一种考虑设计偏离分析的雨水管网健康度评价方法

本发明涉及一种城市雨水管网健康度评价方法，该方法通过考虑雨水管网的现状与设计之间的偏离程度，量化分析雨水管网健康度。属于排水管网规划、设计、运行管理和优化改造技术领域。

背景技术：

雨水管网是排除地面雨水、防止内涝灾害发生的重要基础设施，与城市发展和市民生活质量息息相关。目前很多城市都存在小雨排水不畅，大雨内涝严重的问题，说明雨水管网系统长期在亚健康状态下运行，未充分发挥应有的排涝效能。因此，应对该现象的首要任务是科学诊断现状雨水管网健康度。在这种背景下，雨水管网系统的健康度评价及相关技术应运而生，已成为国内外学者关注的热点之一。采用科学、合理的方法对城市雨水管网系统的健康状态进行量化评价，不仅可为雨水管网的维护更新提供理论依据，而且可以提高排水安全可靠性、促进排水管理的科学化和经济化，具有十分重要的理论意义和实践应用价值。

目前，雨水管网健康度评价主要集中于分析排水能力、结构功能、缺陷状况和社会因素等方面。而管网健康是指在规定的时间和条件下，管网能够稳定、持续地完成预定功能，且不对社会、经济、环境造成负面影响。因此，雨水管网的健康是指能够及时排除设计重现期内的降雨，满足原有设计标准。一般情况下，雨水管网根据设计标准和城市需求来进行规划设计，并按照设计要求完成施工建设，使用过程中若保持合理的运行维护是可以完成预定功能的健康管网。但现状雨水管网如果与原有设计发生偏离，则会导致现状排水能力小于设计排水能力，无法充分发挥预定功能，处于一种亚健康状态。但目前缺少从设计要求出发进行分析的健康度评价研究，难以科学准确的评价雨水管网健康度。

技术实现要素：

本发明的目的在于准确评价雨水管网健康度，提出雨水管网健康度应依据现状与设计的偏离程度来判定，但目前缺少这种判定方式的健康度评价研究。故本发明提出基于设计偏离分析的雨水管网健康度评价方法，量化现状管网与设计管网的偏离程度，实现对一定区域内雨水管网健康度的快速、定量评价，获得雨水管网健康状态，为雨水管网建设与运维的监管、养护与改造计划的制定提供理论支撑。

一种城市雨水管网健康度评价方法，包括以下步骤：

1)城市雨水管网健康度评价指标体系构建；综合考虑现状雨水管网和设计雨水管网之间的偏离因素确定评价指标体系。本专利在确定指标时从两个层次进行分析，第一层包括两类指标，一类是设计属性指标a1，另一类为工程属性指标a2。第二层指标包括设计属性指标层次下的：管径a11、坡度a12、管长a13，这类指标为定量指标，分析现状管网与设计管网之间的偏离数值；第二层指标还包括工程属性指标a2层级下的：逆坡a21、大管接小管a22、出水口不明a23、雨污混接a24、跌水a25，这类指标为定性指标，一般情况下不允许在管网中出现这些情况。第i个评价对象的第j项指标的指标值x′ij依据表1给定的原则确定，其中评价对象为每个雨水管道，共有n个，第i个评价对象对应的为第i条雨水管道，i＝1,2,3……n；指标对应的为a11、a12、a13、a21、a22、a23、a24、a25，共有8个，j＝1,2,3……8。

表1评价指标值x′ij的确定原则

2)标准指标值xij的确定：采用极值处理法进行标准化，将原本是极小型的指标转化为极大型指标，采用该方法处理后的数据分布范围为[0,1]，其计算公式为

式中：xij为标准指标值，x′ij为指标值，mj为总的n个评价对象在第j项指标下指标值的最小值，mj为总的n个评价对象在第j项指标下指标值的最大值。

3)指标权重的确定：第一层指标中的a1和a2采用专家打分法确定权重，依据专家知识并结合研究区域的实际情况来确定权重ug(g＝1,2)；

第二层指标的a11、a12、a13，均属于a1层级下的指标，且均为定量指标，可通过各指标传递给决策者的信息量大小确定权重，故采用基于信息熵的客观赋权法确定权重w1h(h＝1,2,3)，其中a11的权重为w11，a12的指标为w12，a13的指标为w13，主要计算步骤如下：

①计算第h项指标下第i个评价对象的标准指标值的比重pih：

②根据熵权法和各标准指标值pih的比重计算第h项指标的熵值sh：

规定当pih＝0，pihlnpih＝0；

③根据熵值sh计算各指标的熵权，确定指标的权重：

第二层指标中的a21、a22、a23、a24、a25，均为工程属性层次下的指标，且所涉及的评价指标较多，指标值均是通过对定性指标的量化确定而来，各指标的信息量大小不能充分反映指标的重要程度，所以需要结合一定的主观因素确定权重，故采用基于排序法的改进ahp法计算权重w2k(k＝1,2,3,4,5)，其中a21的权重为w21，a22的权重为w22，a23的权重为w23，a24的权重为w24，a25的权重为w25；主要的计算步骤如下：

①由决策者确定指标a21、a22、a23、a24、a25的重要性顺序；

②采用(0,1,2)三标度法建立比较矩阵b：

b＝[bkl]5×5(k,l＝1,2,3,4,5)(5)

其中，

③利用极差法构造判断矩阵c：

c＝[ckl]5×5(k,l＝1,2,3,4,5)(6)

