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城市防洪系统评价的集对分析方法 摘要 城市防洪问题中包含多种不确定性因素，集对分析是一种处理不确定性问 题的系统分析方法，将集对分析方法引入城市防洪问题研究中，开展城市防洪 系统评价研究，可为城市规划、城市发展建设规划方案、城市防洪标准的选择 提供科学的决策依据。对集对分析存在的问题进行探讨、研究，并运用到城市 防洪系统评价问题中，取得的主要成果有：( 1 ) 提出用偏联系数的方法确定差 异度系数i 值。根据差异度分别向同一度和对立度的发展比例，确定f 值。( 2 ) 提出层次集对分析组合模型并进行应用研究。对评价指标中的定性灰色指标用 层次分析法进行白化处理，然后应用集对分析理论，建立层次集对分析组合模 型。实例表明由层次集对分析组合模型所得各方案联系度值差异明显，有利于 优选决策。( 3 ) 提出模糊熵权集对分析模型并进行应用研究。根据指标实测值 处于相邻级别时所处的位置，提出了计算单指标联系度的新公式，指标权重反 映各指标对评价对象的重要程度，不同的权重将导致不同的评价结果，因此合 理地确定指标权重对任何评价系统都是非常重要的，为兼顾决策者意愿偏好和 客观数据属性，将熵值法求出的客观权重与主观权重相结合，确定评价指标的 复合权重，由复合权重与单指标联系度确定平均联系度，建立模糊熵权集对分 析模型。( 4 ) 提出基于统计数据的集对分析评价模型并进行应用研究。提出一 种基于统计数据确定分类标准的新方法，基于统计数据用概率统计的方法确定 指标分类标准，然后按此分类标准作集对分析，确定联系度中的a ，b ，c 。( 5 ) 提出基于最大熵原理的集对分析优选评价模型并进行应用研究。在不适定问题 中，应用最大熵原理与模糊理论建立目标函数，用加速遗传算法求解得各指标 权重，然后根据集对分析思想，确定评价对象的相对贴近度，建立基于最大熵 原理的集对分析优选评价模型。上述研究结果说明，深入开展城市防洪系统评 价的集对分析方法研究，既可进一步认识和处理城市防洪系统评价的各种不确 定性复杂特征，也有助于丰富、发展和完善城市防洪系统评价理论，是城市防 洪系统评价和集对分析研究的新发展方向，具有广泛的应用前景。 关键词：城市防洪；系统评价；集对分析；不确定性；最大熵原理 s e tp a i r a n a l y s i sm e t h o d s f o rs y s t e ma s s e s s m e n to fu r b a nf l o o d a b s t r a c t u r b a nf l o o dc o n t r o li s s u e si n c l u d e di naw i d er a n g eo fu n c e r t a i n t i e s s e tp a i r a n a l y s i s ( s p a ) i sas y s t e m a t i ca n a l y s i sm e t h o dt od e a lw i t hu n c e r t a i n t yi s s u e s s p am e t h o d i si n t r o d u c e dt h es t u d yo fu r b a nf l o o dc o n t r o li s s u e s c a r r i e do u ts y s t e m a t i ce v a l u a t i o no f u r b a nf l o o dc o n t r o ls t u d y a l lt h e s ep r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i so fd e c i s i o n m a k i n gf o r t h ec i t y p l a n n i n g ，u r b a nd e v e l o p m e n ta n dc o n s t r u c t i o np l a n n i n g ，o p t i m a ls e l e c t i o no fu r b a nf l o o d c o n t r o ls t a n d a r d w ee x p l o r ea n dr e s e a r c hs p ap r o b l e m s ，a n da p p l yi tt os y s t e m a s s e s s m e n to ft h eu r b a nf l o o dc o n t r o l ，t h em a i na c h i e v e m e n t sa r e ：( 1 ) d e t e r m i n e dt h ev a l u e o fd i f f e r e n c ec o e f ! f i c i e n tf 、析t hp a r t i a lc o n t a c t a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p i n gr a t i oo f d i