基于贝叶斯网络模型的海绵城市建设风险机理研究
——以5个国家海绵试点城市为例

李 莉，董寒凝，李丹君

（1.浙江长征职业技术学院 财务与会计学院，浙江 杭州 310023；2.浙江省发展规划院，浙江 杭州 310013；3.杭州医学院 临床医学院，浙江 杭州 311399）

自2015 年以来，国家先后分4 批投入巨资推进了30 个国家试点海绵城市以及45 个系统化全域海绵示范城市的建设，其中前两批30 个国家试点海绵城市都已通过验收。然而，在“城市火炉”愈烧愈旺、洪涝灾害频频发生、水体黑臭反复无常、“海绵城市依旧看海”等现实面前——尤其是2021洪灾之后，海绵城市建设一时间陷入了“万能论”“无用论”的社会拷问与舆论窘境。究其原因，由于系统化的风险管控经验不足，试点城市缺乏对各类潜在风险因素的识别，以及对风险来源与扩散路径的准确判断，最终导致海绵建设效果不如预期。因此，加强海绵城市建设的风险因素及其机理机制的探究的具有重要的理论与现实意义。

国外关于低影响开发（LID）设施的研究已相对成熟，在建设风险方面的相关研究主要集中于风险识别和评估两方面。首先，学者们采用多种调查分析手段进行风险识别，如Olorunkiya等［1］的调查发现，制度、技术、社会、经济以及合同等五方面风险因素是影响LID 建设推广的主要原因；Benzerra等［2］的案例分析表明，技术、经济、制度规范和社会是可持续排水系统管理的主要风险因素；Matthews 等［3］则认为气候变化是影响城市绿色基础设施规划建设的主要风险因素。其次，一些学者通过构建风险评估模型的方式试图定量测度各风险因素，如Thorne 等［4］借助相关不确定（RDU）方法的研究发现，在俄勒冈州波特兰，蓝绿基础设施的主要实施障碍在于技术和社会政治方面的不确定性，且社会政治方面的影响更大；Sullivan 等［5］则在建立全生命周期评价模型（LCA）基础上，通过量化分析不同雨水收集处理系统中构造、材料、运输、操作和维护过程对环境造成的影响，为可持续雨洪管理提供优化方案。

国内关于海绵城市建设风险管理的理论探索与实践应用研究相对较晚，目前尚处于起步阶段。如一些学者从多维视角识别相关风险［6-8］，但系统性仍显不足。杨雪锋等［9］从可持续发展角度审视海绵城市建设存在的经济、社会和生态三个维度风险，提出要建立起包括成果转化、协同决策、系统治理、风险防范、风险管控等五大方面在内的协同治理机制；杜晓丽等［10］从生态风险视角提出应高度重视海绵城市建设中生物滞留设施建设这一关键环节。与此同时，部分学者从科学度量风险目标出发构建了风险指标体系［11-13］，但对风险机理机制的探索仍待加强。张丽［14］在对PPP融资模式下海绵城市建设风险因素分析的基础上建立了风险分担机制；陈前虎等［15］从全生命周期视角，构建了包括法规、管理、技术和资金四维度因素在内的海绵城市建设风险指标体系，并利用SEM 模型分析探究了各风险因素的因子荷载及其关联性；夏柠萍等［16］从融资结构、项目特征、融资环境三方面识别融资风险来源，运用FAHP-CIM模型构建海绵城市建设项目融资风险指标体系并对其进行度量研究。

可见学界在海绵城市风险识别与度量评估方面已形成了较为成熟的理论基础，但缺少对风险传导过程中关键风险因素的量化分析，尤其是缺乏对各风险因素之间作用机理的系统研究。为此，以文献检索为基础，结合我国嘉兴、宁波、池州、贵阳和镇江5个典型国家海绵试点城市的实地调研结果，识别风险因素，构建贝叶斯网络模型，厘清风险因素之间的关联机理，揭示关键风险因素及其风险致因链，完善风险管控体系，以持续推进海绵城市建设。

一、贝叶斯网络模型可行性分析及研究步骤

贝叶斯网络基于概率论理论，是一种描述随机变量之间依赖关系的图形模式，目前被广泛应用于智能化求解和推理不确定问题领域胡春玲［17］。贝叶斯网络关联诊断推理基于现有知识对未知事件进行预测，根据生成结果反推出原因关系。推理公式如下：

