本發明屬于城市排水技術領域，更具體地說，涉及一種城市排水系統性能的評估方法。

背景技術：

城市排水系統是指收集、輸送、處理、再生和處置污水和雨水的設施以一定方式組合成的總體(分流制雨水系統或合流制系統)，在全球氣候變化和城鎮化的背景下，城市內澇頻繁發生。城市排水系統是城市內澇防治的重要組成部分，其系統性能的好壞對其使用至關重要，因此，城市排水系統性能的評估就具有重要的意義。

系統性能如何評估？目前開展的對排水系統性能評估的研究，基本都是從水力性能(hydraulicperformance)出發，根據不同情景(不同重現期、雨型等)，借助模型模擬或計算分析，獲得一些指標，如積水體積、積水歷時、積水深度等，然后根據這些參數去評估排水系統的性能。但目前現有城市排水系統性能的評估方法大都存在以下不足：一是未考慮不同威脅(如構件故障)情況下系統的彈性(resilience)；二是未考慮系統的可持續性，因此，現有評估方法難以真實判斷城市排水系統的性能好壞。

上述系統彈性是指系統在極端降雨情況下(如百年一遇降雨)或系統構件故障下(如管道損壞、雨水口堵塞、泵故障等)對這些威脅(極端降雨、構件損壞等)的響應恢復能力。mugumeetal.(2015)對排水系統的彈性分析方法開展了研究，采用總內澇體積、總入流體積、平均內澇時間和模擬時間四個指標計算量化彈性，并分析了管道損壞從0％-100％的排水系統彈性值(隨著管道損壞比例增加，彈性也隨之降低)。tahmasebibirganiy.etal.(2013)對系統彈性采用內澇體積和恢復時間兩個指標量化。casal-camposetal.(2015)中彈性指標包括5個類別：管道內澇、河流溶解氧、河流氨氮、合流制溢流、河流洪水，每一類別的彈性量化也不一樣，如管道內澇采用內澇體積和內澇歷時兩個指標量化，河流溶解氧采用年最低濃度和歷時兩個指標量化。其中后兩篇文獻考慮了氣候變化等，但沒有考慮構件損壞(管道損壞等)的威脅情況，因此其對城市排水性能的彈性評估存在較大誤差。

系統可持續性是指系統保持服務標準的情況下，使社會、經濟、環境指標效益最大化。但是，出于研究的需要，排水系統可持續性的一級指標，并不局限于社會、經濟、環境三個方面。由于研究目的、對象等不同，一級指標、二級指標(參數)、計算方法也有差異。tahmasebibirganiy.etal.(2013)一級指標考慮傳統的社會、經濟、環境三個方面，二級指標分別采用美觀效益、造價和維護成本、雨水水質，量化參數分別是美化城市的能力(高/中/低)、最佳管理措施建造成本($)與維護成本($/year)、總懸浮固體(kg)。casal-camposetal.(2015)可持續性一級指標采用管道內澇、河流溶解氧、河流氨氮、合流制溢流、河流洪水、能源利用、成本、可接受性，參數分別為受影響的損失(￡)、對水生資源的影響([6hminimum(mg/l)])、對水生資源的影響([99％ile(mg/l)])、溢流對美觀與健康影響、受影響的損失(￡)、運行時co2排放(噸)、生命周期成本(￡)、高/中/低。

因此，將系統彈性和可持續性納入城市排水系統性能的評估因素范圍，對于城市排水系統性能的準確客觀判斷具有重要意義，從而能夠更好地指導城市排水系統的優化設計。

技術實現要素：

1.發明要解決的技術問題

本發明的目的在于克服采用現有城市排水系統性能評估方法難以真實判斷城市排水系統性能好壞的不足，提供了一種城市排水系統性能評估方法。本發明集成系統彈性評估和可持續評估，借助城市排水系統模型，通過定量方法，對排水系統性能進行綜合評定，從而能夠有效保證城市排水系統性能評估的準確性、客觀性，進而能夠更好地用于指導城市排水系統的優化設計。

