城市雨水管网脆弱性评价研究

张羽

（合肥中盛水务发展有限公司， 合肥 230000）

近年来， 城市雨水管网面临着紧迫的挑战。 城市化、 人口变化、 气候变化以及雨水管网本身的脆弱性， 导致暴雨过后雨水径流无法及时排放， 内涝灾害频繁发生［1］， 威胁人民生命财产安全， 影响社会经济发展。 因此， 掌握城市雨水管网的运行状况， 识别管网的薄弱环节， 提高管网抵抗风险的能力十分必要， 这可以通过脆弱性评价实现。 脆弱性源于对自然灾害的研究， 可以解释为灾害对系统的不利影响程度［2］。 脆弱性分析已应用于越来越多的领域， 如自然灾害管理、 生态学、 可持续发展、 环境保护、 土地使用管理、 供水系统等［3-4］， 但目前在雨水管网领域的研究较少。 本文依据现状， 系统地介绍雨水管网脆弱性评价常用指标和方法。

1 城市雨水管网脆弱性评价指标

城市雨水管网的脆弱性是指城市雨水管网在外部环境变化发生时， 表现出的容易受不利因素扰动程度和缺乏应对不利因素的能力， 从而导致雨水无法及时排除的一种特性［5］。 脆弱性评价是城市雨水管网应对不利因素的一种重要工具。 脆弱性评价的通常思路是： 首先分析影响雨水管网脆弱性的因素， 从影响因素中选取科学合理的评价指标， 构建脆弱性评价指标体系， 然后选取符合雨水管网特征的脆弱性评价方法， 建立脆弱性评价模型， 得到雨水管网的脆弱程度。

1.1 评价指标选取原则

城市雨水管网脆弱性评价指标是脆弱性评价的基本要素， 要能够反映雨水管网的脆弱性影响因素， 准确分析脆弱性程度。 建立科学合理的评价指标体系才能得到正确可靠的评价结果。 评价指标的选取主要遵循可比性、 全面性、 系统性和简洁性的原则［6］。

构建评价指标体系应始终围绕评价目标， 注重评价指标的可比性。 影响雨水管网脆弱性的因素有很多， 涉及多个方面， 评价指标应包含城市雨水管网脆弱性的各种影响因素， 不能太少， 要全面反映雨水管网的特征［7］； 也不能过于庞杂， 应该具有系统性， 各指标之间不应是简单随意地排列， 而应在逻辑上具有一定的关联性。 当评价指标体系中存在重复或相互关联的指标时， 要进行取舍， 选择对脆弱性影响程度更大， 也更容易获得的指标。

1.2 脆弱性评价指标

影响城市雨水管网脆弱性的因素有很多， 考虑所有影响因素将会给评价和计算带来巨大的工作量， 所以要根据雨水管网的特征， 选择有代表性的脆弱性评价指标。 目前研究中， 大多是根据城市雨水管网脆弱性定义将评价指标分为物理脆弱性指标和社会脆弱性指标。 物理脆弱性指标通常选取雨水口数量、 位置和泄水能力， 雨水管管径、 管材、 管道坡度， 雨水泵站和调蓄构筑物调节能力作为影响因子； 社会脆弱性指标通常选择城市透水地面率、绿化覆盖率、 城市环卫水平、 雨水系统的管理水平、 政府财政投入比作为影响因子。

2 城市雨水管网脆弱性评价方法

对于脆弱性评价， 有以下几种评价方法： 综合指数法、 函数模型法、 基于GIS 的图层叠置法、 危险度分析法和模糊物元评价法［8］。 常应用于评价城市雨水管网脆弱性的主要是综合指数法、 函数模型法以及基于GIS 的图层叠置法。

2.1 综合指数法

综合指数法是利用如层次分析法［9］、 加权、 模糊综合评价等数学方法合成一个脆弱性综合指数来量化系统脆弱性程度， 评价指标体系主要反映脆弱性的原因和表现特征， 是目前在雨水管网应用最多的脆弱性评价方法。 龙浩等［10］以苏州市雨水管网为例， 利用层次分析法确定脆弱性指标的权重， 雨水管网的脆弱性指数通过加权计算， 由此建立了雨水管网脆弱性评价模型。 陈伟珂等［11］构建的排水管网脆弱性评价指标体系是基于VSD 模型， 从暴露度、 敏感性、 适应能力3 个方面进行分析， 初始数据采用极差标准化方法处理， 确定指标的变权权重， 通过加权计算得到综合评价指数。 侯强［12］基于网络分析法确定管网结构、 工况以及外部影响3个雨水管网脆弱性评价指标的权重， 采用模糊综合评价法建立脆弱性评价模型。