其中，取cb＝9，rmax＝max{r1,r2,r3,r4,r5}，rmin＝min{r1,r2,r3,r4,r5}，

④进行一致性检验：

d＝[dk]5×1＝c·w(7)

其中，w＝[w2k]^t＝[w21,w22,w23,w24,w25]^t，

利用公式(8)和(9)进行一致性检验：

若qc.i.≤0.001，则证明判断矩阵满足一致性检验，所求权重w2k可直接应用，若未满足一致性检验，还需要对判断矩阵等进行调整，直至可以满足一致性检验为止。

最终，指标的权重wj(j＝1,…,8；∑wj＝1)为对应的第一层指标权重ug(g＝1,2)与第二层指标权重(w1h(h＝1,2,3)；w2k(k＝1,2,3,4,5))的乘积。

表2权重的计算结果

4)健康度的计算：

为确定多指标维度下雨水管网健康度评价结果，采用“逼近理想排序法(topsis)”进行信息融合。将每个管道当作一个方案，将不同的评价指标看作方案的不同属性，则将健康度评价的问题转化为多属性决策问题，决策准则即为各管道的性能评价结果。主要计算步骤如下：

①构造加权规范化矩阵y，其中：y＝[yij]n×8＝[wj·xij]n×8(10)

②确定正理想决策方案a⁺和负理想决策方案a^-：

③分别计算每个方案ai到正理想方案a⁺和负理想方案a^-的距离e⁺i和e^-i：

④计算每个方案到理想方案的贴近度zi，贴近度zi即健康度，按照从大到小的方法进行排序，排名越靠前说明该雨水管道在管网中的健康状况相对越好：

将每个评价对象的管道长度li占管网总长的比重作为权重，通过公式(14)计算雨水管网整体的健康度z值：

附图说明

附图1是雨水管网健康度评价指标体系。

附图2实施例雨水管网的分布。

附图3实施例雨水管网的标准指标值分布。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

以某区域的管网数据为例进行研究，该区域在暴雨事件下的积水现象严重，且管网无法及时排除设计重现期内的降雨。根据该区域的现状雨水管网与设计雨水管网构建水力模型，根据模型模拟结果判断管网的排水功能是否满足设计要求。利用基于设计偏离分析的健康度评价方法对该区域内的管网展开分析，评价健康度并进行分级。

该区域的总面积为4.82km²，雨水管网的设计重现期为3-5年。现状雨水管网数据来源于管网普查记录，设计雨水管网数据来源于相关规划设计研究院提供的设计阶段图纸。在地理信息系统(gis)中构建管网数据库，现状管网总长度22.24km，设计管网总长度23.89km，基于管道唯一的标识建立现状雨水管网与设计雨水管网的对应关系。

根据水力模型软件的模拟结果分析该区域雨水管网的排水功能。主要模拟的设计重现期为2a、3a、5a，设计降雨历时为180分钟，根据《城市雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》(db11/t969—2016)确定暴雨强度公式为：

式中：q为设计暴雨强度(l/(s·hm²))，p为设计重现期(年)，t为设计降雨历时(min)。

该试验区域内各种用地类型的雨水综合径流系数，按照下表选取：

表3综合径流系数

基于以上数据构建水力模型，首先对现状雨水管网(针对755根管道构建模型，其中不包括存在无出水口或雨污混接问题的9根管道)进行模拟，在2年一遇降雨条件下，该区域的溢流情况已比较严重，模拟结果说明现状雨水管网未满足该区域的设计要求。同理，对设计雨水管网数据进行模拟，根据模拟结果可知降雨重现期在3年内，管网溢流量少，降雨重现期为5年时，积水点和溢流量虽有增多，但也在可接受范围内，说明设计管网是可以完成预定功能，排水功能达到设计要求。具体的最大溢流量和总溢流量模拟结果如下表所示。

表4不同重现期下节点溢流情况

通过以上分析可知，该区域的现状雨水管网的排水功能受损，未充分发挥预定功能，且设计雨水管网满足设计要求的。所以从现状雨水管网与设计管网之间的偏离进行分析，对现状雨水管网进行健康度评价。具体步骤如下：

1)城市雨水管网健康度评价指标体系构建。确定指标时从两个维度进行了分析，一类是设计属性指标a1，包括：管径a11、坡度a12、管长a13；另一类为工程属性指标a2，包括：逆坡a21、大管接小管a22、出水口不明a23、雨污混接a24、跌水a25。指标值x′ij依据附表1给定的原则确定。

2)标准指标值xij的确定。采用极值处理法进行标准化，依据公式(1)进行确定。标准化结果如图3所示。

3)指标权重的确定

根据专家意见，该区域内设计属性指标略比工程属性指标重要，将权重分别确定为0.6与0.4。设计属性指标的权重，依据公式公式(2)-(4)确定。工程属性指标权重依据公式公式(5)-(9)确定，其中相对重要顺序为：a21＝a22>a23＝a24>a25。各指标的权重wj(j＝1,…,8；∑wj＝1)为对应的一级指标权重ug(g＝1,2)与二级指标权重(w1h(h＝1,2,3)；w2k(k＝1,2,3,4,5))的乘积。，计算结果如表3所示。

表5健康度评价的指标权重值

4)健康度的计算

根据公式(10)-(14)计算每个管道的健康度，可得到该区域雨水管网整体的健康度为0.812。