基于模糊评价的海绵型煤矿工业场地雨水系统设计

高智伟，姚清宝

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

海绵型煤矿工业场地[1]是在深入分析传统煤矿工业场地特点的基础上，将海绵城市的理念[2]融入场地的建设过程和生产管理。在建设过程中，根据工业场地所处的地形及微地貌，通过合理设置低影响开发设施，降低地面工程建设对自然生态的破坏和对本底的扰动；在生产及管理过程中，通过低影响开发设施的组合联动、人工设施的控制，实现雨水的合理利用，降低对自然环境的干扰，进而实现局部生态环境的逐步改善[3，4]。地表植被配合人工设施丰富工业场地雨水资源化利用的途经及方向[4]，达到工业场地与自然环境的和谐共生。

海绵型煤矿工业场地很大程度上提高了场地雨水的综合利用率，将雨水对场地的不利影响通过适宜的工程措施转化为改善环境的有利因素，实现了地面雨水的有效使用，降低了雨水对周围环境的影响。目前在建设及生产过程中，普遍采用在传统型工业场地的合理位置通过设置植草沟、渗井、绿地、生态水池或景观湖等工程设施，进行对地面雨水的收集、净化、存蓄及合理使用，以实现海绵型煤矿工业场地的构建。相对传统型场地而言，海绵型场地所增加的工程措施，势必造成技术复杂性增加及投资的增加，但对环境的影响无疑是良性的。基于技术复杂性、工程对环境影响难以进行精准量化的现状，海绵型工业场地与传统型工业场地在环境、投资、技术方面的综合方案比较，目前尚处于定性阶段。为此，本文将环境、投资及技术中的主要因素进行参数化，通过权重来体现环境、投资、技术在方案比选中的重要性，从而实现对建设方案的模糊评价，为不同建设方案的选择比较提供量化数据。

1 海绵型煤矿工业场地雨水系统

1.1 工业场地内雨水运动轨迹

在工业场地内，雨水降落在地表之后的运动过程，在宏观上按照先后顺序可概括为“渗、滞、蓄、净、用、排”六个环节[5]：首先，降雨逐渐“渗”入地表，随着下渗的进行，地表含水量逐渐增大，达到饱和状态后地表产生径流；地表径流顺应地势流入洼地(局部低洼处)“滞”留，洼地水面逐渐抬高直至充满；然后，多余的径流会引流至“蓄”水池，蓄水池的雨水经物理“净”化后，可作为绿化、降尘使“用”；其余的地表径流通过排水沟“排”放至场地之外。

“渗、滞、蓄、净、用、排”六个环节仅是从长历时进行分析。如果把长历时分解为多个连续的短历时，则不难发现在微观上每个短历时中，同样存在相同的六个环节[6]，雨水径流历时分析如图1所示。由此可以看到，整个雨水径流过程是无法简单划分的，六要素都会分别在雨水径流全过程下的长历时和短历时中充分发挥其自身作用，即：滞的长历时内有蓄、净、用、排的短历时；蓄的长历时内有滞、净、用、排的短历时；净的长历时内有滞、蓄、用、排的短历时；用的长历时内有蓄、排的短历时；排的长历时内有滞、净的短历时；而在所有的环节上都有渗的短历时，并贯穿始终。例如，滞留在地表的雨水汇入植草沟内，在流动过程中，植被对雨水有一定的物理净化作用；雨水下渗不但滋养了草体，也对地下水进行了补充，体现了用；雨水沿沟槽或管道进入蓄水池，在池中蓄积的同时，水中携带的泥沙沉入池底，实现了初步的物理净化[7]；初步净化后的雨水可以用于生产及绿化、降尘，绿化及降尘用水一部分又渗入地表，另一部分蒸发进入大气。