2.技術方案

為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：

本發明的一種城市排水系統性能評估方法，該方法集成系統彈性評估和可持續性評估，對城市排水系統性能進行綜合評定，具體包括如下步驟：

步驟一、確定系統彈性評估指標和可持續性評估指標，以及衡量每個指標的因子；

步驟二、利用城市排水系統模型，計算上述因子值，并計算得到相應的評估指標值；

步驟三、通過集成公式，計算得到排水系統的性能指數。

更進一步的，衡量系統彈性的指標為：{系統彈性}，衡量指標{系統彈性}的因子為：{彈性}；衡量系統可持續性的指標為：{社會，經濟，環境}，衡量指標{社會}的因子為：{系統內澇體積}；衡量指標{經濟}的因子為：{系統造價，系統運行維護費用}；衡量指標{環境}的因子為：{污染控制率，雨水利用量}。

更進一步的，所述系統彈性評估的具體步驟如下：

(1)從水力性能角度出發，利用城市排水系統模型，模擬極端降雨情況或系統構件故障情況，獲得相應的參數值：內澇體積，內澇歷時，進入系統的徑流總體積，總模擬歷時；

(2)計算衡量因子{彈性}，其計算公式如下所示：

上式中，r0為{彈性}因子，范圍為[0,1]，對于某一特定的情景，0表示彈性很低，1表示彈性很高；f為系統總內澇體積，為所有節點內澇體積的總和；d為系統中所有內澇節點平均內澇歷時；vti為進入系統的徑流總體積；tn為系統總模擬歷時；

(3)計算衡量指標{系統彈性}，其計算公式為：

上式中，r為{系統彈性}指標，r越大，表示排水系統的彈性越好，在特定威脅中的適應能力越強，恢復得越快；i為系統損壞的構件數量；n為系統總的構件數量；r0,i為當i個構件損壞時對應的{彈性}因子值，由公式(a)計算；pi為當i個構件損壞時對應的損壞分數，由某特定類型構件損壞數除以某特定類型構件總數計算得到。

更進一步的，所述系統可持續性評估的步驟如下：

(1)利用城市排水系統模型，模擬極端降雨情況或系統構件故障情況，獲得到相應的參數值：內澇體積，年徑流總量控制率，單個污染指標如tss、總氮、總磷或其組合指標，雨水下滲量，雨水儲存量；

(2)結合待評估的排水系統實際情況，設置可持續性評估指標評價因子的最大值和最小值，對評價因子作歸一化處理，選用min-max標準化方法，公式如下：

式中，實際值為某參數的數值，由模型模擬獲得或通過計算所得；最小值取零或取多個方案的實際值下限取值；最大值，內澇體積取值，參考不設置低影響開發設施情景下的系統總內澇體積取值；污染控制率最大值設置為0.9，其他參數的最大值參考實際值設置；

(3)計算衡量指標{社會}，其計算公式為：

iso＝1-if(d)；

式中，iso為{社會}指標，iso越大，表明系統的社會效果越好；if為歸一化的內澇體積，由模型模擬和歸一化公式(c)計算獲得；

(4)計算衡量指標{經濟}，其計算公式如下：

iec＝[(1-ic1)(1-ic2)]^1/2(e)；

式中，iec為{經濟}指標，iec越大，表明系統的經濟效果越好；ic1為歸一化的系統造價，ic2為歸一化的系統維護運行費用；

(5)計算衡量指標{環境}，其計算公式如下：

ien＝(ik·is)^1/2(f)；

式中，ien為{環境}指標，ien越大，表明系統對環境的效果越好；ik為歸一化的污染控制率，可由年徑流總量控制率表示，或以單個污染指標如tss、總氮、總磷或組合指標表示；is為歸一化的雨水利用量，通過雨水下滲量和雨水儲存量計算(可由模型模擬和歸一化公式(c)計算獲得)；

