CN105005690A - 一种基于灰关联-层次分析法的海绵城区潜力指数的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于灰关联-层次分析法的海绵城区潜力指数的评价方法。所述海绵城区潜力指数为城区进行海绵城市改造的潜力。包括开发经济潜力和开发技术潜力2个方面，其中开发经济潜力包括开发经济能力与开发用地能力，开发技术潜力包括建筑开发潜力、道路开发潜力和土地开发潜力，根据每个部分的特点及影响因素选取了共11指标。在指标体系的基础上，运用灰关联-层次分析法，结合地区特征，构建评价指标矩阵和判断矩阵，进而求得准则层灰关联度和权重，从而得到该城区进行海绵城市建设的潜力等级，即海绵城区潜力指数。本发明可用于评估海绵城区城市建设的生态开发潜力，对海绵城市的建设具有前瞻性指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于灰关联-层次分析法的海绵城区潜力指数的评价方法，属于城市环境规划、洪涝灾害防治和给水排水技术领域。
背景技术
近年来，随着我国城市规模逐渐扩张，不透水面积不断加大，城市内涝防治以及雨洪控制利用方面的问题愈发突出，依赖大规模基础设施和管网建设的传统雨水排放思路已经无法满足现代城市雨水管理的要求。为此国内外许多城市开始实践新型雨洪管理的理念，将雨洪蓄渗工程技术与城市绿地景观相结合设计，构建以自然积存、自然渗透、自然净化为目标的“海绵城市”，以有效缓解城市内涝、削减城市径流污染负荷、节约水资源、保护和改善城市生态环境。
然而，虽然海绵城区城市建设从源头分散控制污染并利用雨水资源，不仅可以改善经济发展与环境保护中的矛盾，也能在水资源短缺的情况下提高雨水利用效率。而且目前国内已有一些实际工程使用了低影响开发技术，但是总体上普及率还是比较低，因为低影响开发理念很大部分已超出传统的市政工程范畴，广泛涉及城市规划与土地利用、交通规划、建筑设计、景观设计等城市管理的各个方面。同时国内与低影响开发配套的产业刚起步，相关从业人员缺乏经验、国内相关标准规范不完善，在实际应用过程中配套政策不完善、缺乏技术指导，推广也缺乏政策依据。从目前国内外的实际应用情况来看，低影响开发还受降雨强度，季节等多方面因素影响。在推广的过程中它有很多方面的局限性。
因此从开发可行性的角度考虑，有必要在城区进行海绵城市建设前期通过一些指标对其进行开发潜力评价，合理确定需要开发的功能和规模，达到即增加城市水资源，又避免盲目利用雨水资源的目的。为此，需要一个综合考虑各方面因素的评价体系及评价方法来对其进行开发潜力评价。以此作为海绵城区城市建设的决策依据，保证开发的科学性、合理性和可靠性。
各指标的多样性以及指标之间关系的复杂性使得评价的可操作性大大降低，而且很难利用数学模型进行理论上的优化，应用最多的是集中多个专家或决策者针对各城区具体情况对其生态开发潜力进行论证、评比和选择，但因个人的经验、知识及偏好的差异，完全有可能导致评价结果的不一致或不合理，为此引入了模糊数学中的关联分析法和多目标规划中的层次分析法，在建立灰色关联模型的基础上，运用层次分析法求出各城区评判指标的权重，进而对各城区的生态开发潜力的大小进行更加客观的判断。因此，本发明提出一种基于灰关联-层次分析法的城区生态开发潜力评价体系及方法，以期为海绵城区城市建设提供科学性的有益参考。
发明内容
针对海绵城市建设的现状需求，本发明的目的在于提出一种基于灰关联-层次分析法的海绵城区潜力指数的评价方法，以期为海绵城区城市开发建设提供科学性的有益参考。
本发明所述的海绵城区潜力指数评价体系及指标含义如表1所示：
表1 海绵城区潜力指数评价指标体系及指标含义
本发明提出的基于灰关联-层次分析法的海绵城区潜力指数的评价方法，所述海绵潜力指数包括开发经济潜力和开发技术潜力，所述开发经济潜力包括开发经济能力和开发用地能力；所述开发技术潜力包括建筑开发潜力、道路开发潜力和土地开发潜力；评价步骤包括建立海绵城区指数评价的目标树，确定指标特征量矩阵，评价指标的规范化，建立灰关联度矩阵，计算各判断矩阵的特征值、特征向量，一致性检验，确定海绵潜力等级，具体步骤如下：
