基于AHP-模糊综合评价法的城市排水管网状态和运行效能评价—以淮安市淮安区为例

王俊岭，熊玉华，张现国，邓玉莲

1.北京建筑大学环境与能源工程学院

2.北京首创生态环保集团股份有限公司

排水管网系统是地下设施的重要组成部分，排水管网系统的故障会导致城市运营中断，出现环境问题，甚至对人类生活造成威胁。许多国家由于排水管网系统已使用100多年，因而存在各种缺陷。例如雨水和污水管道混接错接、河水倒灌及管道淤积、破损等，严重影响着排水管网系统的输水能力和污染物的收集效率。此外，城市排水管网系统运行效能低下，会对污水厂的处理效率和城市水环境质量带来不利影响。掌握城市排水管网的资产效能及运行状况，可以有针对性地制定关于排水管网养护与修复的决策，为城市排水管网系统的运营管理提供便利。我国市政给水管网的绩效评价经过多年研究，已相对成熟，但排水管网状态和运行效能的综合评价还处于起步阶段。随着计算机技术的发展，我国学者对排水管网运行效能的评价提出了一些方法。如程永前等[1]构建了排水管网规划的评价指标体系，并用分形维数描述了管网的空间分布特征，但该研究针对截流合流制排水管网，其应用性有限；李林等[2]结合乌鲁木齐排水管网的现状和问题，对排水管网建设效应的评价体系进行了研究，但仅仅使用层次分析法（AHP）分析筛选出了对管网影响较大的指标，无法判断排水管网的整体情况；冷雪[3]从基础建设、服务水平和驱动力发展3个方面建立了排水管网运行效能的综合评价体系，但该指标体系没有考虑管网资产的缺陷状态。总体来看，现有研究对排水管网的评价多偏向于运行效能，针对管网状态方面的评价还很少，且在指标体系的构建上缺乏完整性和系统性，在综合评价方法上缺乏改进和创新。

传统的综合评价一般包含指标体系和评价方法2类要素，实现过程通常分为数据的收集与处理、确定指标权重和综合分析3个阶段。由于各阶段的描述存在一定的不确定性，因此一些传统方法很难取得良好的效果。目前，常用的系统评价方法有模糊综合评判法、AHP等。由于在进行管网评价时，使用的评语常带有模糊性，所以宜采用模糊综合评价方法。应用模糊综合评价法时，各指标权重具有举足轻重的地位，但是模糊评价的权重通常由专家根据经验给出，难免带有主观性。AHP是一种定量和定性相结合、将人的主观判断用数量形式表达和处理的方法，能够尽可能地减少个人主观臆断所带来的弊端，使评价结果更可信[4-6]。笔者将这2种方法的优点结合起来，通过AHP确定子目标和各指标权重，用模糊综合评价法对排水管网状态和运行效能进行综合评价，并以淮安市淮安区为例进行应用，以期为建立较为完善的城市排水管网状态和运行效能的综合评价方法提供参考。

1 评价指标体系的构建

排水管网包括雨水收集系统和污水收集系统，其整体效益受到建设、维护及外部环境等多种因素的影响。评价指标体系要尽可能地包括影响排水管网状态和运行效能的各种因素，全面体现城市排水管网的综合状况。在借鉴以往研究成果[7-10]并征询专家意见的基础上，结合淮安市排水管网现状，从管网的服务性能、建设状态和维护管理3个方面进行综合评价指标的筛选，构建指标体系。在指标选取时，遵循科学性、完备性、独立性、主成分分析原则，采用频度统计、理论分析、专家咨询相结合的方法[11]，进行了3轮筛选，结果如图1所示。由图1可知，排水管网状态和运行效能评价指标体系为3层网络层次结构，目标层为排水管网状态和运行效能评价，准则层包括服务性能、建设状态和维护管理3个方面，指标层包括14项指标。各项指标的含义及计算方法如表1所示。

图1 排水管网状态和运行效能评价指标体系Fig.1 Evaluation index system of state and operation efficiency of the drainage pipe network

表1 排水管网状态及运行效能评价指标说明Table 1 Description of the evaluation index of drainage network status and operation efficiency

2 AHP-模糊综合评价法

2.1 AHP确定指标权重

运用AHP确定各评价指标的权重[24]，并按照1～9标度法通过比较指标间两两重要程度，对各指标的相对重要性进行赋值。根据专家的赋值进行加权加和并求平均，确定各项指标的最终权重。