(6)計算衡量指標{可持續性}，其計算公式如下：

s＝(iso·iec·ien)^1/3(g)；

式中，s為{可持續性}指標，s越大，表示排水系統的可持續性越好；iso為{社會}指標，由公式(d)計算；iec為{經濟}指標，由公式(e)計算；ien為{環境}指標由公式(f)計算。

更進一步的，當排水系統規劃設計中存在多個方案時，公式(c)中的參數最大值參考多個方案中的參數實際值上限取值；當僅有單個方案時，參數最大值直接參考實際值上限取值，并控制在實際值上限取值的2倍以下。

更進一步的，所述排水系統性能指數的計算公式為：

pi＝(r·s)^1/2(h)；

式中，pi為系統性能指數，pi越大，表示排水系統的性能越好；r為{系統彈性}指標，由公式(b)計算；s為{可持續性}指標，由公式(g)計算。

3.有益效果

采用本發明提供的技術方案，與現有技術相比，具有如下顯著效果：

(1)本發明的一種城市排水系統性能評估方法，集成系統彈性評估和可持續評估，借助城市排水系統模型，通過定量方法，對排水系統性能進行綜合評定，評估結果更加準確，且考慮排水系統實際運行情況(如構件故障等)，因此能夠更好地用于指導城市排水系統的優化與設計，有利于設計出更具彈性和可持續性的城市排水系統。

(2)本發明的一種城市排水系統性能評估方法，針對社會、環境指標，給出了具有可度量性的衡量因子，保證了評估的可操作性和客觀性；同時對{經濟}、{環境}、{可持續性}及排水系統性能指數的評估公式進行優化，從而可以有效避免人為設置評價指標權重的主觀性，進一步保證了系統排水性能評估的準確性、客觀性。

附圖說明

圖1是本發明的一種城市排水系統性能評估方法的指標及因子組成的示意圖。

圖2是實施例1中系統彈性評估在管道故障(0％-100％)情況下的彈性計算結果。

具體實施方式

本發明的一種城市排水系統性能評估方法，該方法集成系統彈性評估和可持續性評估，對城市排水系統性能進行綜合評定，具體包括如下步驟：

步驟一、確定系統彈性評估指標和可持續性評估指標，以及衡量每個指標的因子。

系統彈性評估是指系統在極端降雨情況下(如百年一遇降雨)或系統構件故障下(如管道損壞、雨水口堵塞、泵故障等)對這些威脅(極端降雨、構件損壞等)的響應恢復能力評估。系統可持續性評估是指系統在不同威脅情況下(主要指氣候變化、土地利用變化的情景，不考慮構件故障，即構件故障0％)的可持續性評估。

本發明中衡量系統彈性的指標為：{系統彈性}，衡量指標{系統彈性}的因子為：{彈性}；衡量系統可持續性的指標為：{社會，經濟，環境}，衡量指標{社會}的因子為：{系統內澇體積}；衡量指標{經濟}的因子為：{系統造價，系統運行維護費用}；衡量指標{環境}的因子為：{污染控制率，雨水利用量}。

步驟二、利用城市排水系統模型，計算上述因子值，并計算得到相應的評估指標值。

本發明中系統彈性評估的具體步驟如下：

(1)從水力性能角度出發，利用城市排水系統模型，模擬極端降雨情況(如百年一遇降雨)或系統構件故障情況(如管道損壞、雨水口堵塞、泵故障等)，獲得相應的參數值：內澇體積，內澇歷時，進入系統的徑流總體積，總模擬歷時；

(2)計算衡量因子{彈性}，其計算公式如下所示：

上式中，r0為{彈性}因子，范圍為[0,1]，對于某一特定的情景(極端降雨、不同構件損壞比例等)，0表示彈性很低，1表示彈性很高；f為系統總內澇體積，為所有節點內澇體積的總和；d為系統中所有內澇節點平均內澇歷時；vti為進入系統的徑流總體積；tn為系統總模擬歷時；