条件概率：设两随机事件为X和Y，且P（Y）＞0，在Y一定发生时X发生的概率为

可以得到

若P（Y）＞0，根据式（1，2），同样可以定义P（X|Y），则有

先验概率：设事件Y1，Y2，…，YN属于样本空间C，P（YI）可通过已有数据进行计算获得，则先验概率为P（Yi）。

后验概率：Yi在X发生的情况下的概率为P（Yi|X），依据P（Yi）和观测数据对其进行改正可得P（Yi|X）为后验概率。

贝叶斯定理Y1，Y2，…，Yn互不相容但能构成一个完整事件，且P（X）＞0，P（Yi）＞0（i＝1, 2,…,n），根据乘法定理和条件概率，有

式中：P（Yi）为先验概率；P（Yi|X）为后验概率。

（一）贝叶斯网络分析法的可行性分析

贝叶斯网络分析相较于其他方法的优势在于：用构建网络结构图形模式的方式描述变量之间关系，表达直观，逻辑清晰，便于理解；定性描述和定量分析相结合，结论的准确性和可信度高；可以处理不完备数据集，在数据缺少情况下尤为适用；可以较为简便地持续修正信息，使研究更接地气；有较强的预测能力，各因素之间关系得到深入挖掘，从而对不确定问题进行有效的智能化求解和推理，更好地掌握事物发展的客观性和规律性。

我国海绵城市建设刚起步，建设过程动态复杂，涉及面广，风险及不确定因素多，数据不完备且不易获取，具有明显的非典型系统风险特性，贝叶斯网络方法对于海绵城市建设风险研究具有较好的适用性。

（二）贝叶斯网络分析法的研究步骤

1.根据文献、实地访谈等方法识别出风险因素，列出风险因素清单。

2.依据清单构建贝叶斯网络模型，得到网络结构，根据专家意见进行调整优化。

3.分析网络结构图中的风险因素关系及其作用机理，识别关键风险因素及风险链。

二、海绵城市建设风险因素清单

梳理现有截至2023 年4 月的文献，将海绵城市建设风险因素进行归纳整理，结合对5 个试点城市的实地访谈印证，发现大部分风险因素可归于管理、资金、社会、技术、环境及法规这六个维度（表1，2）。分析因素出现的文献频率和调研频次，发现有16 个因素大于等于3 次，接近九成，这一现象说明，海绵城市建设风险因素在学界和实践一线已基本达成共识。频率最高的是技术类因素，反映了当前海绵城市正处如火如荼建设期及其面临诸多问题的现实情况。

表1 海绵城市相关中文文献检索主要主题分布

表2 国家层面海绵城市建设风险因素清单

三、建立海绵城市建设风险因素及其致因链分析

（一）海绵城市建设的贝叶斯网络风险模型

选取表1的16个海绵城市建设风险因素作为变量，利用GeNle 2.3软件构建模型。通过贝叶斯网络结构学习，得出网络拓扑结构，再根据专家建议进行修正和优化。

图1 为优化后的海绵城市建设风险贝叶斯网络结构图。

图1 海绵城市建设风险的贝叶斯网络结构

（二）模型验证

借助“留一交叉”检验方法（leave-one-out cross-validation）来模拟测试构建的海绵城市建设风险贝叶斯网络模型性能，以确保模型的准确性和科学性，贝叶斯网络模型交叉验证结果见表3。

表3 贝叶斯网络模型交叉验证结果

从表3 可见：绝大多数节点的预测精度高于0.800，其中运维资金来源不稳定因素的预测精度达到了0.897。与此同时，模型整体的节点预测精度达到了0.830，说明本模型具有较高的预测精度，可以用来分析与推理海绵城市建设风险的致因链。

（三）海绵城市建设风险致因链分析

由表1 可见：16 个风险因素形成了一个海绵城市建设风险的整体网络，各风险因素之间的因果风险链共有11 条。其中，海绵城市未纳入国家立法体系、管理制度与工作机制不健全、社会宣传教育不到位、配套法规体系不健全和自然环境的随机性和不可预见性均处于父节点的位置，说明这5 个风险因素是致因型风险因素，是主要的风险源头，会产生其他风险因素；位于子节点位置的惟有海绵城市建设风险，位于中间节点的则是剩余的其他因素。另外，海绵城市建设风险子节点与5 个父节点之间也会形成各自局部的网络结构，并且形成了“牵一发而动全身”的状态关系。