s c r e p a n c yd e g r e et oi d e n t i c a ld e g r e ea n dc o n t r a r yd e g r e e ，r e s p e c t i v e l y ，t h e nd e t e r m i n et h e fv a l u e f 2 ) p u tf o r w a r dt h ec o m b i n a t i o nm o d e lo fs p aa n da n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s s ( a h n a n da p p l i e dr e s e a r c h t h eq u a l i t a t i v ea n dg r a yo n e so fe v a l u a t i o ni n d i c a t o r s a r ec o n d u c t e dw h i t e n i n gt r e a t m e n tb ya h p ，t h e nt h ea p p l i c a t i o no fs p at h e o r y ，t h e c o m b i n a t i o nm o d e lo fs p aa n d 肿i se s t a b l i s h e d e x a m p l er e s u l t ss h o wt h a ti ti s o b v i o u s l yd i f f e r e n c et ot h ec o n t a c td e g r e ev a l u e so fp r o g r a m sd e r i v e df r o mt h e c o m b i n a t i o nm o d e lo fs p aa n da h p ，s oi ti sc o n d u c i v et oo p t i m a ld e c i s i o n - m a k i n g ( 3 ) p u t f o r w a r ds p am e t h o db a s e do nf u z z ye n t r o p yw e i g h t a n da p p l i e dr e s e a r c h a c c o r d i n gt o p o s i t i o no fi n d i c a t o r sm e a s u r e di nt h ea d j a c e n t 1 e v e l ，p r o p o s e sn e wc a l c u l a t e df c l r m u l ao f s i n g l e i n d i c a t o r sc o n t a c td e g r e e 。i n d e xw e i g h t sr e f l e c tt h ei m p a c td e g r e e so fe v a l u a t e d o b j e c t s ，d i f f e r e n tw e i g h t sw i l ll c a dt o d i f f e r e n tr e s u l t s ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n tf o ra n y e v a l u a t i o ns y s t e mt or e a s o n a b l yd e t e r m i n ei n d e xw e i g h t s t ot a k ei n t oa c c o u n tt h ew i s h e so f d e c i s i o n m a k e r sa n do b j e c t i v ed a t aa t t r i b u t e s ，s oc o m b i n et h e o b j e c t i v ew e i g h t o f c a l c u l a t e de n t r o p ya n dt h es u b j e c t i v ew e i g h t ，a n dd e t e r m i n et h ec o m p o u n dw e i g h t ，t h e n d e t e r m i n et h ei n t e g r a t i o nc o n t a c td e g r e eb yt h ec o m p o u n dw e i g h ta n ds i n g l e i n d i c a t o r s c o n t a c td e g r e e ，c o n s e q u e n t l ye s t a b l i s hs p am e t h o db a s e do nf u z z ye n t r o p yw e i g h t ( 4 ) r a i s e ds p ae v a l u a t i o nm o d e lb a s e do ns