(3)計算衡量指標{系統彈性}，其計算公式為：

上式中，r為{系統彈性}指標，r越大，表示排水系統的彈性越好，在特定威脅(構件損壞、極端降雨等)中的適應能力越強，恢復得越快；i為系統損壞的構件(管道、水泵及其他類型構件)數量；n為系統總的構件(管道、水泵及其他類型構件)數量；r0,i為當i個構件損壞時對應的{彈性}因子值，由公式(a)計算；pi為當i個構件損壞時對應的損壞分數，由某特定類型構件損壞數除以某特定類型構件總數計算得到。

本發明中，系統可持續性評估的步驟如下：

(1)利用城市排水系統模型，模擬不同威脅情況(如氣候變化、土地利用變化等)，獲得到相應的參數值：內澇體積，年徑流總量控制率，單個污染指標如tss、總氮、總磷或其組合指標，雨水下滲量，雨水儲存量；

(2)結合待評估的排水系統實際情況，設置可持續性評估指標評價因子的最大值和最小值，對評價因子作歸一化處理，選用min-max標準化方法，公式如下：

式中，實際值為某參數的數值，由模型模擬獲得或通過計算所得；最小值，為了簡便計，取零(如果是多個方案，也可通過方案比較，參考實際值下限取值)；最大值，內澇體積的最大值取值參考不設置低影響開發設施情景下的系統總內澇體積值(現在的排水系統規劃設計，已經向低影響開發、可持續方向轉變)；污染控制率最大值設置為0.9，其他參數的最大值參考實際值設置(由于在排水系統規劃設計中，一般不止一個方案，所以參考多方案實際值上限取值；當僅有單個方案時，直接參考實際值上限取值，并控制在實際值上限取值的2倍以下)。

(3)計算衡量指標{社會}，其計算公式為：

iso＝1-if(d)；

式中，iso為{社會}指標，iso越大，表明系統的社會效果越好；if為歸一化的內澇體積，由模型模擬和歸一化公式(c)計算獲得；

(4)計算衡量指標{經濟}，其計算公式如下：

iec＝[(1-ic1)(1-ic2)]^1/2(e)；

式中，iec為{經濟}指標，iec越大，表明系統的經濟效果越好；ic1為歸一化的系統造價，ic2為歸一化的系統維護運行費用，ic1和ic2具體結合待評估系統設計造價及公式(c)計算得到；

(5)計算衡量指標{環境}，其計算公式如下：

ien＝(ik·is)^1/2(f)；

式中，ien為{環境}指標，ien越大，表明系統對環境的效果越好；ik為歸一化的污染控制率，可由年徑流總量控制率表示，或以單個污染指標如tss、總氮、總磷或組合指標表示(可由模型模擬和歸一化公式(c)計算獲得)；is為歸一化的雨水利用量，通過雨水下滲量和雨水儲存量計算，雨水下滲量和雨水儲存量可由模型模擬和歸一化公式(c)計算獲得；

(6)計算衡量指標{可持續性}，其計算公式如下：

s＝(iso·iec·ien)^1/3(g)；

式中，s為{可持續性}指標，s越大，表示排水系統的可持續性越好；iso為{社會}指標，由公式(d)計算；iec為{經濟}指標，由公式(e)計算；ien為{環境}指標由公式(f)計算。