2.2 模糊综合评价法

模糊综合评价法的基本原理：首先确定被评判对象的因素(指标)集和评判等级论域集；然后进行单因素模糊评价，获得隶属度矩阵R；最后把隶属度矩阵（R）与因素（指标）的权重向量集（W）进行模糊运算并进行归一化，得到模糊综合评判结果集β。模糊综合评价又分为一级评价和多级评价，本研究采用多级模糊综合评价，从多级模糊综合评价的结果可以得出每层指标对应于等级论域的隶属度，层次分明，结果可靠，适用于评价因素较多且层次较多的指标体系。

2.2.1 模糊综合评价步骤

（1）确定因素论域

若有P个评价指标，则评判因素论域可表示为μ={μ1,μ2,...,μP}。

（2）确定指标权重

采用AHP确定W。一级指标的权重向量记为二级指标的权重向量记为

（3）确定评判等级论域

评判等级论域是由各评价因素的评价结果组成的集合。根据淮安区城市排水管网状态和运行效能评价的特点，将评价等级论域划分为差、中、良、优4个级别。在等级论域的基础上进行隶属度的确定。若给定m个评判级别，则评判等级论域可表示为每个评价等级可对应1个模糊子集。

（4）进行模糊评价，确定隶属度矩阵

（5）合成结果向量

通过合适的算子对R和W进行合成运算，得到结果向量。

在分析评价结果时，一般遵循最大隶属度原则。最大隶属度的分析原则在特定的使用条件下会损失过多有用信息，本研究采用加权平均的方法来确定评价对象的隶属度，以提高评价结果的准确性[25-28]。

2.2.2 指标等级论域划分说明

指标评价等级论域主要根据政策标准、工程统计资料确定[29]，尽可能最大化地反映排水管网目前的整体情况。定性指标以10分制为基础进行划分，将4个评价等级平均划分出5个分值范围。等级论域划分结果如表2所示。

表2 指标等级论域划分Table 2 Classification of index hierarchy

2.2.3 隶属度矩阵的确定

对于定量指标，采用半梯形分布的隶属度函数来确定隶属度矩阵。评价指标所组成的因素集评价等级论域设对应数值，和为相邻2个数值，且＞。根据每个指标的实际取值带入式（3）～式（5）计算，得到对应单个指标的隶属度向量（r1,r2,...,rm），所有因素的隶属度向量组合成隶属度矩阵，公式如下：

对于定性指标，采用百分比统计法来确定其模糊关系矩阵。邀请专家根据指标评价标准对指标进行定性评价，统计评价结果中各等级论域的百分比，将其作为定性指标的隶属度，计算公式如下：

式中：M为μi指标中选vi等级的人数；N为参与评价的总人数；i= 1,2,...,p；j= 1,2,...,m。

3 实例评价与结果分析

3.1 淮安区概况

淮安市是江苏省重要的中心城市，其排水管网主体为分流制。目前我国大部分城市的市政排水管网的建设年代较早，管网病害问题日益严重，很多省市（如上海市、深圳市、福州市、江苏省等）存在相似管网病害问题，以淮安市淮安区为例进行评价具有一定的代表性。

淮安市总面积为10 920 km2，全市人口约490万人，是江苏省新兴的工业城市。淮安区位于淮安市最南端，全区总面积为1 452.7 km2。淮安区区域内现状排水管网总长度约433 km，其中，污水管道约190 km，雨水管道约235 km，其余约8 km管道为合流制排水管网。淮安区管网以分流制为主，截至2019年底，雨污分流管道长度占98%。管道材质以混凝土及塑料管为主，其中混凝土管道长度占69.2%，塑料管道占30%，剩余极少量管道材质为铸铁和砖。区域内管道的建设年代如图2所示。由图2可见，2009—2013年为排水管网全面建设年，管网建设长度占管网建设总长度的71.6%，其中2009年占比为39.2%。据统计，每年污水管道的更新比例约为5%。

图2 淮安区不同年份排水管道建设的长度Fig.2 Length of drainage pipe network construction in different years in Huai'an District

根据《淮安市城市排水（雨水）防涝规划（2017—2030年）》《淮安市区污水处理专项规划（2016—2030年）》，淮安区现状排水管网排水能力普遍偏低，管道水位相对较高，降水时段经常发生路面积水的现象。综合分析现状排水管网建设情况发现，淮安区现状管网病害问题较为严重，主要原因为管网设计标准低、淤堵严重、管网年久老化破损、管道存在逆坡、错口、管网竖向坡度不合理以及雨污管道错接混接等。

3.2 淮安区内排水管网状态与运行效能评价

3.2.1 利用AHP确定指标权重

采用层次分析法，邀请排水管网设计、施工及运营领域的14位专家使用1～9标度法对指标分别进行两两比较打分，选取专家人数占比最大的标度值作为指标相对重要度的最终标度。以B1层中各指标为例，标度打分百分比的结果如表3所示。由表3分别得出A-B、B1-C、B2-C、B3-C判断矩阵，计算各指标的权重并进行一致性检验，结果如表4所示。