图1 雨水径流历时分析

1.2 海绵型工业场地雨水子系统

在传统工业场地中，为了便于生产区场地使用及雨水尽快地排离场地，常常大面积使用混凝土进行场地铺装或对灰土场地进行硬化，在厂前区基于景观或绿化要求设置一定面积的绿地或绿化带，从而形成“渗、滞、排”这种传统模式下雨水运动轨迹。海绵型工业场地雨水系统[8]的建立就是将雨水径流的各个环节从时间轴上解析，对雨水在工业场地内的“渗、滞、蓄、净、用、排” 六个环节进行单元优化组合。通过场地优化、结合人工设施布设，将“蓄、净、用”融入工业场地雨水运动过程，将传统模式下对场地有不利影响的雨水转化为宝贵的自然资源予以充分利用。在遵循自然规律的前提下，通过六个环节的合理布局及相互作用、融合，建立海绵型工业场地雨水蓄和净系统、雨水滞留排放系统、雨水渗透系统和综合雨水利用四个子系统。

雨水蓄、净子系统的建立主要依托蓄水池、雨水微湿地[9]等在工业场地内点状分布的雨水设施，在雨水蓄积和物理净化的过程中，大大降低雨水携带的杂质，为雨水复用创造条件；雨水滞留排放子系统的建立主要依托在工业场地内线形分布的植草沟、生物滞留设施实现雨水慢排缓释，从而折减暴雨径流的峰值流量；雨水渗透子系统则是在根据工业场地厂前区、辅助区和生产区三大功能分区的各自功能及使用特点，将厂前区划为全透水区域、附属区划为半透水区域、以及生产区划为不透水区域。在半透水区域、透水区域利用透水铺装[10]和透水混凝土来实现雨水在工业场地渗透面积；径流末端剩余的雨水采取绿化浇洒用水重回工业场地，立体化的雨水利用系统为工业场地雨水资源化和循环利用提供保障。以上四种雨水子系统共同构成“点、线、面、体”空间模式的海绵型工业场地雨水系统。海绵型工业场地雨水系统如图2所示。

图2 海绵型工业场地雨水系统

2 基于模糊评价的煤矿工业场地雨水系统设计方案

为了评价海绵型工业场地雨水系统对煤矿工业场地开发前后对自然本底的影响，以及场地功能使用效果上的区别，从场地建设和使用的技术、经济和环境的三个主要方面出发，对比传统型工业场地，并结合两种模式的特点，整理统一评价指标因素，确定评价指标层级和各层级内的评价指标因素[11]。

最后将同一工业场地的海绵型和传统型两种建设模式方案进行对比，通过模糊评价进一步论证绵型工业场地建设模式的积极作用。

2.1 各层级评价指标的建立

基于技术、投资、环境三方面评价煤矿建设，是最具通用性和常规性的三个主要评价标准。

1)从技术上提出海绵型工业场地雨水系统，利用雨水环节有机组合，建立四个雨水子系统区别于传统建设模式，分别对应在工业场地雨水渗透面积增加，且设置更加灵活；储存和净化雨水量增大、能力增强；雨水的在场地内滞留时间加长；雨水的资源化实现循环利用、提升利用率四个方面都有很大不同和优化。故将以上四项均列为技术层面的评价指标因素。海绵型工业场地雨水系统要素分析如图3所示。

图3 海绵型工业场地雨水系统要素分析

2)从投资上，海绵型工业场地在排水系统构建时设置的排水设施、场地微地形改造上产生的土方、以及水资源循环利用后场地日常维护用水三个评价要素都与传统型工业场地都有区别。海绵型工业场地排雨水设施相对较多，投资则较高；其因地制宜的进行平面和竖向布局优化，土方量相对较少；水资源循环利用后，实现雨水资源化，在场地日常维护用水上基本实现自给自足，外购水少量较少。故将以上三项均列为投资层面的评价指标因素。

3)在环境方面，针对雨水在工业场地内的“渗、滞、蓄、净、用、排”六个环节进行单元拆分重组后，分别建立的雨水蓄和净系统、雨水滞留排放系统、雨渗透系统、雨水利用系统，实现雨水区域外循环和场地内循环相对均衡。四个系统分别对应工业场地径流总量控制[12]、径流峰值控制、径流污染控制目标、雨水资源化利用控制为环境层面的四项评价指标因素，在环境控制作用和效果特别突出。

