吳 京 戎，姜 金 延

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068； 2.湖北工業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430068)

我國城鎮(zhèn)化程度不斷提高所帶來的水生態(tài)失衡、水污染嚴(yán)重和城市洪澇頻發(fā)的城市水問題，亟需解決。2013年的中央城鎮(zhèn)化工作會議中提出了“防止洪澇災(zāi)害，打造自然蓄水、自然滲透和自然凈化的海綿城市”，為解決城市水問題與城鎮(zhèn)化的矛盾提供了新思路。隨著相關(guān)政策的陸續(xù)出臺，海綿城市在我國發(fā)展至今，已初具規(guī)模[1]。建立科學(xué)全面的績效評價體系，是檢驗海綿城市建設(shè)成效和推進(jìn)海綿城市有序發(fā)展的重要舉措。

在國外，北美的低影響開發(fā)(LID)[2]、澳大利亞的水敏感城市設(shè)計(WSUD)[3]和英國的可持續(xù)城市排水系統(tǒng)(SUDS)[4]已發(fā)展得較為成熟。Hua等[5]建立了基于生命周期成本分析、層次分析法和后悔決策理論的綜合評價體系，以對LID進(jìn)行全方位的績效評價；Lerer[6]等綜述了WSUD 3類決策支持模型的發(fā)展，3類模型包括：量化模型(量化水力影響、水文影響、水質(zhì)影響、非流動相關(guān)影響及經(jīng)濟影響)、評估模型和技術(shù)模型，并提出將模型已存信息可視化以對其進(jìn)行綜合評價；Pappalardo等[7]考察相關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)，并通過這些政策在國際城市的應(yīng)用，評估其普遍的績效特征，并在此基礎(chǔ)上提出了支持城市居住區(qū)SUDS實施的新績效標(biāo)準(zhǔn)。在國內(nèi)，國家財政部和住房城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺的《海綿城市建設(shè)試點績效評價指標(biāo)體系》只是從整體方向把控海綿城市的績效水平，相關(guān)學(xué)者所采用的熵權(quán)TOPSIS法[8]、云模型[9]、群組評價[10]和層次分析法[11]雖能從主客觀角度反映海綿城市建設(shè)績效水平，但仍未體現(xiàn)其系統(tǒng)性和內(nèi)在聯(lián)系。

基于此，本文通過結(jié)合環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的DPSIR(驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng))理論與EES(生態(tài)-經(jīng)濟-社會)理論以及系統(tǒng)動力學(xué)理論，將海綿城市作為一個動態(tài)系統(tǒng)，在現(xiàn)有的以水為中心的績效評價體系基礎(chǔ)上，兼顧海綿城市生態(tài)系統(tǒng)的因果關(guān)系和其內(nèi)部的生態(tài)、經(jīng)濟、社會復(fù)合屬性，構(gòu)建新的海綿城市建設(shè)績效評價模型，為未來海綿城市的量化評估和標(biāo)準(zhǔn)化推廣提供新的研究思路和理論依據(jù)。

1 海綿城市績效評價體系構(gòu)建

1.1 DPSIR-EES模型

DPSIR(Driving force-Pressure-State-Impact-Response)理論最早是由經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)在1993年對PSR模型和DSR模型修訂后提出的[12]，現(xiàn)已逐漸成為解決環(huán)境和社會發(fā)展關(guān)系問題的有效工具，其內(nèi)部元素關(guān)系如圖1所示。DPSIR模型能揭示環(huán)境與經(jīng)濟的因果關(guān)系，并有效地整合資源、發(fā)展、環(huán)境與人類社會問題[13]。其運作模式是以社會、經(jīng)濟或環(huán)境發(fā)展形式出現(xiàn)的驅(qū)動力對環(huán)境施加壓力，從而導(dǎo)致環(huán)境狀況的變化，引起社會反應(yīng)的影響，從而反饋到驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)或影響中[14]。EES是我國著名生態(tài)學(xué)者馬世駿[15]在1984年提出的 “社會-經(jīng)濟-自然”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論，能反映系統(tǒng)內(nèi)部的生態(tài)、經(jīng)濟和社會的三維復(fù)合屬性。將DPSIR與EES有機結(jié)合，可同時兼顧系統(tǒng)各因素的因果關(guān)系和其內(nèi)部的生態(tài)、經(jīng)濟、社會復(fù)合屬性，從而能科學(xué)系統(tǒng)地評價海綿城市的建設(shè)成效。

