張弘

（大連市排水處，遼寧 大連 116011）

1 引 言

受城市化進程推進及全球氣候變化下極端天氣頻現(xiàn)等的影響，近年我國武漢、合肥、南京、北京等多座城市出現(xiàn)“城市看?！碑嬅妫嗬^發(fā)生較為嚴重的內澇災害，使城市蒙受了較大的經濟損失，給市民的生活帶來了很大的不便，甚至發(fā)生市民因災死亡事件[1-3]。

內澇災害頻繁發(fā)生主要受兩方面因素影響。一方面，全球氣候變化導致極端降雨頻現(xiàn)；另一方面，城市化發(fā)展進程的不斷加快導致下墊面不透水層比例增大，即徑流系數(shù)增大，雨水下滲量減少，地面截流作用變差，地表徑流的匯流時間變短，洪峰提前，并且城市的擴張，也使得原有管道系統(tǒng)的匯水面積增大，導致原有管道的負荷增大。加強城市排水防澇的規(guī)劃與建設是應對城市內澇的根本措施，但城市排水防澇的規(guī)劃與建設一定是在現(xiàn)有排水系統(tǒng)基礎上進行優(yōu)化及完善，因此采用先進的技術、理論與方法，分析城市內澇形成的機理，對現(xiàn)狀排水系統(tǒng)進行風險評估是一項非常重要的基礎工作。

城市內澇風險評估的研究較少，主要有歷史災情數(shù)理統(tǒng)計法、指標體系法、水文水力學模型及仿真分析法[4]。城市內澇災害受城市水文、氣象、下墊面及人類活動等多種因素影響，因此城市排水系統(tǒng)內澇風險評估屬于多因素、多目標決策問題。目前，研究應用于城市排水系統(tǒng)內澇風險評估的多指標分類方法主要有模糊綜合評判、灰色關聯(lián)度分析、層次分析及聚類分析等[5]。由于層次分析等方法在定性轉化定量的過程中主觀依賴性較強，王磊、周玉文[6]提出了基于投影尋蹤的城市排水系統(tǒng)內澇風險評估方法，該方法指標權重的確定相對比較客觀、不受人為因素干擾。實際上，權重對評估的影響是較大的，雖然難以確定但不容回避。通過確定投影尋蹤聚類模型中的密度窗寬（截斷半徑）間接確定的指標權重具有很大不確定性，缺乏理論依據(jù)[7]?？勺兡：垲惙椒ㄍ黄屏嗽碌撵o態(tài)、單隸屬度概念，可以很方便地分析指標權重對聚類結果的影響，已經在工程領域得到廣泛應用[8-15]。為此，筆者將陳守煜創(chuàng)建可變模糊聚類模型應用于城市排水系統(tǒng)內澇風險評估，以期得到更合理的分析結果。

2 可變模糊聚類原理

可變模糊聚類模型的具體原理請見文獻［12］。

3 城市排水系統(tǒng)內澇風險評估

以大連某排水系統(tǒng)風險評估為例，具體說明評估過程。該地區(qū)面積約為100.87 hm2，排水管網分布圖如下圖1，首先采用美國EPA的SWMM模型對該地區(qū)排水系統(tǒng)進行建模計算。采用重現(xiàn)期為50年一遇6 h設計暴雨過程線（如圖3所示）作為模型的輸入進行模擬計算，獲得排水系統(tǒng)在設計超標情形下的水力狀況。然后對評價指標體系中的各種指標進行處理分析，參照文獻[6]分析得出排水系統(tǒng)洪澇風險與排水系統(tǒng)水力狀況、影響區(qū)域范圍和社會功能等因素有關，其在此基礎上建立了科學的、全面的、實用的風險評估指標，可操作性較強；又結合這次研究區(qū)域特點，這次計算使用的指標體系包括檢查井最大積水深度、最大洪水流量、檢查井洪水總水量、檢查井洪水持續(xù)時間、集水區(qū)不透水面積、集水區(qū)總面積和所在道路等級等共7個評價指標，其中前6個指標為越大越優(yōu)型指標，而所在道路等級為越小越優(yōu)型指標，指標樣本集共有105個樣本(檢查井總數(shù))（見表1,已歸一化處理）。

圖1 某排水系統(tǒng)圖

圖2 某時刻部分管線水位圖

圖3 50年一遇6h雨型圖

表1 排水系統(tǒng)風險評估指標集

采用陳守煜教授提出的可變模糊聚類進行聚類分析計算。首先對105個排水管井的各指標進行歸一化處理，然后應用文獻［12］的公式（23）～（24）進行計算，其中α=p=2，即距離參數(shù)取為歐氏距離。由于不同指標對模糊聚類的權重不同，且權重是可變模糊聚類迭代模型中的一個重要參數(shù)。首先考慮采用等權重 ω1，即 ω1=（1/7，1/7，1/7，1/7，1/7，1/7，1/7），運用可變模糊聚類對排水區(qū)內澇風險進行評估分級。對風險區(qū)進行3級劃分，即高風險區(qū)（3級）、中風險區(qū)（2級）、低風險區(qū)（1級）。通過迭代計算，得到聚類中心為：

S1=（0.909，0.140，0.038，0.159，0.208，0.234，0.345）

S2=（0.017，0.005，0.003，0.006，0.161，0.195，0.019）

S3=（0.026，0.010，0.006，0.011，0.177，0.218，0.510）。

最優(yōu)糊聚類矩陣列于表2，即各排水管井對1，2，3類的相對隸屬度數(shù)據(jù)，應用級別特征值公式，得到 105 個排水管井歸屬各類的類別特征值Hj。其中，當i≤Hj≤1.5時，歸屬 1類，當 1.5＜Hj≤2.5時，歸屬 2類，當 2.5＜Hj≤3時，歸屬3類。根據(jù)風險評估結果，借助ArcGIS進行空間分析，則得到重現(xiàn)期為50年一遇的某排水區(qū)內澇風險分布圖，如圖4所示。

表2 最優(yōu)模糊聚類結果（ω1）

圖4 重現(xiàn)期為50年的風險評估分布

根據(jù)計算出的級別特征值，計算結果越大，則城市內澇風險等級越高，屬于城市內澇高風險區(qū)域，易于發(fā)生洪災，屬于城市防洪減災的重點關注區(qū)域。由圖中可以看出風險等級較高的區(qū)域，正是檢查井溢流較為嚴重的區(qū)域，與實際情況吻合很好。

4 結 語

可變模糊聚類可以用來處理多因素復雜問題的聚類分析，通過多指標分析，對城市排水系統(tǒng)進行內澇風險評估，與實際情況吻合很好，其結果能正確反映出城市雨水洪澇風險等級，可以有效應用于城市防災減災?？勺兡：垲惪紤]各指標的權重，優(yōu)于傳統(tǒng)的模糊聚類模型，模型簡單，具有良好的性能，可方便應用于城市內澇風險評估。

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