综合指数法原理简单， 使用起来较为容易， 但缺乏和雨水管网脆弱性内涵之间的联系。 脆弱性评价指标的选择和权重的确定尚没有有效的方法。 评价指标多为定性指标， 缺乏量化， 未完全考虑脆弱性各影响因素间的相互作用。 综合指数法得到的雨水管网脆弱性指数的有效性难以得到验证。

2.2 函数模型法

函数模型法是直接构造一个计算雨水管网脆弱性等级的函数模型。 首先定量评估脆弱性的每个影响因子， 然后研究脆弱性影响因子之间如何相互作用， 最终构造雨水管网脆弱性函数评价模型。 赵瑞垠［13］从雨水收集和排出两方面对雨水管网进行分析， 在已知降雨量的条件下， 根据修正后的单位时间雨水实际地面流量与实际进入管道的雨量之比确定脆弱性的计算公式， 并应用于西安市某高校的雨水管网脆弱性计算。 Zhang 等［14］提出通过总洪量与暴雨过后的地表径流之比表示不能通过排水管排除的径流的比率， 进而计算脆弱性指数， 衡量大连市排水系统的脆弱性。

函数模型法基于对雨水管网脆弱性的理解构建评价模型， 因而和综合指数法相比， 其与脆弱性内涵的关联性较强， 可以体现脆弱性要素间的关系，评价结果可以很好地反映系统脆弱性程度。 目前对于脆弱性尚没有统一的概念， 因而对其理解具有一定的主观性， 关于脆弱性构成要素的定量评估也较难完全实现。

2.3 基于GIS 的图层叠置法

随着地理信息系统的发展， GIS 技术开始成为脆弱性评价的工具， 基于这项技术发展起来的脆弱性评价方法即图层叠置法， 在城市排水系统领域也有所应用。 Möderl 等［15］基于地理信息系统开发了VulNetUD 软件， 通过城市排水系统的水动力模拟来计算系统组件变化的影响， 使用预定义的性能指标来评估异常、 关键和未来条件下的城市排水系统， 专门帮助管理人员在异常或紧急情况下识别城市排水系统的脆弱点， 可以自动生成用于风险分析的城市排水系统内在脆弱性地图。

评价区域受到极端灾害影响下的脆弱性时使用此方法评价效果较好。 基于GIS 的图层叠置法相较于综合指数法和函数模型法， 由于使用地理信息系统技术， 可以反映区域灾害脆弱性和区域受到扰动时的敏感程度、 扰动带来的风险以及应对不利影响的能力在空间上的差异。 但这种方法对于不同扰动的风险考虑不多， 也没有考虑到不同扰动对雨水管网整体脆弱性影响程度有所不同， 不同因素对管网脆弱性的影响程度在评价结果中难以得到展示， 对如何抵抗扰动带来的不利影响、 减少系统脆弱性不能很好地提供有效建议。

3 结论

脆弱性是系统可能遭受扰动或压力所导致的伤害的程度。 评价城市雨水管网的脆弱性可以有效掌握雨水管网的运行状态， 并根据评价结果建立全面的风险预防措施， 对于防止雨水管网损害、 减轻遭遇风险后的损失以及提高恢复能力至关重要。 本文列举分析了城市雨水管网脆弱性评价的常用指标和方法。 现阶段对于雨水管网脆弱性评价指标采用最多的是物理脆弱性指标和社会脆弱性指标， 这些评价指标没有考虑所有脆弱性影响因素， 欠缺对不同评价指标间相互作用关系的考虑， 评价指标缺乏量化。 对于指标权重的确定大多采用层次分析法， 层次分析法确定指标权重受评判者主观影响较大， 且指标过多时， 数据的计算量过大， 权重不易确定。为了更准确客观地确定评价指标权重， 可以尝试将给水管网脆弱性评价中的主成分分析、 BP 神经网络等方法用于指标权重的确定。

常应用于评价雨水管网脆弱性的综合指数法、函数模型法和基于GIS 的图层叠置法各有利弊， 要开发更加合理有效的评价方法和适用于大多数城市雨水管网的脆弱性评价体系。 现在城市雨水管网问题突出， 内涝影响严重， 在雨水管网的设计优化中引入雨水管网脆弱性评价， 对城市内涝等问题的解决具有理论意义和应用前景。 现阶段关于雨水管网脆弱性研究还更多处于理论阶段， 需要在条件适宜的地区小范围应用到前端设计与优化中验证并完善， 最终改善雨水管网面临的问题。