圖1 DPSIR內(nèi)部元素關(guān)系Fig.1 DPSIR internal element diagram

1.2 SD模型

系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics，簡稱SD)模型由麻省理工學(xué)院的Forrester教授于1956年提出[16]，是將系統(tǒng)科學(xué)理論與計算機仿真緊密結(jié)合、研究系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)與行為的一門科學(xué)。SD模型認(rèn)為系統(tǒng)的行為模式與特點主要取決于其自身內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，將整個系統(tǒng)作為反饋系統(tǒng)分析處理問題來得出合理的結(jié)論[17]。系統(tǒng)動力學(xué)建模步驟如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)動力學(xué)建模步驟Fig.2 System dynamics modeling steps

1.3 績效評價指標(biāo)體系的建立

1.3.1界定系統(tǒng)邊界與組成

首先，明確建模目的為評價海綿城市的績效水平，由于本模型設(shè)計的系統(tǒng)包含DPSIR和EES兩個系統(tǒng)組成的耦合系統(tǒng)，故此系統(tǒng)邊界為DPSIR-EES耦合系統(tǒng)。再根據(jù)權(quán)威機構(gòu)發(fā)布的指標(biāo)體系和實地調(diào)研結(jié)果，確定了27個主要變量組成系統(tǒng)的影響因素。系統(tǒng)組成如表1所示。

表1 海綿城市績效評價模型系統(tǒng)組成Tab.1 System composition of sponge city performance evaluation model

1.3.2因果反饋關(guān)系和系統(tǒng)流圖

本文基于DPSIR的因果關(guān)系，應(yīng)用Vensim DSS 6.5E軟件建立了海綿城市績效評價指標(biāo)體系因果關(guān)系反饋回路，并構(gòu)建了海綿城市績效評價指標(biāo)體系流圖。指標(biāo)體系流圖如圖3所示。此模型因果關(guān)系反饋回路眾多，由于篇幅所限，故選取其中兩條反饋回路進(jìn)行分析。

圖3 海綿城市績效評價指標(biāo)體系流圖Fig.3 Flow chart of sponge city performance evaluation index system

(1) 人口數(shù)→(-)城鎮(zhèn)化率→(+)城市建成區(qū)面積→(-)綠地率→(+)項目生態(tài)效益→(+)項目績效水平→(+)人口數(shù)。該反饋回路為正反饋回路。表明隨著人口數(shù)的增加，城鎮(zhèn)化率降低，城市建成區(qū)面積也降低，綠地率反而增加，項目生態(tài)效益增加，導(dǎo)致項目績效水平提高，最后反饋到人口數(shù)。

(2) 人口數(shù)→(-)人均月用水量→(-)居民供水價格→(+)居民用水價格→(-)項目社會效益→(+)項目績效水平→(+)人口數(shù)。該反饋回路為負(fù)反饋回路。表明隨著人口數(shù)的增加，人均月用水量降低，居民供水價格增加；而在居民用水價格降低時，項目社會效益增加，導(dǎo)致項目績效水平提高，最后反饋到人口數(shù)。

2 海綿城市績效評價模型仿真分析

2.1 項目概況

漢陽四新示范區(qū)海綿城市建設(shè)(芳草溪海綿改造工程等)項目位于具有“九省通衢”美稱的江城——武漢。東靠長江，南鄰三環(huán)線，西至龍陽大道，北抵漢新大道，示范區(qū)面積約15.50 km2，現(xiàn)狀建成區(qū)域面積567 hm2，已建(在建)地塊面積729 hm2，待建地塊面積262 hm2。項目細(xì)分國博區(qū)、梅子北區(qū)、梅子南區(qū)、芳草北區(qū)、芳草南區(qū)、方島湖心區(qū)等6個區(qū)域。本文涉及其中35個子項目，項目明細(xì)如表2所示。

表2 漢陽四新示范區(qū)海綿城市建設(shè)項目子項目明細(xì)Tab.2 Subitem list of the pilot area in Hanyang District

2.2 SD模型的仿真與分析

2.2.1參數(shù)和方程設(shè)置

以2015～2035年為時間邊界，設(shè)仿真步長為1 a，并查閱中國城市統(tǒng)計年鑒、武漢統(tǒng)計年鑒、武漢市水資源公報、武漢市環(huán)境質(zhì)量狀況公報等資料，將2015年數(shù)據(jù)作為相關(guān)狀態(tài)變量和常量的初始值，編輯各變量的方程式。部分初始參數(shù)及方程式如表3所示。為了使設(shè)計模型與實際更為相符，本文采用以時間()為輸入的表函數(shù)(WITH LOOKUP)來表示相關(guān)變量，表函數(shù)如表4所示。