表3 淮安区排水管网状态与运行效能评价B1层指标专家标度打分百分比统计Table 3 Statistics on the percentage of indicators scored by experts on the B1 level of Huai'an District drainage network status and operational efficiency evaluation

表4 各级指标权重Table 4 Index weight at all levels

3.2.2 构造隶属度矩阵

对于定量指标，采用半梯形分布隶属度函数计算指标的隶属度；对于定性指标，邀请多位淮安市排水管网运营管理方面的专家进行打分，按照百分比统计法确定各指标的隶属度，结果如表5所示。

表5 淮安区内排水管网状态与运行效能评价指标隶属度Table 5 Status of drainage pipe network and the degree of subordination of operational efficiency evaluation index in Huai'an District

3.2.3 进行多级模糊综合评价

根据指标体系中各层因素（指标）对应的权重和模糊矩阵运算规则，从最低层（指标层）向上一层逐层进行模糊综合评价。根据式（2）进行第一级模糊矩阵运算，得到准则层模糊综合评价结果（表6）。

表6 淮安区排水管网状态与运行效能评价准则层评价结果等级占比Table 6 Proportion of the evaluation result level of the drainage network status and operation efficiency evaluation criteria in Huai'an District

将准则层B1、B2、B3看作是目标层A的3个单因素，则B1、B2、B3的隶属度矩阵为：

准则层的B1、B2、B3相对于目标层A的权向量W=[0.633 3，0.106 2，0.260 5]，进行第二级模糊矩阵运算，得到目标层的综合评价集β=W×R=[0.142,0.350,0.275,0.233]。

3.3 综合评价结果分析

由表4可知，C层指标相对于目标层A的相对重要度排序为 C14＞C12＞C33＞C15＞C11＞C31＞C22＞C34＞C13＞C32＞C24＞C25＞C23＞C21。相较其他指标，生活污水集中收集率(C14)、雨污分流比(C12)、管网维护水平(C33)和污水处理率(C15)4个指标的权重之和为0.661 1，是影响排水管网运行效能的重要因素。服务性能指标(B1)评价等级处于中的可能性为34.3%，处于良的可能性为30.8%，故可判定淮安区排水管网服务性能处于中等偏上的水平；建设状态指标(B2)评价等级处于中的可能性较大，为63.0%，处于差的可能性为32.6%，故可认为淮安区排水管网的建设状态处于中等偏下的水平；维护管理指标(B3)评价等级处于中的可能性为45.2%，处于良的可能性为31.7%，故可认为淮安区排水管网的维护管理处于中等偏上的水平。

淮安区排水管网状态和运行效能的综合评价结果如图3所示。由图3可知，综合评价结果处于中的可能性为35.0%，处于良的可能性为27.5%，处于优的可能性23.3%，处于差的可能性为14.2%。因此，可以认为淮安区排水管网状态和运行效能处于中等偏上的水平。

图3 淮安区排水管网状态和运行效能的综合评价结果各等级占比Fig.3 Proportion of each grade of comprehensive evaluation results of the status and operation efficiency of the drainage network in Huai'an District

从评价结果来看，淮安区现状排水管网的状态及运行效能的综合评价等级不高，其原因在于建设状态评价等级偏低。淮安区管网的普查结果表明，影响管网建设状态的主要因素在于管网的病害和缺陷治理。现状排水管网的病害问题主要表现在外水入侵、污水直排、雨污管道混错接、管道排水不畅及管网溢流污染5个方面。淮安区雨水管道和污水管道中，缺陷最多的均为管道沉积，其长度占比分别为71%和80%，错口、破裂、渗漏、异物穿入、障碍物和残垣坝缺陷也较多。在以后的运营管理中，应针对上述问题进行有针对性地解决，以有效提高排水管网的整体水平。

4 结论

（1）对能合理表征排水管网状态和运行能效的指标进行收集和筛选，建立了基于服务性能、建设状态、维护管理的城市排水管网状态及运行效能的评价指标体系。

（2）应用排水管网状态和运行效能评价模型对淮安区排水管网的整体效能进行评价，结果表明，影响淮安区排水管网状态和运行效能的主要指标为生活污水集中收集率、雨污分流比、污水处理率和管网维护水平4项指标，其中生活污水集中收集率的权重最大（0.263 1）。综合评价结果表明，淮安区排水管网的服务性能处于中等偏上的水平，其中建设状态处于中等偏下水平，维护管理处于中等偏上水平，综合评价淮安区排水管网状态及运行效能为中等偏上水平。