 概述

防洪规划是为防治某一流域、河段或者区域的洪水灾害而制定的总体安排，包括规划目标、原则、防洪工程措施的总体部署和防洪非工程措施规划等内容，是抵抗洪水灾害、保证生命财产安全的重要指导性文件[1]。随着全球气候变化、城市热岛效应、人口增加、社会经济发展等现象的出现，我国城市防洪面临着许多新问题[2]，有必要根据具体的变化情况调整城市防洪规划方案[3]。城市防洪规划方案的优化选择是一项多目标多准则的决策问题，影响因素众多，情况复杂多变，要采用科学合理的方案评价方法[4]。目前，城市防洪规划方案的评价方法包括模糊评价法、二元语义评价法、BP神经网络法、投影寻踪法、和粗糙熵理论法等[5]，这些方法均未在城市防洪规划方案的评价中得到普遍认可。功效系数法具有理论成熟、思路清晰、计算简单的特点，在商业、服务业、金融业等领域有着广泛的应用[6]。本文引入功效系数法用于城市防洪方案的评价中，构建基于功效系数法的城市防洪规划方案评估模型，并以南京市城市防洪规划方案为例验证该模型的合理性。

2 防洪规划评价案例与模型

2.1 研究区概况

南京市位于江苏省西南部，地处长江下游，地理坐标为北纬31°14′～32°37′，东经118°22′～119°14′，常住人口816.10万人，土地总面积6587.02km2。属北亚热带湿润季风气候区，四季分明。多年平均年降水量1059.8mm，多年平均年水面蒸发量884.3mm，多年平均气温15.5℃，多年平均风速3.6m/s，多年平均水资源总量9066亿m3。境内有三大主要水系，即长江水系、淮河水系、太湖水系。长江水系是南京市境内最大的水系，可细分出四条水系，即长江南京河段沿江水系、秦淮河水系、滁河水系、水阳江水系。

2.2 防洪规划方案

南京市城市防洪规划的总体目标是根据苏南现代化建设示范区及南京经济社会现代化建设的总要求，针对《南京市城市总体规划》确定的城市布局，依托长江、秦淮河、滁河等流域防洪安排，统筹协调流域防洪与城市防洪、城市防洪与排涝、防洪工程与城市基础设施等方面的关系，构建与城市经济社会发展相适应的“安全保障可靠、生态景观良好、运行调度高效”的现代化城市防洪减灾体系。以此目标为导向，南京市城市防洪拟定了4个规划方案，主要差别在于秦淮河流域南京段的工程布置。

(1)方案A：保持现状不变。

(2)方案B：全线加高加固干、支流堤防。

(3)方案C：扩挖秦淮河干流、秦淮新河和加固干流局部堤防相结合。

(4)方案D：新开分洪河道和加固干流局部堤防相结合。

2.3 防洪规划方案评价模型

基于功效系数法评价南京市城市防洪规划不同方案的合理性，该方法可以从不同侧面进行分析判断的综合评价和多目标决策方法[7]，主要分4步：建立评价指标体系、确定功效要素值、计算单项功效系数、评估总功效系数。

基于城市防洪的基本影响与限制因素，结合区域实际，遵循系统性、科学性、代表性、可行性、独立性等原则，构建了南京城市防洪规划方案的评价指标体系，如图1所示。

图1 防洪规划方案评价模型

在该体系中，“拆迁移民”、“生命安全”、“河道堤防”、“生态环境”等要素可称为“功效要素”，所对应的值为“功效要素值”。各方案的功效要素值及其权重主要采取专家打分法确定。邀请南京市水利主管单位代表、水利咨询机构代表、水利施工单位代表、高校科研机构代表、民众代表共10名专家进行打分。分数介于0～10之间，其中0～2表示“差”、2～4表示“一般”、4～6表示“良”、6～8表示“好”、8～10表示“优”，最终根据平均值取值。

在该体系中，“实施条件”、“投资规模”、“工程效益”、“生态文明”可成为“单项功效指标”，所对应的值为“单项功效系数”。各方案的单项功效指标值主要根据功效要素值及其权重来确定，其基本公式为：

fi=wi1pi1+wi2pi2

(1)

式中，fi—第i个单项指标值；pi1—第i个单项指标下的第1个功效要素值；wi1—对应的权重值；pi2—第i个单项指标下的第2个功效要素值；wi2—对应的权重值。

各方案的合理性程度可由“方案功效”来度量，在功效系数法中可称为“总功效指标”，所对应的值为“总功效系数”。各方案的总功效系数主要根据功效指标值及其权重来确定，其基本公式为：

F=W1f1+W2f2+W3f3+W4f4

(1)