表3 部分初始參數(shù)及其方程式Tab.3 Some initial parameters and equations

表4 相關(guān)變量表函數(shù)取值Tab.4 WITH LOOKUP values of related variables

2.2.2有效性檢驗

完成系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和方程輸入后，進(jìn)行試運行，根據(jù)報錯信息對模型反復(fù)修改和調(diào)試，仔細(xì)審查系統(tǒng)內(nèi)各變量的因果關(guān)系、方程式和量綱的正確性，直到模型初次運行成功，即可進(jìn)行模型有效性檢驗。

(1) 真實性檢驗。取模型中部分狀態(tài)變量的模擬數(shù)值與同年的實際值進(jìn)行對比，相對誤差在10%以內(nèi)即表明模型真實有效。以2016年為例，武漢市人口數(shù)量模擬值為1 068萬人，而真實值為1 076.62萬人，相對誤差0.8%；2016年武漢市GDP模擬值為12 060億元，而真實值為11 912.61億元，相對誤差1.2%，即模型與實際基本相符，通過真實性檢驗。

(2) 穩(wěn)定性檢驗。通過改變模型的時間步長來驗證模型是否有變異性差錯，根據(jù)變量的變化情況檢驗整個模型的穩(wěn)定性。本文通過改變時間步長為0.5，1 a和1.5 a對系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)模型運行穩(wěn)定，各變量的變化趨勢和幅度高度一致，能通過穩(wěn)定性檢驗。

2.2.3模擬結(jié)果分析

以漢陽四新示范區(qū)海綿城市建設(shè)(芳草溪海綿改造工程等)項目為研究對象，利用Vensim DSS 6.5E軟件對系統(tǒng)流圖進(jìn)行仿真模擬，模擬結(jié)果如下。

(1) 績效水平分析。根據(jù)武漢市海綿城市專項規(guī)劃和漢陽四新示范區(qū)海綿城市專項規(guī)劃中提供的績效標(biāo)準(zhǔn)，建立此案例所在區(qū)域部分績效指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，將其輸入模型中得到對應(yīng)的績效水平評價標(biāo)準(zhǔn)，如表5所示。由表5可知，項目績效水平小于0.294時不合格，在0.294和0.317之間為合格，大于等于0.317時為優(yōu)秀。

表5 案例區(qū)域部分績效指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)及對應(yīng)績效水平Tab.5 Performance index standards and corresponding performance levels of some cases in the region

通過對系統(tǒng)仿真模擬，得到項目績效水平，如圖4所示。圖4顯示項目績效水平最低值為0.3351，大于0.317，故漢陽四新示范區(qū)海綿城市建設(shè)(芳草溪海綿改造工程等)項目績效評價結(jié)果為“優(yōu)秀”。

圖4 項目績效水平Fig.4 Project performance level

將此結(jié)果與已有的項目績效評價方法如熵權(quán)TOPSIS法、云模型和層次分析法結(jié)果進(jìn)行對比(如表6所示)，評價結(jié)果基本一致。在同等條件下，將本文方法與精度準(zhǔn)確度類似的方法對比，SD模型仿真通過方程式和表函數(shù)來建立系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系，直接輸入相關(guān)數(shù)據(jù)即可通過仿真模擬出所需結(jié)果，過程更簡單。將本文方法與復(fù)雜程度類似的方法對比，本文方法的系統(tǒng)性和仿真性保證了其精確程度和真實性，結(jié)果更客觀。

表6 本文方法與其他評價方法的結(jié)果對比Tab.6 Comparison of the result by the proposed method with the other evaluation methods

(2) 趨勢分析。對海綿城市項目績效水平和項目社會效益、經(jīng)濟效益、生態(tài)效益的模擬結(jié)果進(jìn)行趨勢分析，如圖5所示。其中項目績效水平在2015～2016年小幅增長，2016～2017年小幅下降，而在2017～2035年以后呈波動增長趨勢；項目生態(tài)效益呈波動增長趨勢；項目經(jīng)濟效益呈穩(wěn)定小幅波動趨勢；而項目社會效益則在2015～2016年劇增，2016～2017年劇降，2017～2021年又增加至臨界點，往后2021～2035年呈平穩(wěn)且微降趨勢。這樣的趨勢變化表明海綿城市由于在2015～2017年間處于初步建設(shè)階段，各方面未成熟，故此時績效水平有小幅波動，而未來隨著項目成熟度的提高，海綿城市績效水平也在不斷提高；項目的生態(tài)效益逐漸增強；經(jīng)濟效益波動范圍變化不大；社會效益在2015～2021年這段時間內(nèi)波動幅度大則是由于海綿城市項目在此段時間剛推行不久，對社會各方面影響較大，隨著項目持續(xù)推進(jìn)和不斷完善，在2021～2035年以后項目社會效益逐漸平穩(wěn)，且隨時間變化有些微的下降，這可能與邊際效益遞減有關(guān)。因此通過趨勢分析可知海綿城市項目發(fā)展趨勢良好，可在現(xiàn)有項目基礎(chǔ)上繼續(xù)大力推廣。