1.以“海绵城市未纳入国家立法体系”为风险源形成了以下风险链：

（1）海绵城市未纳入国家立法体系→制度执行不到位→建设资金筹措困难→海绵城市建设风险。我国虽然已发布了海绵城市建设工程技术、绩效考核等方面的指导性文件，但尚未出台强制性法律法规，缺乏系统的法律保障，而现有“一刀切”的规范不能有效解决各地面临的实际问题，地方积极性不高，上述制度的执行力不强。同时，海绵城市建设主要集中于道路、广场、公园等公益性项目，投资规模大，但经济效益不明显，对社会资本的吸引力较弱，建设资金筹措困难，而地方政府执行力弱，尚未建立起多元化海绵城市建设投融资机制，进一步加大了建设资金筹措的难度，极易引发海绵城市建设风险。（2）海绵城市未纳入国家立法体系→制度执行不到位→智慧化监管平台未搭建→海绵城市建设风险。智慧化监管平台的主要功能在于便捷交换各专业部门之间的信息、监测海绵城市、对海绵城市建设效果进行定量化评估、综合调度管理已建成设施等。平台建设需要政府投入，若地方政府不重视，则信息集成与完善很困难，部门之间信息不畅通或建成设施调度不合理，从而影响海绵城市建设效果。（3）海绵城市未纳入国家立法体系→制度执行不到位→科研投入力度不足→海绵产业发展不足→海绵城市建设风险。目前海绵城市尚未纳入国家立法体系，意味着地方海绵城市建设缺乏上位法保障，相关制度难以有效落地，造成海绵城市科研激励制度执行不到位，主要表现在未能设立奖励和补助资金以鼓励和支持海绵城市相关领域的研发，进而影响企业、高校及科研机构对海绵城市关键技术的科研投入，阻碍自主创新能力提升，影响产业技术结构的优化升级，最终导致海绵产业发展不足，带来海绵城市建设风险。（4）海绵城市未纳入国家立法体系→制度执行不到位→行业环境不稳定→海绵产业发展不足→海绵城市建设风险。由于未能在国家立法层面建立健全海绵城市建设的法制化、标准化、常态化、社会化实施机制，导致地方政府对海绵城市建设相关制度执行不到位，不能引起参与建设方的足够重视，致使海绵城市试点热度下降、规划编制重点转移，加剧了海绵城市相关行业环境不稳定性，最终引发海绵城市建设风险。

2.以“管理制度与工作机制不健全”为风险源形成了以下风险链：

（1）管理制度与工作机制不健全→组织架构不合理→海绵城市建设风险。海绵城市建设全过程管理涉及财政、水利、规划、住建等多个部门，经历从规划、设计、建设、考核到运维等多个阶段，程序多且复杂。然而，截至目前，海绵城市建设未设立专职管理机构，组织架构不合理，管理制度与工作机制不健全，各职能部门权责不明，不能统筹兼顾、协调发展，导致政出多门、职责交叉、多头管理、相互推诿的“九龙治水”乱象，使海绵城市建设效果难达预期。（2）管理制度与工作机制不健全→社会参与程度较低→规划设计方案不合理→海绵城市建设风险。海绵城市建设管理制度与工作机制不健全，还表现在政府管理部门尚未建立有效的公众参与机制，公众对海绵城市的了解度和认可度相对不足，参与海绵城市建设程度低。如果设计方案未能咨询公众的意见与需求，在实施过程中就无法得到公众的支持，最终引发海绵城市建设风险。

3.以“社会宣传教育不到位”为风险源形成了以下风险链：

社会宣传教育不到位→参与程度较低→规划设计方案不合理→海绵城市建设风险。作为一项民生工程，海绵城市建设涉及老旧小区改造、广场公园与公共停车建设等项目，亟需公众参与和支持。影响社会参与程度有两个主要因素：（1）有效的公众参与机制是否建立，百姓有无提供建议和反映问题的畅通渠道。（2）公民素养和公众的社会责任意识，这与社会发展阶段和水平相关，但是也离不开社会的宣传教育。海绵城市建设理念的宣传教育可以有效地提高公众认可度，增强公民责任意识；但若地方政府和社会媒体不作为，则易导致公众“主人翁”意识缺失，对海绵城市建设的设计方案不闻不问，一旦建设过程中触及自身利益则会极力阻挠，给海绵城市可持续推进带来社会风险。