步驟三、通過集成公式，計算得到排水系統的性能指數，所述排水系統性能指數的計算公式為：

pi＝(r·s)^1/2(h)；

式中，pi為系統性能指數，pi越大，表示排水系統的性能越好；r為{系統彈性}指標，由公式(b)計算；s為{可持續性}指標，由公式(g)計算。

可持續性是排水系統規劃設計的引導方向，而系統的彈性分析，則可以知曉系統對不同威脅(氣候變化、管道損壞等)的響應恢復能力，可以根據系統的彈性情況，制定應對策略，以適應不確定的未來。因此，為了應對氣候變化、管道故障等不同威脅，針對排水系統，考慮集成系統彈性和可持續性評估具有重要意義?，F有技術中城市排水系統性能通常僅根據水力性能(指標如積水體積、積水歷時、積水深度等)進行評估，由于未能考慮威脅，其評價結果與實際應用結果差異較大，對排水系統規劃設計的理論指導欠佳。本發明集成系統彈性評估和可持續評估，不僅考慮系統故障等不同威脅，而且考慮系統的造價、維護運行費用、環境、社會效果等，評估更為全面；同時借助城市排水系統模型，通過定量方法，對排水系統性能進行綜合評定，從而能夠保證評估結果的準確性，且考慮排水系統運行可能出現的情況(如構件故障等)，因此能夠更好地用于指導城市排水系統的規劃設計，有利于設計出更具彈性和可持續性的城市排水系統。

雖然tahmasebibirganiy.etal.(2013)和casal-camposetal.(2015)都集成了彈性和可持續性，但其指標、方法各異，且這兩篇文獻中多個指標重要性的量化方法也不同，tahmasebibirganiy.etal.(2013)采用層次分析法(ahp)，casal-camposetal.(2015)采用擺動權重法(swingweighting)，這兩種方法都通過專家評價，因此存在一定的主觀性。本發明針對社會、環境指標，給出了具有可度量性的衡量因子，保證了評估的可操作性和客觀性；同時采用本發明的方法對衡量指標{經濟}、{環境}、{可持續性}及排水系統性能指數進行計算評估，還可以有效避免人為設置評價指標權重的主觀性，從而保證計算結果的準確性、客觀性，進而有利于保證城市排水系統性能評估的準確性、客觀性，能夠更好地用于指導城市排水系統的設計與優化。

為進一步了解本發明的內容，現結合具體實施例對本發明作詳細描述。

實施例1

本實施例以安徽省池州市為背景，結合圖1，利用本發明的方法，對某新設計的低影響開發排水系統a開展評估。

首先確定相關評價因子，本實施例確定的評價因子為：{系統彈性，內澇體積，造價，運行維護費用，污染控制率，雨水利用量}。

借助城市排水系統模型，開展系統彈性評估：本實施例考慮不同威脅為系統管道損壞故障(0％-100％)，進行模型模擬。根據公式(a)計算彈性，結果如圖2所示，根據公式(b)計算系統彈性，結果為：r＝0.592。

借助城市排水系統模型，開展可持續性評估：本實施例為簡便計，未考慮氣候變化等威脅。借助城市排水系統模型，獲得相關評價因子的值，如表1所示(本實施例排水系統有3個設計方案，表1所列數據來自設計方案甲)。

表1相關評價因子的值

結合待評估的排水系統實際情況，設置評價因子的最大值和最小值。最小值，為了簡便計，本實施例均取零。最大值，內澇體積的最大值參考不設置低影響開發設施情景下的系統總內澇體積值(本實施例無低影響開發設施時，系統總內澇體積值30000m³)。污染控制率最大值設置為0.9，其他參數則參考實際值上限取值，控制在2倍以下。如表2所示。(造價和維護費用最大值設置較高，是因為未列出的其他2個設計方案中，有造價和維護費用分別超出16200萬元和31.9萬元)。

表2相關評價因子的最大值和最小值

根據公式(c)-(f)，對評價因子作歸一化處理，并計算指標{社會}、{經濟}、{環境}，結果分別為：iso＝0.756；iec＝0.427；ien＝0.965。

根據公式(g)，計算系統的可持續性指標，結果為：s＝0.678。

最后，根據集成公式(h)，計算系統的性能指數，結果為：pi＝0.633。

通過以上的性能評估結果，可以了解該排水系統性能指標方面的表現，系統a的{環境}指標很好，但{經濟}指標相對較低，規劃設計方案還有改善空間。