圖5 海綿城市項目績效水平和生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益趨勢Fig.5 Sponge city project performance level and trend of ecological，economic and social benefits

(3) 敏感性分析。敏感性分析是在模型完成后，分析觀測量對控制量的敏感程度。本文選取相關(guān)政策發(fā)布量模擬200次后，分別對項目績效水平、項目社會效益、項目經(jīng)濟效益、項目生態(tài)效益進(jìn)行敏感性分析，如圖6所示。項目績效水平和項目社會效益呈帶狀圖，通常稱為敏感圖和軌跡圖。項目經(jīng)濟效益和項目生態(tài)效益則呈線狀，無帶寬。一般帶寬越大、越敏感，越小、越不敏感。由此表明，項目績效水平和項目社會效益對政策發(fā)布量的變化較為敏感，而項目經(jīng)濟效益和生態(tài)效益則不敏感。其他各變量的敏感性分析以此類推。

圖6 相關(guān)政策發(fā)布量對項目績效水平和項目社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益的敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of relevant policy releases to project performance level and project social，economic and ecological benefits

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

通過上述海綿城市績效評價指標(biāo)體系的構(gòu)建與仿真，本文研究結(jié)論如下：

(1) 基于DPSIR、EES和SD理論，本文所構(gòu)建的績效評價指標(biāo)體系包含了DPSIR-EES耦合系統(tǒng)下的城鎮(zhèn)化率、年徑流總量控制率、海綿城市資本投入量、地表水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等27個主要子指標(biāo)。

(2) 從趨勢預(yù)測來看，在系統(tǒng)保持穩(wěn)定的情況下，未來海綿城市建設(shè)項目績效水平會穩(wěn)定增長，項目社會效益和生態(tài)效益也會穩(wěn)步上升，而其經(jīng)濟效益則會在波動范圍內(nèi)維持穩(wěn)定，海綿城市發(fā)展形勢大好。

(3) 從敏感性預(yù)測來看，指標(biāo)層中的徑流污染控制量、年徑流總量控制率、年SS總量去除率、相關(guān)政策發(fā)布量、政府海綿城市建設(shè)項目投資額、污水處理率等指標(biāo)對項目績效水平較為敏感，而生態(tài)岸線占比、自然湖泊保持率等指標(biāo)對項目績效水平不太敏感。

3.2 建 議

基于上述海綿城市績效評價模型的研究結(jié)論，本文提出如下建議：

(1) 對于海綿城市的績效評價研究，要從海綿城市的內(nèi)涵出發(fā)，充分考慮其整體的復(fù)雜性和動態(tài)性，以及內(nèi)部的因果關(guān)系和生態(tài)、經(jīng)濟、社會復(fù)合屬性，從科學(xué)、完整、合理的角度對海綿城市進(jìn)行系統(tǒng)性的評價。

(2) 對比現(xiàn)有的海綿城市績效評價體系，要從海綿城市建設(shè)的實際成效出發(fā)，反復(fù)驗證指標(biāo)的可行性和準(zhǔn)確性，以便及時更新和優(yōu)化績效評價體系，再以新的評價體系推動海綿城市的良性發(fā)展。

(3) 對于海綿城市績效評價的發(fā)展，要與低碳城市、智慧城市等理念進(jìn)行融合，從宏觀角度考慮，以整個城市為主體，建立全方位、多角度的智能評價體系，以適應(yīng)未來智能城市的發(fā)展趨勢。

4 結(jié) 語

海綿城市的興起是維持可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展的必然趨勢，是落實生態(tài)文明建設(shè)理念的重要舉措。然而目前國內(nèi)對于海綿城市績效評價的研究仍較為匱乏。本文結(jié)合環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的DPSIR(驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng))理論與EES(生態(tài)-經(jīng)濟-社會)理論，將海綿城市看作一個動態(tài)系統(tǒng)，建立了基于DPSIR-EES和SD模型的海綿城市建設(shè)績效評價體系，并以武漢市漢陽四新示范區(qū)建設(shè)項目為例進(jìn)行實證分析。與熵權(quán)TOPSIS法、云模型法和層次分析法相比較而言，本文評價方法過程更為簡化，準(zhǔn)確度也有所提升，更為客觀易用?？勺鳛楹罄m(xù)評判海綿城市建設(shè)績效水平和推進(jìn)海綿城市進(jìn)一步發(fā)展的依據(jù)。