t a t i s t i c a ld a t a a n da p p l i e dr e s e a r c h p u tf o r w a r da n e wm e t h o dd e t e r m i n i n gc l a s s i f i c a t i o nc r i t e r i ab a s e do nt h es t a t i s t i c a ld a t a , d e t e r m i n e i n d i c a t o r s c l a s s i f i c a t i o nc r i t e r i aw i t ht h em e t h o do fp r o b a b i l i t ys t a t i s t i cb a s e do nt h e s t a t i s t i c a ld a t a ，t h e nm a k es p aa c c o r d i n gt ot h i sc l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r d ，a n dd e t e r m i n ea ，b ， cv a l u e so fc o n t a c td e g r e e ( 5 ) e s t a b l i s h e ds p ae v a l u a t i o nm e t h o do fo p t i m a ls e l e c t i o n b a s e do np r i n c i p l eo fm a x i m u me n t r o p y ，a n da p p l i e dr e s e a r c h i nt h ei l l p o s e dp r o b l e m s ， t h ei n t e g r a t e dp r i n c i p l eo fm a x i m u me n t r o p ya n dt h ef u z z yt h e o r ye s t a b l i s h e do b j e c t i v e f u n c t i o n ，w h i c hc a nt h e nb eu n c o i l e dw i t ha c c e l e r a t i n gg e n e t i ca l g o r i t h mt og e tt h ei n d e x w e i g h ta n dt h e nd e t e m i n et h er e l a t i v ec l o s e d e g r e e so ft l l ee v a l u a t i o no b j e c t sa c c o r d i n gt o s p at h e o r y t h e r e f o r es p ae v a l u a t i o nm e t h o do fo p t i m a ls e l e c t i o ni se s t a b l i s h e d t h es t u d y r e s u l t ss h o wt h a td e e p l yd e v e l o p i n gs p am e t h o d sr e s e a r c hf o rs y s t e ma s s e s s m e n to fu r b a n f l o o d ，c a nf u r t h e ru n d e r s t a n da n dh a n d l eav a r i e t yo fu n c e r t a i n t i e sc o m p l e xf e a t u r e so f u r b a nf l o o ds y s t e me v a l u a t i o n , b u ta l s oh e l p e dt oe n r i c h ，d e v e l o pa n di m p r o v et h e o r yo f u r b a nf l o o dc o n t r o ls y s t e me v a l u a t i o n t h i si sn e ws t u d yd i r e c t i o no fu r b a nf l o o dc o n t r o l s y s t e me v a l u a t i o na n ds p a ，a n di th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e y w o r d s ：u r b a nf l o o d ；s y s t e ma s s e s s m e n t ；s e tp a i ra n a l y s i s ；u n c e r t a i n t y ；p r i n c i p l eo f m a x i m u m e n t r o p y 插图清单 图1 2系统评价过程图4 图2 1a h p 法的结构框图2 1 图2 