（1）建立海绵城区指数评价的目标树
目标树从上到下分为一级指标、二级指标和三级指标；一级指标为开发经济潜力和开发技术潜力；二级指标5项,为开发经济能力、开发用地能力、建筑开发潜力、道路开发潜力和土地开发潜力；三级指标11项,为地均GDP、用地性质、建筑密度、屋面可利用性、地面坡度、道路网密度、道路可利用性、土壤渗透性、河网密度、地下水埋深和土地可利用性；
（2）根据目标树建立评价指标矩阵
设有n个城区参与本次海绵城区潜力指数评价，则本次评价指标矩阵F记为F={ F 0 ,F 1 ,…,F i ,…F n },其中：F 0 表示理想城区的11项三级指标构成的集合,所谓理想城区是指该城区进行海绵城市改造的潜力最大，所有的三级指标满足最有利的条件,其中理想城区的所有三级指标组成的集合为F 0 =(f 01 ，f 02 ,…,f 011 )= (20, 0.9, 0.1, 0.8, 0.002, 7,0.8, 3.52,0.25, 50, 0.8)，其三级指标值是固定的；F i (i=1，2，...，n)表示第i个待评价城区的11项三级指标构成的集合,即F i =(f i1 ，f i2 ，…, f ij ,…，f i11 )，f ij (i=1，2，...，n；j=1，2，...，11)表示第i个待评价城区的第j个三级指标值，F n 表示第n个待评价城区的11项三级指标构成的集合；则n个城区的评价指标矩阵(也称决策矩阵):
（3）评价指标矩阵的规范化
所述评价指标矩阵的规范化是对评价指标矩阵中的理想城区和n个评价城区的11个三级指标进行规范化，使其三级指标数值隶属于[0，1]的区间；其中：地均GDP、用地性质、屋面可利用性、道路网密度、道路可利用性、土壤渗透性、地下水埋深和土地可利用性这8个三级指标采用极大型规范法，建筑密度，地面坡度和河网密度这3个三级指标用极小型规范法；
对于极大型规范法：
式中：f 0j 指的是理想城区的第j个三级指标值，f ij 是第i个待评价城区的第j个三级指标值，是第i个待评价城区的第j个三级指标规范化之后的值；
对于极小型规范法：
式中：f 0j 指的是理想城区的第j个三级指标值，f ij 是第i个待评价城区的第j个三级指标值，是第i个待评价城区的第j个三级指标规范化之后的值；
进行规范化之后，理想城区的所有三级指标构成的集合=(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,1, 1, 1)；
（4）根据规范化后的评价指标矩阵确定灰关联度矩阵
以评价城区指标向量与理想城区指标向量的关联度作为评价城区生态开发潜力优劣的准则，参评城区中第j个三级指标与理想城区的第j个三级指标之间的灰色关联度为：
式中：ξ为分辨系数，取0.5；i=1，2……n ，j =1，2……11；
由n个城区，每个城区11个三级指标的灰色关联度建立起一个的多目标决策矩阵，称为灰关联度矩阵；
（5）根据层次分析法确定灰关联度矩阵中每项三级指标的权重
采用层次分析法确定灰关联度矩阵中每项三级指标的权重时，需要先确定2项一级指标的权重，再确定5项二级指标的权重，最后再确定11项三级指标的权重；确定权重时需要对每项指标进行两两对比，然后采用(0,1,2)三标度法排定各个指标的相对优劣顺序，构造出三标度比较矩阵C，其中，
（5.1）计算三标度比较矩阵C的行要素r之和：
比较矩阵C的行要素r的最大值为则，比较矩阵C的行要素r的最小值为,则，与和相对应的要素称为两个基点比较要素，将两个基点比较要素按1～9判断尺度进行比较判断，得出其相对重要性程度为；
（5.2）根据三标度比较矩阵C得出间接判断矩阵A：
三标度比较矩阵并不能准确地反映各因素在某准则下的相对重要性程度，因此必须将其变换成具有层次分析法特点和性质的间接判断矩阵，利用比较判断矩阵C，用以下公式求间接判断矩阵A的元素；