2.2 评价指标因素的确定

加强生态文明建设，体现煤矿工业场地的环境效益，必须建立在技术可行、经济合理、环境可修复的前提下，故将技术、经济和环境三项指标[13]确定为第二层级评价标准；并按照“技术<经济=环境”的次序进行确定，赋予权重值W=(0.30，0.35，0.35)。同时在第二层级大类别的基础上，明确最能代表海绵型和传统型工业场地区别的11个因素作为第一个层级的评价指标因素，最终构成多层级结构下海绵型工业场地的评价指标因素，海绵型工业场地评价指标层级及因素见表1。

表1 海绵型工业场地评价指标层级及因素

根据以上分析，可以对表1中的各个因素针对每个准则层分别做出判断矩阵，并求出各个因素的权重系数。见表2—表4。

表2 技术因素指标权重计算

表3 经济因素指标权重计算

表4 环境因素指标权重计算

按上述步骤，对以上矩阵进行一致性检验后，如果CR<0.1 ，因此认为判断矩阵的一致性良好，结果可以接受。通过上述层次分析法，可以得到影响海绵型煤矿建设模式第一层级的各指标因素的权重，结合前述各影响范围的权重值[14]，可以得到各层次因素的权重，见表5。

表5 影响总平面布置的各层次因素权重

由此可得到三个因素的权重集：①技术因素指标权重集W1=(0.305 0.491 0.148 0.056)；②经济因素指标权重集W2=(0.231 0.077 0.692)；③环境因素指标权重集W3=(0.484 0.31 0.133 0.073)。

2.3 海绵型和传统型建设模式方案比选实例

以陕北袁大滩煤矿为例，对比传统型工业场地开发模式，通过从技术、经济、环境三个方面，进行多层级结构下海绵型工业场地的评价指标因素的分析，最终确定海绵型工业场地构建的11个主要因素指标，应用德尔菲法[15]，对定性因素做出定量评价，总结归纳出袁大滩煤矿海绵型煤矿工业场地(方案一)和传统型工业场地(方案二)的要素分析表，按照前文介绍的方法，对表5中每个影响因素进行指标量化处理，可得到两个方案的单因素评价值，见表6。

表6 海绵型与传统型工业场地要素对比

2.4 模糊综合评价

对上表的各项单因素应用公式进行归一化处理，可以分别得到三个隶属度矩阵，分别是技术因素的隶属度矩阵R1、经济因素的隶属度矩阵R2、环境因素的隶属度矩阵R3。

2.4.1 一级模糊评价

对上述隶属度矩阵应用公式进行一级模糊评价[16]，即计算各方案的单项指标评价值：

1)对技术评价指标的评价：

B1=W1×R1=(0.73 0.27)

2)对经济效益指标的评价：

B2=W2×R2=(0.74 0.26)

3)对环境效益指标的评价：

B3=W3×R3=(0.67 0.33)

2.4.2 二级模糊评价

分别对技术评价指标、经济效益指标和环境效益指标进行一级模糊评价之后，需要对以上三个指标进行二级模糊评价。这时，以B1、B2、B3为基础数据，构建判断矩阵B，同时考虑第二层级中技术、经济、环境三个特性指标权重值W=(0.30 0.35 0.35)，可以计算方案的整体性评价值：

Bo=W×B=(0.30 0.35 0.35)×

根据综合评价值的顺序为方案一大于方案二，最后明确袁大滩煤矿海绵型工业场地的建设模式在技术、经济和环境的影响和结果上都有积极作用。

3 结 语

本文在量化数据模式下对传统型工业场地与海绵型工业场地进行综合比选，通过对工业场地雨水运动状态分析，明确了不同历时下的雨水和自然本底作用关系；基于降低对自然本底的扰动及改善生态环境的整体要求，将海绵城市理念融入煤矿工业场地，通过在场地内合理设置雨水蓄净系统、雨水滞排系统、雨水渗透系统、雨水利用系统，实现海绵型煤矿工业场地构建。并根据多级模糊评价原理，从技术、经济、环境三个维度切入，通过对四个雨水子系统作参数化处理，建立各层级的评价指标及权重分配，形成完整的模糊评价体系。最后，通过实例对同一工业场地的两种建设模式予以模糊评价，量化数据以矩阵值的形式佐证了海绵型工业场地建设的价值，为工业场地建设和环境保护并举提供了新的开发模式。