2城市防洪规划方案评价的层次结构框图2 2 图2 3某市水系及防洪方案示意图2 4 图5 1r a g a 流程框图4 9 表格清单 表2 1平均随机一致性指标尺，2 1 表2 2某城市各方案基本情况表2 5 表2 3各方案评价指标规范化数据及优劣排序2 5 表2 4各方案联系度及排序结果2 6 表3 1衡阳市洪水灾害易损性评价数据及等级标准3 3 表3 2衡阳市评价单元与评价标准等级之间的综合联系度及评价结果3 4 表3 3评价结果比较3 5 表4 1湖南省城市基本情况及分类标准3 9 表4 2联系度及评价结果o q 0 0 4 0 表5 1各方案评价指标规格化后的隶属度矩阵及贴近度排序结果5 4 独刨性声明 本人声明所呈交的学位论文是奉人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加咀标志和致谢的地方外，论文中不包肯其他人已经艘表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得垒篷王壁盔堂或其他教育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作 的蔚志对率研究所做的任何贾献均基在论文中作了踢确的说明并表示谢意。 学位论文俸者签铂 签字日搿：弘嚏年 月，2 一日 学位论文版权使用授权书 奉学位论文作者完全了觯垒蟹兰堑盔堂。有关保馨t 使用学位论文的规定，有权保留并向 营家有关部门或机构送变论文的复印件和磁盘，允许论冀被查阅或借阅。率a 授权盒壁王壁左 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描菩复制手段傈存、汇编学位论文。 ( 僚密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名滋歌砖 导师签名： 奄萄长 签字日期：矽1 年j 月y 日签字日期：t ”? 年；月t t 日 学位论文律者毕业雁去向： 工作单位z 通讯地址： 电话t l 毒l 嘲f 1 甑编 致谢 本论文是在导师金菊良教授的悉心指导和帮助下完成的，从论文的选题、 构思、到最后修改成文无不倾注了导师的心血。导师在三年时闻里给予了我无 微不至的关怀和毫无保留的指导。导师渊博的学术造诣、严谨的科研态度、与 人为善的为人之道、诲人不倦的治学精神无不潜移默化地感染着我，使我受益 匪浅。借此论文顺利完成之际，特向我的导师及其家人表示衷心的感谢和深深 的敬意l 在学习和论文的写作过程中，经常与师兄师弟、师姐师妹一起讨论，他们 给了我很多启示和帮助，在此表示真诚的谢意! 同时还要感谢那些给我帮助的 同学和朋友! 在校期闻，合肥工业大学土本与水利工程学院各位领导、老师长期以来在 我的学习和论文工作中给予我的无私指导和帮助，使我能得以顺利毕业，借此 向他们致以深深的谢意和祝福! 论文的完成，有幸得至l 国家鬓然科学基金项目( 编号7 0 7 7 1 0 3 5 ) “洪水灾害 风险管理广义熵智畿综合分析理论与应用 、国家“十一五”国家科技支撑计划重 点项目( 2 0 0 6 b a b14 8 0 2 ) “基于现有防洪工程洪水资源利用的风险与效益分析 专 题、中囡气象局成都高原气象开放实验室基金课题( l p m 2 0 0 8 0 1 8 ) “高原水文气 象灾害风险管理的智能综合集成建模理论与应用的资助。在此作者表承诚挚的谢 意。 感谢我的家人、爱人和亲友们，特别是我的爱人，他既要工作又要照顾年 幼的孩子，正是他们多年来给我无私的关爱和永恒的支持促使我不断努力前进， 帮助我克服困难。谨以此文献给他们。 最后衷心感谢本文引用的参考文献的各位学者及将审阅本文的各位专家， 感谢他们为本文所付出的辛勤劳动! 范秋映 2 0 0 9 年2 旁于合肥 第一章绪论 1 1城市防洪系统评价问题 1 1 1城市防洪概述 受季风气候影响，中国大部分地区每年连续4 个月的降雨量造成的洪水灾 害问题，是中国面临的四个主要水问题之一【l 】。据统计，中国大的洪水灾害约 每2 年发生一次，近1 0 年来因洪水灾害所造成的平均经济损失占中国g d p 的 2 2 左右，约为美国的2 2 倍，日本的7 倍【卜2 1 。洪水灾害已经成为我国可持续发 展的重要制约因素【3 】。受交通运输、经济发展等因素影响，中国的城市多数靠 近江河湖泊和处于低平肥沃的土地上m j 。城市多是国家和地区的政治、文化、 经济中心和重要的交通枢纽，在整个国民经济中具有举足轻重的作用，一旦遭 受洪涝灾害，所造成的损失和危害较其他地区更为严重，而且会在一段时间严 重影响当地城市的经济发展和社会发展进程【5j 。故城市防洪历来是防洪的重点。 1 1 1 1城市洪水灾害 城市是指在一定区域内为满足特定功能或系统功能需要，建立在以人为主 体，以非农经济发展为主，以空间利用为特点，以聚集经济效益和人类科技进 步为目的的，随着社会经济发展形成人口高度聚集，使物质、人力资源及资金 等生产要素的生产效率显著提高的，具有与社会经济发展相适应的基础设施的 生产经营与生活消费的场所，是在公共事务管理中具有高度组织性和效率性， 是周围区域的政治、经济、文化中心的人工环境【6 邙】。