小型水電站引水建筑物模糊綜合安全評價

戴雙喜，蔡 新，3，徐錦才，舒 靜，李 益

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學力學與材料學院，江蘇南京 210098;3.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098;4.水利部農村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

小型水電站(簡稱小水電)作為一種清潔可再生能源的載體，在我國經濟建設、社會發(fā)展和環(huán)境保護等方面效益顯著。引水建筑物是小水電的重要組成部分，其安全運行是小水電發(fā)揮作用的前提。因此，小水電引水建筑物安全評價研究十分重要。

對當前水利工程安全評價而言，人們在現(xiàn)代大壩工程建設中已經意識到潰壩的潛在風險，將其融入設計準則、方法和施工質量控制中去［1］。因此，對一座新建小水電的安全調研主要包括獨立的設計復核和觀測資料分析。早期建設的小水電從設計到施工都難以保證質量，存在工程防洪標準低、工程建設不配套、工程質量差、抗震不達標、泄洪設施不健全等隱患。隨著水電站運行時間延長，水電站各種設備不斷老化造成水電站發(fā)電效率低，影響節(jié)能減排，且存在不同程度的安全隱患，威脅公共安全。與大壩安全評價相比，國內對小水電引水建筑物的安全評價研究較少，目前還沒有建立一套較為完整的、針對小水電特點的引水建筑物安全評價系統(tǒng)［2-4］。模糊綜合評價法是一種以模糊數(shù)學為基礎的定量評價方法，與傳統(tǒng)方法相比，模糊綜合評價法評價結果更符合客觀實際，提供的信息更豐富。多級模糊綜合評判能進一步減少主客觀差異，使主觀評價更準確。基于此，針對小水電引水建筑物特點，結合國內已有的水庫大壩安全研究［5-14］，筆者提出小水電引水建筑物模糊綜合安全評價方法。

1 模糊綜合安全評價方法

1.1 引水建筑物模糊綜合安全評價模型

式中:L——安全評價體系子目標數(shù);Nl——第 l個子目標所含基礎指標數(shù);K——安全等級;R=(r1，…，rK)——總目標隸屬度向量;W'=(w'1，…，w'L)——L個子目標的權重向量;?——模糊加權平均算子;R'=［R'1，…，R'l］——l個子目標的隸屬度矩陣;w'l——第 l個子目標相對于總目標的權重;w″liR″li——第 l個子目標的隸屬度向量;w″li——第 l個子目標中第 i個基礎指標相對于該子目標的權重;R″li=［r″li1，…，r″liK］——第 l個子目標下第 i個基礎指標的隸屬度向量，r″lik= μlik(xli);r″lik——第 i個基礎指標隸屬于第 k個安全等級的隸屬度;xli——第l個子目標下第i個基礎指標的專家評分值。

為使評價的最終結果意義明確，需對R精確化或稱為反模糊化，以確定總目標的安全級別。筆者采用重心法進行反模糊化計算，各評語等級區(qū)間的重心為:q=(q1，…，qK)。則小水電引水建筑物的安全評價精確值為

小水電引水建筑物安全評價是一個多層次、多指標結構體系。本文通過建筑物安全監(jiān)測、水文觀測和人工巡視檢查，結合專家意見確定各指標的評分值，利用加權融合法為各評價指標賦權，最后提出了基于多級模糊綜合評價的小水電引水建筑物安全綜合評價方法，其流程如圖1所示。

1.2 引水系統(tǒng)模糊綜合安全評價模型

引水建筑物起著連結水庫與發(fā)電系統(tǒng)的作用，且種類繁多、復雜。各引水建筑物形成一串聯(lián)、弱聯(lián)結系統(tǒng)，系統(tǒng)中任何一個節(jié)點的失效都可能影響水電站的安全運行。

小水電引水系統(tǒng)包含T個建筑物，按照小水電的功用得出各個引水建筑物的權重wt，通過引水建筑物安全評價模型得出各引水建筑物的安全評價值Qt，則小水電引水系統(tǒng)模糊綜合安全評價模型為

圖1 小水電引水建筑物安全評價流程Fig.1 Flow chart of fuzzy comprehensive safety evaluation of diversion structures at small hydropower stations

1.3 評價算法的隸屬函數(shù)確定

隸屬度的確定及隸屬函數(shù)關系的選取需要符合客觀規(guī)律，目前無法用理論來證明隸屬函數(shù)選擇效果的好壞，因此根據專家實踐經驗，本文選取高斯型隸屬函數(shù)確定指標隸屬度［15］:

式中:α——函數(shù)曲線中心;σ——函數(shù)曲線陡度。確定各指標各安全等級的α，σ值，建立各指標各安全等級隸屬函數(shù)，如圖2所示。

2 小水電引水建筑物安全評價體系

圖2 指標隸屬函數(shù)Fig.2 Membership function of qualitative indices

2.1 指標體系建立

在對小水電安全檢測信息整理、分析的基礎上，根據水電站各類引水建筑物的設計規(guī)范、管理標準分析安全影響因素;針對小水電安全性概念的層次化和動態(tài)化等特點，采用定性和定量指標進行描述，確定安全評價指標;并根據安全評價指標體系構建原則，構建小水電引水建筑物安全評價指標體系［16－19］。表1為引水建筑物中引水渠的安全評價指標體系。