式中，F—某个方案的总功效系数；fi—第i个单项功效指标值；Wi—对应的权重值。

单项功效指标的权重值也是基于专家打分法确定的；实现工程效益是施行防洪工程与措施的主要目的，其权重值最大，为0.48；水生态文明是我国工程建设必须重点考虑的制约因素，其权重值也较大，为0.28；实施条件和投资规模主要为短期影响因素，且随着我国科学技术与经济实力的发展，其制约性已大幅下降，因此权重值相对较小，分别为0.16和0.09。

3 防洪规划方案比较分析

3.1 防洪规划方案功效要素值与单项功效系数

南京市各城市防洪规划方案的功效要素值与单项功效系数值分别如图2和图3所示。

在工程效益方面，方案B虽然可实现行洪能力的提升，但却提高了防洪水位，增大了流域和城市防洪风险，长期会造成水位壅高、流速增大，易引起河道冲刷、建筑物消能设施破坏，危及河道、堤防、建筑物安全，因此对现状方案(方案A)的提升幅度相对较小。方案C与方案D均可在流域规划50年一遇标准下增加河道行洪能力约300m3/s，在保证生命财产安全方面功效最佳；其中方案C可解决主城、东山副城防洪和流域防洪问题，而方案D除此之外还可解决仙林副城的防洪问题，工程效益最优。

图2 防洪规划方案功效要素值

图3 防洪规划方案单项功效系数

在生态文明方面，方案B将大幅改变当前的河流状态，造成水位抬高、河道冲刷等问题，同时增高的堤防系统也严重影响河道与城市景观，降低城市亲水性，因此方案B将降低当前的生态文明水平。方案C因为要扩挖秦淮河干流和秦淮新河，也将对现有的河流生态造成一定影响，但扩挖河流可在一定程度上提升城市景观格局，因此优于方案B。方案D采取新开分洪河道的方式来增加行洪能力，这一方面避免对原有河流造成加大程度的影响，另一方面也可改善南京市的水系连通程度与景观格局，因此为最佳方案。

在投资规模方面，方案B需要对原有的部分跨河桥梁、沿河码头、管线等涉河建筑物和市政设施进行改造以适应新的防洪水位要求，但由于不需要拓宽现有或开挖新河道，其投资规模相对于方案C和方案D较小。若采用方案C，则河道堤防工程投资需10.6亿元，市政设施复建工程投资80.1亿元；若采用方案D，河道堤防工程投资28.3亿元，市政设施复建投资41.3亿元，因此总体上方案D的投资规模小于方案C。

在实施条件方面，方案B的主要难度在于涉河建筑物和市政设施改造方面，由于几乎不需要进行移民且实施经验已经比较丰富，因此实施条件优于方案C与方案D。若采用方案C，主城段河道两岸为明城墙、市政道路和密集建筑，基本不可能拆迁，制约因素较多，实施难度极大；若采用方案D，需改建沿线桥梁、铁路、管线等市政设施，影响因素较多，实施有一定难度；新开河道用地已做规划控制预留，沿线基本尚未开发，拆迁量较小；因此总体上方案D优于方案C。

3.2 防洪规划方案总功效系数

根据图3所示的单项功效系数、图1所示的各功效指标权重值，采用公式(2)计算得到南京市各城市防洪规划方案的总功效系数，如图4所示。若采用方案A，即保持现状条件，则总功效系数为6.192。若采用方案B，即全线加高加固干、支流堤防，则总功效系数将下降至5.973，主要因为该方案的工程效益不明显，且将严重影响南京市的生态文明，因此该方案不宜采用。若采用方案C，即扩挖秦淮河干流、秦淮新河和加固干流局部堤防相结合，则可将总功效系数提升至6.85，该方案投资规模大，实施条件非常不佳，但可以实现较高的工程效益并略提升南京市的生态文明水平。若采用方案D，即新开分洪河道和加固干流局部堤防相结合，则可将总功效系数提升至8.183，该方案相对于其它方案可最大程度上实现工程效益并提升生态文明水平，投资规模与实施难度较大、均优于方案C。因此，综合而言，方案D是南京城市防洪规划的最佳方案。在实际应用中，方案D已经得到了上级主管部门的批复与深化论证[8]，深化论证结果表明该方案实施后分洪效果明显，与预期基本一致，证明了该方法与对应结论的合理性。

图4 防洪规划方案总功效系数

4 结论

应用功效系数法构建了城市防洪规划方案的评估模型，并以南京市城市防洪规划方案为例对该模型的合理性进行了验证，主要得到以下结论：

(1)“全线加高加固干、支流堤防”方案会降低当前防洪方案的综合功效。

(2)“扩挖秦淮河干流、秦淮新河和加固干流局部堤防相结合”方案和“新开分洪河道和加固干流局部堤防相结合”方案均有利于南京是城市防洪水平的提高，但后者的总功效系数更高，为最佳方案。

(3)本文选取的最佳方案已经得到上级主管部门的批复与深化论证，论证结果与预期一致，验证了功效系数法在城市防洪规划方案评价中的合理性，说明该方法具有一定的推广价值。