据统计，至2 0 0 7 年末， 中国城市数量已达6 5 5 个，而且随着社会经济的发展，城市的数量将会越来越 多，规模将会越来越大，其中大多数城市受洪涝灾害的威胁。 洪水灾害( f l o o dd i s a s t e r ) 是指大气环境和降水环境的异常不规则运动所 引起的洪水，给人类正常生活、生产活动及其环境带来的损失与祸患p 】。城市 洪水灾害是指洪水给城市人们正常生活、生产活动及其环境造成的危害和损失。 城市洪水灾害包括江河两岸城市由于洪水泛滥、决堤或上游大坝溃决所遭受的 洪灾：沿海城市由于风暴潮、海啸所造成的海洋灾害；沿湖城市由于湖水高涨 排水受阻而造成的内涝灾害；暴雨强度超过城市排水能力所造成的城市洪灾及 山地城市经常遇到的山洪、泥石流、降雨滑坡、崩崖等灾害i l 。洪水灾害实质 上是人类同其生存环境相互作用的一种表现形式，也是人类为求生存和发展的 自觉性的一种衡量标志，人类发展的历史就是一部不断同洪水灾害既斗争又协 作的历史 9 ，1 1 1 。因此洪水灾害是兼有自然属性和社会属性的典型复杂系统1 1 1 。 洪水灾害是当今世界上损失最大的自然灾害。据联合国统计，全世界每年 各种自然灾害损失的6 0 是由于洪水灾害造成的1 3 】。洪水灾害仍然是中国最严 重的自然灾害。频繁的洪水灾害威胁着中国的经济社会发展【l2 1 。鉴于洪水灾害 损失伴随着人类社会经济的迅速发展而与日俱增，近年来人们在总结经济发展 与洪水灾害相互作用的大量历史经验中【1 3 】，提出了新的防洪减灾策略，这就是 调整人与水的关系，提出了由“洪水控制”向“洪水管理 转移的治水战略新 思维。洪水管理的重要内容之一就是洪水灾害风险管理【1 , 1 4 - 1 5 】，它是人类接受 和适应洪水灾害风险的现代洪水管理新模式，在减轻洪水灾害损失的理论研究 和工程实践中都具有重要意义【l ，l 。实际上，洪水灾害风险管理已成为国家防 洪安全保障体系建设的重要理论基础【l6 1 7 】。 在中国，城市人口占全国人口的1 0 ，固定资产占全国的7 0 以上，工业 产值及上交利税占8 0 以上，科技力量占9 0 以上，随着城市化进程加快，城 市规模扩大，大中城市的安危关系到国家或一个地区经济的兴衰，关系到国家 和社会的稳定i l8 1 。基于城市自身的特点，一旦遭受洪水灾害，城市就会成为受 灾的重点，必然会遭受重大损失。中国的洪水灾害损失每年都在5 0 0 亿以上， 其中城市的洪灾损失占了较大比重【l8 1 。因此城市防洪问题迫切需要解决。 1 1 1 2 城市防洪问题的现状及意义 中国是一个洪涝灾害频繁发生的国家，许多城市都有防洪要求，特别是沿 海城市，建立、健全城市防洪体系，是保障城市健康发展、人民安居乐业的基 础【l9 1 。当前中国的城市防洪现状还远不能适应城市经济发展的需要，而且随着 城市的发展，城市防洪问题越来越突出。 ( 1 ) 城市防洪标准问题 根据中国国家防洪标准g b5 0 2 0 1 9 4 1 2 0 】，特别重要的城市( 城市人1 ：3 l5 0 万人) ，其防洪标准应达到2 0 0 年一遇以上；重要城市( 城市人口5 0 15 0 万人) ， 其防洪标准为1 0 0 2 0 0 年一遇；中等城市( 城市人1 2 12 0 5 0 万人) ，其防洪标 准为5 0 1 0 0 年一遇；小城市( 城市人口2 0 万人) ，其防洪标准为2 0 5 0 年一 遇。中国截至2 0 0 7 年底共有6 5 5 座城市，其中绝大多数有防洪任务。中国城市 防洪标准总体较低，在有防洪任务的城市中，只有少数几个城市( 如北京、上 海、哈尔滨等) 达到1 0 0 年一遇以上的防洪标准，大多数城市防洪标准为2 0 - 5 0 年一遇，小城市和建制镇的防洪标准则更低。而外国城市采用的防洪标准较高， 如美国一般采用1 0 0 5 0 0 年一遇的防洪标准，日本为1 0 0 2 0 0 年一遇，英国伦 敦为1 0 0 0 年一遇，瑞士防洪标准为1 0 0 5 0 0 年一遇等【5 j 。影响城市防洪标准的 指标众多，根据所建立的城市防洪标准方案的评价指标体系和方案的政治效果、 社会效果、经济效果、环境生态效果综合最优原则，选出相对最优城市防洪标 准，对城市可持续发展具有重大意义【2 。 ( 2 ) 城市防洪规划问题 城市防洪规划是城市规划的重要组成部分，它为城市防洪工程建设提供科 学的决策依据。因此城市防洪规划的合理选择，对提高城市防洪能力、促进城 市可持续发展具有重要意义【5 , 2 2 - 2 3 】。城市防洪规划的选择是一个复杂的系统工 程，既要考虑防洪效益，又要考虑城市供水效益；既要防洪工程达到防洪要求， 2 又要求经济、技术可行；既要满足当前效益，叉要考虑长期影响：既要满足城 泰本身防洪，还要兼顾上下游和流域的防洪l 戴。臣前，在中国有防洪任务盼城 市中，只有不到一弗的城市编制了城市防洪规划，全国3 0 座重点防洪城市中有 3 座没有完成防洪规划，有8 座城市正在补充完善【l 引。因此城市防洪规划工作 进程缓慢。 ( 3 ) 城市洪水灾害易损性闯题 城市化使城市相对洪水灾害脆弱化。洪水灾害是洪水危害性与承灾体易损 性综合作用的结果 2 4 】。城市洪水灾害易损性是指城市各类承灾体( 如人口、财 产等) 遭受不同强度洪水后可熊造成鳃损害程度。