2.2 引水建筑物安全評價等級

根據安全評價指標體系，結合水電專業(yè)多年的實際安全檢測與評價經驗，并參考文獻［13］，將安全等級分為{安全［100，80)、較安全［80，60)、較不安全［60，40)、不安全［40，0)}4個等級(K=4)。

2.3 引水建筑物安全評價指標權重

層次分析法確定權重時，采用1～9標度法構建成對比矩陣，由于標度判斷差異不明顯，使用中常出現(xiàn)成對比矩陣不滿足一致性要求的問題;同時，受不完備信息、評價所需時間、個人偏好和對目標識別程度等不確定性因素的影響，專家構建的判別矩陣差別很大。為解決上述問題，并充分利用專家集體智慧，引入熵值法彌補單一主觀權重的不足，采用基于指標重要性分值和熵值法的改進層次分析法來計算指標權重。

2.3.1 基于指標重要性分值的指標主觀權重

為避免層次分析法中成對比矩陣不滿足一致性要求的問題，按照文獻［3］中的指標重要性分值標準組織專家對指標重要性進行評分。對指標重要性分值進行兩兩對比運算，構建指標成對比矩陣，進而根據層次分析法，確定指標權重向量ws=(ws1，…，wsN);綜合所有專家給出的指標權重，得到指標權重矩陣Ws。

2.3.2 基于熵值法的專家自身權重

熵值法［14］是根據評價對象的實際數(shù)據進行賦權的一種客觀賦權法，借鑒傳遞熵的思想，用熵表示專家評價結果的不確定性和各專家的水平差異，建立基于熵的專家權重模型:

表1 引水渠安全評價指價體系Table.1 Safety evaluation index system for flume

其中

式中:wom——第m個專家在專家組中的權重;Hm——專家評分的傳遞熵;M——專家總數(shù);N——指標總數(shù);emn——反映第m個專家對第n個目標所做評價結論的水平;αmn——第m個專家對第n個目標的評分值。

2.3.3 加權融合權重

對基于指標重要性分值的指標主觀權重向量Ws和基于熵值法的專家自身權重向量WO進行加權融合，得出更為合理的評價指標權重向量W=WO=(w1，w2，…，wN)。

3 實例分析

建于1959年12月的浙江省某小水電是以發(fā)電為主的無壓引水式水電站，擁有進水口、明渠(含渡槽)、日調節(jié)池、壓力前池、壓力鋼管等引水建筑物。根據水利部農村電氣化研究所的水電站檢測資料，該水電站存在引水渠失修、壓力管道老化銹蝕、安全生產制度不健全、對安全隱患排查治理力度不大等安全隱患。

組織6位專家根據現(xiàn)場調查情況對該水電站引水建筑物的指標重要性及基礎指標進行評分。以該小水電引水系統(tǒng)中引水渠的安全評價為例，專家給出的各級指標重要性分值矩陣f(f1為引水渠安全性指標下4個基礎指標相對重要性的專家評分值，f2為引水渠適用性指標下3個基礎指標相對重要性的專家評分值，f3為引水渠耐久性指標下5個基礎指標相對重要性的專家評分值，f4為3個子目標相對重要性的專家評分值)以及引水渠基礎指標的安全現(xiàn)狀評價向量D分別為

由基于指標重要性及熵值法的指標權重確定方法，得出各評價指標權重如表2所示。

表2 引水渠各指標主觀權重及專家自身權重計算結果Table 2 Calculated results of subjective weight of indices and experts’own weight in flume

表3 電站各引水建筑物模糊綜合安全評價計算結果Table 3 Calculated results of fuzzy comprehensive safety evaluation of diversion structures

根據引水系統(tǒng)安全模糊評價模型，該小水電引水系統(tǒng)的安全評價結果為Q'= ［67.7176 72.1311 63.9769 63.8920 70.5580］?［0.2192 0.2192 0.1370 0.1644 0.2603］ =68.28

根據安全等級評分區(qū)間，評定該小水電的引水系統(tǒng)安全級別為較安全，表示該小水電引水系統(tǒng)中各引水建筑物的實際工況和各種功能基本滿足現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程、標準和設計的要求，可能影響引水建筑物的正常使用，需要進行安全性調查，準備采取安全對策。

4 結 語

針對小水電引水建筑物特點，提出由安全性、適用性和耐久性3個子系統(tǒng)及其評價指標組成的小水電引水建筑物安全評價指標體系;并借鑒傳遞熵的思想，提出基于指標重要性分值和熵值的改進層次分析法來計算指標權重;引入模糊理論，建立了小水電引水建筑物安全模糊綜合評價模型;根據浙江省某小水電的實際運行情況，應用安全模糊綜合評價模型對該水電站引水建筑物安全性進行了分析。結果表明，模糊綜合安全評價方法可行、有效，具有通用性，可很好地應用于小水電安全管理中。

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