式中，表示间接判断矩阵A的元素，表示三标度比较矩阵C的第i行要素之和，表示三标度比较矩阵C的第j行要素之和，表示三标度比较矩阵C的行要素之和的最大值，表示三标度比较矩阵C的行要素之和的最小值，表示其相对重要性程度，取；
（5.3）求解间接判断矩阵A的权重向量：
（5.3.1）计算判断矩阵A每行元素乘积的n次方根：
式中，表示间接判断矩阵A的元素，(i=1，2，...，n)表示间接判断矩阵A的第i行元素乘积的n次方根；
（5.3.2）计算权重向量:
式中，(i=1，2，...，n)表示间接判断矩阵A的第i行元素乘积的n次方根，其中(i=1，2，...，n)表示第i个指标的权重值；
（5.3.3）求权重向量W对应的最大特征值λ max ，并检验一致性：
式中：CI表示层次一致性指标；RI表示随机一致性指标，查同阶平均随机一致性指标可得出；CR表示检验系数；
CI越小，表示一致性越大；考虑到一致性的偏离可能是由于随机原因造成的，因此在检验判断矩阵是否具有满意的一致性时，还需将CI和平均随机一致性指标RI进行比较，得出检验系数CR；一般认为CI<0.1，CR<0.1时，判断矩阵的一致性可以接受，否则重新两两进行比较；
根据两项一级指标的权重和五项二级指标的权重，最后可以确定灰关联度矩阵中每项三级指标的权重向量W=(w1，w2，……，w11)；
（6）确定海绵城区潜力等级指数
根据步骤（4）确定的灰关联度矩阵和步骤（5）确定的三级指标的权重向量W，可以得出n个评价区域的海绵城区潜力等级指数向量γ′；
γ′中元素数值即为该海绵城区潜力指数，γ′中元素数值愈大，说明该城区生态开发潜力愈接近于理想城区。
本发明中，所述用地性质根据《城市用地分类与规划建设用地标准 GB 50137-2010》规定的绿地与广场用地、居住用地、商业及公共服务用地、道路与交通设施用地、工业与物流仓储用地5种用地类型，结合灰关联-层次分析法的要求，将5种用地性质分别量化为无量纲化数0.9、0.7、0.5、0.3和0.1。
本发明中，所述理想城区为地均GDP、用地性质、建筑密度、屋面可利用性、地面坡度、道路网密度、道路可利用性、土壤渗透性、河网密度、地下水埋深、土地可利用性分别取值为20亿元/km2，0.9，0.1%，80%，0.15%，7 km/ km2，80%，3.52×10-6 m/s，0.25 km/km2，50m，80%。
本发明的有益效果在于：
本发明提出一种基于灰关联-层次分析法的海绵城区潜力指数的评价方法，通过层次分析法建立城区生态开发潜力指数评价体系，并以灰关联-层次分析法为体系评价方法，进行城区生态开发潜力的评价。其评价体系适用于海绵城区城市建设规划建设前期的开发潜力预判，为科学决策提供依据，具有很强的实用性。其评价方法在适用于本评价体系的同时，也可以广泛应用于类似的其他领域的评价体系。
附图说明
图1为海绵城区潜力指数评价目标树；
图2为基于灰关联-层次分析方法的海绵城区潜力指数评价流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
实施例1：本发明选取的实施例的具体情况表1：
表1 各海绵城区潜力指数相关情况汇总
（1）建立海绵城区指数评价目标树
建立海绵城区指数评价的目标树。目标树从上到下分为一级指标、二级指标和三级指标。一级指标有两个准则，包括开发经济能力和开发技术潜力，编号为A 1，A 2；二级指标有五个准则，编号分别为B 1，B 2，B 3，B 4，B 5；三级指标有十一个准则，编号分别为C 1，C 2，C 3，C 4，C 5，C 6，C 7，C 8，C 9，C 10，C 11。各级指标之间的关系具体见附图2。
（2）根据目标树建立评价指标矩阵
本发明的建立的评价指标矩阵为：
对应的最优城区为：
F 0 =[ 20，0.9，0.1，80%，0.15%，7，80，3.52×10-6，0.25，50，80]
（3）评价指标矩阵的规范化
针对不同类型的指标采取相应的规范方法对矩阵F进行规范化得到规范化矩阵:
（4）根据规范化后的评价指标矩阵确定灰关联度矩阵