城市化过程孛，城市建筑物 和道路矮化的面积不断增加，致使城市不透水藤积增掘，下垫面渗水蕊积减少， 从而增加排水河道的洪量，城市低洼地区积水增加等现象，造成城市洪水灾害 的致灾因素增强。枣子城市的人暖和资产的岗度集中，也大太增加了遭受同等 强度的洪水灾害的损失程度【强】。由蔬可见，城市懿发展使城市遭受洪水灾害的 损失越大。因此必须通过合理制定城市防洪规划和城市规划、开展洪承灾害易 损性分析和评价等措施加以弥补。洪水灾害易损性分析和评价是研究区域各类 承灾体易予遭受致灾洪水损害的程度，是豢定各项防洪城灾措旋，尤其是菲工 程防洪减灾措施的重要依据【2 5 2 秘。因此洪水灾害易损性评价可作为城市洪东灾 害风险管理提供决策依据，对于减少洪水灾害损失与可持续发展具有重要意义。 ( 4 ) 城市河道整治、内涝闯题 近几年，隧着城市建设快速发展，不少地方无规划她乱占河道、河滩；在 河道内乱采砂石；向河道倒垃圾及泥沙淤积等现象婕河道变窄、变浅，致使河 道的泄洪能力大大降低，还有城市的机电排灌少，排涝模数小，排涝能力低， 造成内涝。这些人为因素增加洪水灾害损失程度。为减少洪涝损失，应采取对 城市河道加强整治，提高摊涝标准等措施。 城市是社会进步的象征疆】。我国各城市应采取各种方法和措施加强洪水防 治工作，提高城市防洪技术水平和管理水平，提高城市防洪能力，避免或减少 城市遭受洪水灾害造成的生命财产损失。良戴开展城市系统评价的研究是必要 的。 城市防洪系统评价的研究对于合理制定城市防洪规划；按照政治效果、社 会效果、经济效果、环境生态效果综合最优原则，选出相对最优城市防洪标准； 降低城市洪拳灾害易损性等城市防洪运题具有瑷实意义，对城索可持续发震冥 有重要意义，研究结果可为城市防洪管理部门提供科学的决策掖据。 1 1 2城市防洪系统评价概述 薹。1 2 1系统评价概述 俸为系统分析和系统决策分析豹结合点，系统评价既是系统分析的惹期工 作，又是系统决策分析的前期王作，在系统工程理论与实践中处予“枢纽地 3 位，在各种应用系统工程中具有广泛的应用价值【2 。 ( 1 ) 系统评价的概念 所谓系统评价，就是对所研究的系统评价对象应用适当的方法和手段，对 系统的目标、结构、环境、输入输出、功能、效益等要素，构建评价指标体系， 建立评价模型，经过计算和分析，对系统的经济性、社会性、技术性、可持续 性等方面进行综合评价或在总体上进行分类排序，为决策提供科学依据 2 7 - 2 9 】。 根据有无评价标准，系统评价可分成两类，一类是无评价标准的评价，可称为 聚类评价，另一类是有评价标准的评价，可称为等级评价1 2 。目前系统评价的 研究焦点是如何科学、客观地将一个多目标问题综合成一个单目标问题，以便 在一维空间中实现综合评价 2 3 , 3 0 】。 ( 2 ) 系统评价的一般过程见图1 2 【z 7 j 确 建 评 评选择 分综 定 卫 价 价评价析 厶 口 评 评 指 指方法 计评 价 价 标 标 算价 对 指 定 无 建立评 和 象 标 量 量 评价 价决 系 体 化 纲 模型值策 统 系 处化 棚 图1 2系统评价过程图 1 1 2 2城市防洪系统评价的概念 所谓城市防洪系统评价，就是对城市防洪系统评价对象应用适当的方法和 手段，对城市防洪系统的各要素，构建评价指标体系，建立评价模型，经过计 算和分析，对系统的经济性、社会性、技术性、可持续性等方面进行综合评价， 选择适当的可能实现的最优系统或方案供决策者参考。 1 1 2 3城市防洪系统评价的原则 城市防洪系统评价与城市系统评价类似应遵循以下原则【7 】：系统性原则。 选取的评价指标体系须包括城市防洪系统评价目标所涉及的一切方面，而且对 定性、定位以及动态的问题也要考虑，以保证评价的全面性与系统性。评价指 标还尽可能地要与国家、地方的方针、政策、法规的要求相一致，不能相违背。 客观性原则。系统评价的目的是为了决策，因此评价的质量影响着决策的正 确性。评价的客观性包括评价资料的全面性和可靠性。可比性原则。备选方 案在保证实现系统的基本功能上要有可比性和一致性，既不能全面肯定，也不 能全面否定，个别功能突出或方案内容新颖，并不能代表整体，要具有综合平 衡和有机整体的观点。 4 1 1 2 4城市防洪系统评价的内容 与其它领域系统评价糖类似 7 , 2 7 - 2 9 , 3 1 】，城市防洪系统评价的内容一般包括： ( 1 ) 确定评价冒标和评价对象系统。 ( 2 ) 建立评价指标体系。被评价对象作为一个系统，涉及政策性、技术性、 经济性、社会性、效益性、环境性等众多因素、规模庞大、结构复杂，因此须 按照系统性、一致性、独立性、可测性、科学性、可比牲等原则建立层次清楚、 结构合理、相互关联、协调一致的城市防洪系统评价指标体系，以保证系统评 价的全面性和可信度1 2 引。 ( 3 ) 评价指标的定量化处理。城市防洪系统评价指标体系中，既有定量指 标又有定性指标。对那些定性指标，要震适当方法进行量化处理。本文中对定 性指标用层次分析法进行白化处理或用相对比较法推求隶属度，使定性指标量 化。 ( 4 ) 评价指标的无量纲化。在综合评价系统中，一般各个指标值的量纲和 数量级是不同的，这样各指标闻存在着不可公度性，给系统综合评价带来不便。 