4.以“配套法规体系不健全”为风险源形成了以下风险链：

（1）配套法规体系不健全→规划设计方案不合理→海绵城市建设风险。健全海绵城市规划体系、完善规划许可制度是科学规划设计与有效管理的前提。若规划体系缺乏或“一书两证”等许可制度不完善，则极易导致规划设计方案不合理，大中小海绵体布局无序混乱等技术问题，从而带来海绵城市建设风险。（2）配套法规体系不健全→人才队伍建设水平不高→海绵城市建设风险技术和人才是海绵城市建设的关键因素，人才队伍建设水平不高会导致施工技术不到位，使海绵城市工程项目在建设过程中出现质量问题。人才队伍建设水平的提升离不开地方配套法规体系的规范引领作用，一旦地方城市缺乏相应的实施和管理规定，在创新人才引进机制、优化人才培养模式和构建交流沟通平台等方面不到位，便无法为海绵城市建设提供坚实的人才保障，最终影响海绵城市建设效果。（3）配套法规体系不健全→运维资金来源不稳定→海绵城市建设风险海绵设施建成后，需投入大量资金进行维护，以确保其持续发挥效用。然而，面对高额的海绵城市建设项目运维成本，公共财政拨款难以为继。为此，海绵设施的运维亟需社会资本的共同参与。目前社会资本参与海绵设施运维的形式多以PPP 投融资模式为主，但我国海绵城市建设时间短，一方面，各地滞后的法律法规建设使得PPP建设模式缺乏有效规范；另一方面，已出台的部分PPP规范性文件与当前法律法规冲突，极易出现诸如融资主体权责不清等金融风险问题，从而导致稳定的市场融资模式难以形成。此外，根据国外发达国家经验，雨水排放收费也应作为海绵设施运维资金的重要来源，但我国目前还缺乏雨水排放收费的地方配套法规体系，民众对此的接受度很低。（4）以“自然环境的随机性和不可预见性”为风险源。自然环境的随机性和不可预见性→海绵城市建设风险高温、暴雨等极端天气事件的频发，对民众生活造成了广泛影响，致力于解决旱涝灾害问题的海绵城市建设工程也由此成为民众日益关注的焦点。例如，2021 年郑州“7.20 极端暴雨事件”造成重大人员伤亡与财产损失，社会舆论因此就质疑海绵城市建设这一国家重大战略了。然而，海绵城市在建设工程标准内才可保有效，若就极端强降雨带来的内涝问题，对海绵城市建设横加指责，甚至是简单地否定，而没有认识到海绵城市建设是一项复杂而长期的系统工程，并不能立竿见影、一蹴而就，则可能导致海绵城市建设风险的产生。

海绵城市建设是一项复杂的系统工程，面临诸多风险因素，亟需加强风险因素的识别、内在机理分析与管控机制研究。在文献研究结合实地调查访谈的基础上识别出16 个海绵城市建设风险因素，构建了海绵城市建设风险的贝叶斯网络拓扑结构模型，得到5 条风险致因链，厘清了各风险因素之间的作用机理，认为“海绵城市未纳入国家立法体系”“配套法规体系不健全”“管理制度与工作机制不健全”“社会宣传教育不到位”和“自然环境的随机性和不可预见性”是导致海绵城市建设风险的最大致因源头，加强对这5 大致因源头的重点防控，可以最大程度减少海绵城市建设风险的发生。

从社会风险角度来看，对海绵城市建设风险影响最为显著的是“社会宣传教育不到位”，其次为“社会参与程度较低”。社会宣传教育是公众了解海绵城市建设的主要途径，从试点城市民众的访谈结果看，仍有很多民众对海绵城市的认知度不足，说明目前的社会宣传教育仍不到位。同时，从因果风险链可知，“宣传教育不到位”处在风险源的位置，是致因型风险因素，一旦风险增大，会造成“社会参与程度较低”等其他因素的风险发生可能性大增。