由灰色关联度和灰色关联度矩阵的计算方法得到本城区的灰色关联度矩阵为（取ξ=0.5）：
（5）根据层次分析法确定灰关联度矩阵中每项三级指标的权重
对各个层次建立的判断矩阵如下：(左为比较判断矩阵，右为间接判断矩阵。
开发经济潜力A 1：
rmax=2，rmin=2，bm=1；
开发技术潜力A 2：
rmax=3，rmin=3，bm=1；
建筑开发潜力指标B3
rmax=3，rmin=1，bm=3；
道路开发潜力指标B 4
rmax=5，rmin=1，bm=5；
土地开发潜力指标B 5
rmax=7，rmin=2，bm=3.5；
由上述判断矩阵可知11个三级指标的权重分配向量W为:
W=(0.1，0.1，0.20，0.066667，0.169863，0.027928，0.068876，0.075161，0.032868，0.032868，0.125769)T。
（6）确定海绵城区潜力等级指数
=（35.6, 39.2, 45.3, 58.4, 100）
因此，城区5的海绵潜力等级最高，即在该城区进行海绵城市建设潜力大。具体来说该城市在海绵城市建设方面的开发经济潜力及开发技术潜力均很高，适合进行海绵城市建设改造。
Claims (3)
1.一种基于灰关联-层次分析法的城区生态开发潜力评价体系的评价方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）建立海绵城区指数评价的目标树
目标树从上到下分为一级指标、二级指标和三级指标；一级指标为开发经济潜力和开发技术潜力；二级指标5项,为开发经济能力、开发用地能力、建筑开发潜力、道路开发潜力和土地开发潜力；三级指标11项,为地均GDP、用地性质、建筑密度、屋面可利用性、地面坡度、道路网密度、道路可利用性、土壤渗透性、河网密度、地下水埋深和土地可利用性；
（2）根据目标树建立评价指标矩阵
设有n个城区参与本次海绵城区潜力指数评价，则本次评价指标矩阵F记为F={ F 0 ,F 1 ,…,F i ,…F n },其中：F 0 表示理想城区的11项三级指标构成的集合,所谓理想城区是指该城区进行海绵城市改造的潜力最大，所有的三级指标满足最有利的条件,其中理想城区的所有三级指标组成的集合为F 0 =(f 01 ，f 02 ,…,f 011 )= (20, 0.9, 0.1, 0.8,0.002, 7, 0.8, 3.52 ,0.25, 50, 0.8)，其三级指标值是固定的；F i (i=1，2，...，n)表示第i个待评价城区的11项三级指标构成的集合,即F i =(f i1 ，f i2 ，…, f ij ,…，f i11 )，f ij (i=1，2，...，n；j=1，2，...，11)表示第i个待评价城区的第j个三级指标值，F n 表示第n个待评价城区的11项三级指标构成的集合；则n个城区的评价指标矩阵(也称决策矩阵):
（3）评价指标矩阵的规范化
所述评价指标矩阵的规范化是对评价指标矩阵中的理想城区和n个评价城区的11个三级指标进行规范化，使其三级指标数值隶属于[0，1]的区间；其中：地均GDP、用地性质、屋面可利用性、道路网密度、道路可利用性、土壤渗透性、地下水埋深和土地可利用性这8个三级指标采用极大型规范法，建筑密度，地面坡度和河网密度这3个三级指标用极小型规范法；
对于极大型规范法：
式中：f 0j 指的是理想城区的第j个三级指标值，f ij 是第i个待评价城区的第j个三级指标值，是第i个待评价城区的第j个三级指标规范化之后的值；
对于极小型规范法：
式中：f 0j 指的是理想城区的第j个三级指标值，f ij 是第i个待评价城区的第j个三级指标值，是第i个待评价城区的第j个三级指标规范化之后的值；
进行规范化之后，理想城区的所有三级指标构成的集合=(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,1, 1, 1)；
（4）根据规范化后的评价指标矩阵确定灰关联度矩阵
以评价城区指标向量与理想城区指标向量的关联度作为评价城区生态开发潜力优劣的准则，参评城区中第j个三级指标与理想城区的第j个三级指标 之间的灰色关联度为：