为了尽可能反映实际情况，排除由于各指标的量纲不同及其数值数量级的悬殊 差异带来的影响，避免发生不合理的现象，有时须对评价指标进行无量纲化处 整f 2 9 】 o i口 ( 5 ) 选择适当的评价方法，建立评价模型( 评价函数) 。选择适当的评价 方法，建立评价模型，把一个多指标问题综合成一个单指标的形式，包括确定 各评价指标的权重和各无量纲化评价指标及其权重的组合形式。 ( 6 ) 分析计算评价值。把评价对象豹评价指标值代入评价模型，得到各评 价对象的综合评价指标值。 ( 7 ) 综合评价和决策。根据步骤6 得到的综合评价指标值对各评价对象进 行综合评价或在总体上进行分类排序，然后据此进行决策。 其中，城市防洪系统评价的核心内容是选择适当的评价方法，建立评价模 型。从数学变换的角度看，各评价对象是由评价对象各指标所组成的高维空间 的一些点，城市防洪系统评价模型就是一种从高维空间到低维空间的映射，要 求这种映射能保持评价对象样本在原高维空闻豹某季孛“结构 ，其中最重要的是 与综合评价或分类排序有关的结构( 2 9 , 3 1 】。 1 1 2 5城市防洪系统评价的研究意义 城市防洪问题不仅是一个经济问题，也是一个社会问题、生态闻题。系统 评价是系统决策的前期工作，并为系统决策提供依据汪1 玎。开展城市防洪系统评 价研究，可为城市规划、城市发展建设规划方案、城市防洪标准的选择提供基 本的信息，为城市总体规划部门、城市防洪管理部门提供科学的决策依据。城 索防洪系统评价是认识和研究城市防洪阀题的一种科学面有效地途径，它采焉 定量和定性相结合的分析方法来分析研究城市防洪问题，研究结果可为城市规 5 划和防洪管理部门的决策者提供必要的信息和参考依据。 1 。1 2 6 城市防洪系统评价方法综述 城市防洪系统评价是主观和客观的综合统一。城市防洪系统评价的过程要 有坚实的客观基础；同时，评价的最终结果在某种程度上又取决于评价主体及 决策者多方面的主观感受，这是由价值的特点所决定的。城市防洪系统中包括 随机性、模糊性和灰色性等大量不确定性，如洪水、降雨、标准等级的划分等 具有大量的不确定性和复杂性，因此不确定分析方法在城市防洪系统评价中占 有重要地位。迄今为止，对城市防洪系统中大量存在的不确定性，专家和学者 俸了诸多研究，提出了基于加速遗传算法的层次分析模型( a g a a 珏p ) 、层次 灰色耦合模型、灰色综合评价法、模糊综合评价法、模糊决策分析法、投影寻 踪法等多种评价方法【5 , 2 1 - 2 3 , 2 5 , 3 2 , 3 3 郴】。各种评价方法的出发点不同，解决问题的 思路不同，各有其优缺点。因此，应根据具体评价问题选择最适宜的评价方法。 ( 1 ) 层次分析法【2 8 - 2 9 , 3 1 1 层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，a h p ) 的基本原理和基本步骤见第 = 章。层次分拆法具有简化系统分折与计算，方法箍便，易于接受；所需信患 量较少：改变了评价决策者与决策分析者之间难子沟通的状态，提高了决策的 有效性、可靠性和可行性等优点，但在评价过程中存在人为因素；判断矩阵排 序权值合理计算问题；要求分析者对问题的本质、结构，包含的因素和内在的 关系分析清楚等不足。针对层次分析法的不足，将层次分析法与其它方法相结 合，能取得较满意的结果。如金菊良等1 2 3 1 将a h p 法中存在的判断矩阵排序权 值的合理计算问题归结为一非线性优化问题，直接从判断矩阵的定义出发，提 出了用加速遗传算法( a c c e l e r a t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ，a g a ) 计算a h p 中各要 素的排序权值和检验判断矩阵一致性新方法( a g a 。a h p ) ，并将之震于城市防洪 规划方案的综合评价中。 ( 2 ) 灰色综合评判法t 7 , 2 9 , 3 1 灰色系统是指部分信息已知、部分信息未知的“贫信息”系统。灰色系统 理论是19 8 2 年由中国著名学者邓聚龙教授首先提出并发展的，它是用数学方法 解决信息不完全所引起的不确定性的不确定理论。它把系统论、信息论、控制 论的观点和方法延伸到社会、经济、生态等抽象系统，运用数学方法，发展了 一套解决信息不完备系统即灰色系统的理论和方法。城市防洪系统评价中指标 评价准则、权重和评价标准都存在不同程度的不确定性，且评价指标包含内涵 不确定而外延确定的灰色指标，这些灰色指标难以量化，因此城市防洪是一个 灰色系统。 灰色系统理论分析方法有：灰色关联度评价法、灰色局势决策分析t 灰色 层次决策等，其中应用最广泛的是灰色关联分析方法。灰色关联分析是种多 因素统计分析方法，是以备因素的统计数据为依据用灰色关联度来描述因素间 6 关系的强弱、大小和次序的。灰色关联分析是分析系统中各因素之间关联程度 或相似耩度的方法，其基本思想是依据关联度对系统进行排序。具体缝说，灰 色关联分析是根据因素之间发展态势的相似或相异程度，来衡量因素之间的关 联程度的一种系统分析方法，其核心是计算关联度。关联度是指事物之间、因 素之闻关联性的“量度”。灰色关联分柝方法的一般步骤为 2 9 1 ：确定分辑序 列；变量序列无基纲化；求差序列、最大差和最小差；计算关联系数， 得关联系统矩阵；计算关联度；依据关联度从大到小进行排序。 灰色综合评价法是一种定性与定量分析相结合，依据关联度对系统排序的 综合评价方法，这种方法能较好地解决评价指标难戬准确量纯和统计的问题， 可以排除人为因素带来的影响，使评价结果更加客观准确。优点是对数据要求 较低，计算量小，通谷易懂，易于人们所掌握；数据不必进行规范化处理，可 用原始数据进行直接计算，可靠性强；评价指标体系可根据具体情况增减；无 需大量样本，只要有代表性的少量样本郎可。缺点是要求样本数据具有时间序列 特性，且评价具有“相对性 。 灰色综合评价法可与其它方法结合，对城市防洪进行系统评价。如刘方贵 等拉玎依据层次分析法和灰色系统理论，建立层次灰色耦含模型，并将之应用予 城市防洪规划方案综合评价中，结果表明，该模型合理有效。 ( 3 ) 模糊综合评价法【2 8 - 2 9 , 3 1 】 模糊综合评价法就是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一 些边界不清，不易定量的因素定量化，放多因素、多层次对被评价攀物隶属等 级状况进行综合评价的一种方法。 模糊综合评价的一般程序为【2 9 】：确定评价对象因素论域和评价等级论 域；遴行单因素评价，建立模糊关系矩阵芡；确定评价因素的模糊权向量形； 利用合适的合成算子将矽与被评价事物的盖合成彳寻到各被评价事物盼模糊 综合评价结果向量西；对模糊综合评价结果向量进行分析。 模糊综合评价法具有数学模型简单，容易掌握等优点，且对多因素、多层 次昀复杂问题评判效栗比较好，是别的数学分支和模型难以代替的方法。其不 足之处有：隶属函数的确定还没有系统的方法；合成的算法也有待进一步探讨： 其评价过程渗入大量人的主观因素；扩大极值、丢失有用信息、评价结果易失 真1 3 6 培。 ( 哇) 模糊决策分析法印。8 】 模糊决策分析法与模糊综合评价法一样，采用的数学工具均是模糊数学方 法。决策分析中的模糊性比比皆是。所谓“模糊决策 ( f u z z yd e c i s i o nm a k i n g ) ， 是在合瑗地分析含有模期性的决策问题时，使用的一套概念和系统程序，以选 择和决定备择方案疆”。模糊决策分析是应用模糊数学方法进行量化的决策分 析，包含对定性的模糊决策进行定量化【”】。 7 由于系统的复杂性，难以用精确的经典最优化模型解决现实的复杂系统， 因此为了探索薪的解决途径，陈守熳【3 霹提出了多目标系统躁标权重与定性匿标 相对优属度确定的模糊决策分析理论与方法，其基本愚想是：运用人的经验知 识，经过对多目标系统中目标之间的相对重要性，对决策集中定性目标的相对 优越性的反复愚考，按照提出的严谨的数学定理与逻辑推理，将定性的经验知 识进褥量亿。有关模耧决策分柝理论贪绍参考文献 3 8 】。由予决定城泰貉洪标 准的各因素具有“不确定性和科模糊性 ，殷峻暹等【3 4 l 威用模糊决策分析理 论确定城市防洪标准，实例分析表明，模糊决镶分析理论在确定城市防洪标准 中具有重要意义。 模糊决策分薇方法对评价指标的不确定性耱模糊缝的簸理，效栗较好，僵 计算量较大，且存在一定的主观因索等缺点。 ( 5 ) 投影寻踪法 3 9 - 4 0 , 2 7 j 投影寻踪( p r o j e c t i o np u r s u i t ，p p ) 3 9 - 4 h 是豳际统计界予7 0 年代中期发震 起来的种新的、有价值的高新技术，是统计学、应用数学和计算机技术的交 叉学科，它是用来分析和处理高维观测数据，尤其是非正态非线性高维数据的 一种新兴的探索数据分橱方法。其基本思想是 3 9 - 4 0 , 2 7 1 ：利用计算枕技术，把高 维数据通过某种缀合投影刭低维( 1 3 维) 子空闻主，对于投影到的构形，采 用投影指标函数来描述投影暴露系统评价某种分类排序结构的可能性大小，通 过最优化投影指标函数，寻找出能反映高维数据结构或特征的投影，以达到在 低维空闻上分辑纛研究离维数据结构或特征的瓣的。投影寻踪评价的一般步骤 1 2 7 l ：构造投影指标函数；优纯投影指标爱数；建立投影寻踪评侩模型。 投影寻踪的优点有：学术上彻底解决了复杂大系统的“维数祸根 难题； 解决复杂性和精确性不楣容难题，准确度高；解决一定程度的菲线性、非正态 信息剥黑熊难题；能找察反映离维数据结构的投影方向，摊除那些与结橡无关 的投影方向的数据的干扰，抗干扰性好；处理数据时，无须人为假定，不会损 失大量有用的偏态信息，能自动找出数据内在规律，因此稳健性好等。然而投 影寻踪也存在着计算量大，解决静问题有限等不足之处。将投影寻踪方法与其 它方法相结合，麓取褥比较满意醣结果。金菊良等器l 】把基于蕊速遗传算法鲶投 影寻踪方法与基于加速遗传算法的改进层次分析法综合，构造了优选城市防洪 标准方案的一种新方法( i m p r o v e dc o m b i n e dw e i g h tm e t h o d ，i c w m ) 。 上述方法逐一弓| 入城市防洪系统评价，对如何有效处理系统孛各种不确定 性闻题及在该领域的应用，取得了丰硕的研究成果。这些理论方法的主要不足是 对各种不确定性系统的结构特征、演化机制的物理解析能力弱，往往只适用于特定类 型的不确定性信息。融于洪水灾害系统的复杂性，备因素相互僚用异常复杂，