式中：ξ为分辨系数，取0.5；i=1，2……n ，j =1，2……11；
由n个城区，每个城区11个三级指标的灰色关联度建立起一个的多目标决策矩阵，称为灰关联度矩阵；
（5）根据层次分析法确定灰关联度矩阵中每项三级指标的权重
采用层次分析法确定灰关联度矩阵中每项三级指标的权重时，需要先确定2项一级指标的权重，再确定5项二级指标的权重，最后再确定11项三级指标的权重；确定权重时需要对每项指标进行两两对比，然后采用(0,1,2)三标度法排定各个指标的相对优劣顺序，构造出三标度比较矩阵C，其中，
（5.1）计算三标度比较矩阵C的行要素r之和：
比较矩阵C的行要素r的最大值为则，比较矩阵C的行要素r的最小值为,则，与和相对应的要素称为两个基点比较要素，将两个基点比较要素按1～9判断尺度进行比较判断，得出其相对重要性程度为；
（5.2）根据三标度比较矩阵C得出间接判断矩阵A：
三标度比较矩阵并不能准确地反映各因素在某准则下的相对重要性程度，因此必须将其变换成具有层次分析法特点和性质的间接判断矩阵，利用比较判断矩阵C，用以下公式求间接判断矩阵A的元素；
式中，表示间接判断矩阵A的元素，表示三标度比较矩阵C的第i行要素之和，表示三标度比较矩阵C的第j行要素之和，表示三标度比较矩阵C的行要素之和的最大值，表示三标度比较矩阵C的行要素之和的最小值，表示其相对重要性程度，取；
（5.3）求解间接判断矩阵A的权重向量：
（5.3.1）计算判断矩阵A每行元素乘积的n次方根：
式中，表示间接判断矩阵A的元素，(i=1，2，...，n)表示间接判断矩阵A的第i行元素乘积的n次方根；
（5.3.2）计算权重向量:
式中，(i=1，2，...，n)表示间接判断矩阵A的第i行元素乘积的n次方根，其中(i=1，2，...，n)表示第i个指标的权重值；
（5.3.3）求权重向量W对应的最大特征值λ max ，并检验一致性：
式中：CI表示层次一致性指标；RI表示随机一致性指标，查同阶平均随机一致性指标可得出；CR表示检验系数；
CI越小，表示一致性越大；考虑到一致性的偏离可能是由于随机原因造成的，因此在检验判断矩阵是否具有满意的一致性时，还需将CI和平均随机一致性指标RI进行比较，得出检验系数CR；一般认为CI<0.1，CR<0.1时，判断矩阵的一致性可以接受，否则重新两两进行比较；
根据两项一级指标的权重和五项二级指标的权重，最后可以确定灰关联度矩阵中每项三级指标的权重向量W=(w1，w2，……，w11)；
（6）确定海绵城区潜力等级指数
根据步骤（4）确定的灰关联度矩阵和步骤（5）确定的三级指标的权重向量W，可以得出n个评价区域的海绵城区潜力等级指数向量γ′；
γ′中元素数值即为该海绵城区潜力指数，γ′中元素数值愈大，说明该城区生态开发潜力愈接近于理想城区。
2.根据权利要求1所述的关联-层次分析的城区生态开发潜力评价体系的评价方法，其特征在于所述用地性质根据《城市用地分类与规划建设用地标准 GB 50137-2010》规定的绿地与广场用地、居住用地、商业及公共服务用地、道路与交通设施用地、工业与物流仓储用地5种用地类型，结合灰关联-层次分析法的要求，将5种用地性质分别量化为无量纲化数0.9、0.7、0.5、0.3和0.1。
3.根据权利要求1所述的关联-层次分析的城区生态开发潜力评价体系的评价方法，其特征在于所述理想城区为地均GDP、用地性质、建筑密度、屋面可利用性、地面坡度、道路网密度、道路可利用性、土壤渗透性、河网密度、地下水埋深、土地可利用性分别取值为20亿元/km2，0.9，0.1%，80%，0.15%，7 km/ km2，80%，3.52×10-6 m/s，0.25 km/km2，50m，80%。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151028 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |