鄒家源水庫除險加固治理效果評價

曾國林

(新干縣水利局，江西 吉安 331300)

0 引 言

科學(xué)合理的綜合評價水庫加固治理工程效益，對于全面消除水庫安全隱患以及水庫加固方案的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義[1]。對此，許多研究者開展了大量的研究并取得了豐富的成果，如劉展志等[2]從水環(huán)境、內(nèi)部收益率、灌溉增量和防洪增量5個方面選擇評價指標(biāo)，通過對評價等級的劃分提出了改進(jìn)的云模型法；劉青青等[3]將水庫加固績效評價體系引入平衡計分卡理論，評估體系的普遍適用性和客觀性相對較差；吳煥新等[4]通過對加固工程特點的詳細(xì)分析，根據(jù)水庫安全運行情況研究了加固效果評價體系的構(gòu)建方法，所確立的評價體系比較單一。然而，定性評價為現(xiàn)有研究應(yīng)用較多的方法，考慮模糊性、不確定性因素的綜合評價研究相對較少。因此，針對多要素、多層次評價體系和權(quán)重計算存在較強(qiáng)主觀性的特征，評價方法將傳統(tǒng)的AHP法運用三標(biāo)度準(zhǔn)則加以改進(jìn)，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論建立適用于水庫加固效果評價的模型，然后以鄒家源水庫加固工程為例驗證了模型的科學(xué)有效性。

1 模糊綜合評價模型

1.1 構(gòu)建評價體系

水庫加固效果評價涉及的因素多、范圍廣，不同地區(qū)的水文條件和水庫運行狀況存在一定差異，為了全面掌握水庫加固治理成效要求從復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息中選取合適的指標(biāo)，建立的評價指標(biāo)體應(yīng)盡可能的反映水庫運行時存在的問題和現(xiàn)狀情況[5]。遵循定量定性相結(jié)合、完備性、層次性和科學(xué)性原則建立評價指標(biāo)體系，對加固治理效果評價因子依據(jù)水庫大壩安全鑒定辦法篩選，從綜合影響、康復(fù)程度、工程設(shè)計與施工方案等方面建立多層次、多要素綜合評價體系，見表1。

表1 水庫加固效果綜合評價體系

1.2 改進(jìn)的AHP法確定權(quán)重

1-9標(biāo)度法為傳統(tǒng)的AHP法構(gòu)造判斷矩陣的基礎(chǔ)，該準(zhǔn)則過于細(xì)化且標(biāo)度分級過多，對于多個層次要素難以準(zhǔn)確掌握比較尺度，專家估算難度大且判斷矩陣的準(zhǔn)確性較低。將各評價指標(biāo)重要程度利用三標(biāo)度準(zhǔn)則判別時省去了一致性檢驗的環(huán)節(jié)，可有效避免了1-9標(biāo)度法存在的計算量大、偏差大和主觀性強(qiáng)等問題。所以，文章對水庫加固效果評價指標(biāo)的重要性運用專家較容易給出的三標(biāo)度法進(jìn)行排序，將傳統(tǒng)的AHP法加以優(yōu)化改進(jìn)，其具體流程如下：

1)準(zhǔn)則層比較矩陣C=(cij)的構(gòu)造，其表達(dá)式為：

(1)

2)因素層判斷矩陣A=(aij)按照下式和比較矩陣C確定，即：

(2)

3)權(quán)重的計算。各指標(biāo)權(quán)重利用下式確定，經(jīng)歸一化處理和整合運算后確定最終的指標(biāo)權(quán)值，如下：

(3)

(4)

水庫加固效果各評價因子權(quán)重集W={ω1，ω2，…，ωn}按照上述改進(jìn)的三標(biāo)度層次分析法計算確定。

1.3 構(gòu)建綜合評價模型

根據(jù)各評價因子等級的隸屬度構(gòu)造模糊關(guān)系映射矩陣，模糊關(guān)系的合成運算為模糊綜合評價的重要基礎(chǔ)，考慮不同評價等級下多個因素的隸屬程度即可實現(xiàn)水庫加固效果的綜合分析。對于多約束、多層次難以用精確數(shù)學(xué)法描述的復(fù)雜問題，模糊數(shù)學(xué)法具有較強(qiáng)的適用性，目前該方法已廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科領(lǐng)域，其基本流程為：

1)因素集U的確定。根據(jù)各層次評價因子構(gòu)造因素集U，如將社會發(fā)展影響、工程投資、運行管理和技術(shù)適用性等因子構(gòu)成集合，即U={u1,u2,…,um}，ui為單評價因子，其中i=1,2，…，m。

2)評語集V的確定。根據(jù)水庫加固工程治理情況和目標(biāo)要求，將所有評價級別構(gòu)成集合V，即V={v1,v2,…,vn}，vi為評價等級，其中j=1，2，…，n。

3)單因素評價。設(shè)ui為評價指標(biāo)體系中第i個要素，關(guān)于評價等級vj為此單要素的隸屬度為rij，由此可構(gòu)成單要素模糊矩陣R。

4)模糊綜合評價。根據(jù)評價要素ui確定的隸屬于不同等級的程度，構(gòu)造單要素模糊權(quán)重子集W={ω1，ω2，…，ωn}。然后采用合成算子將R與W進(jìn)行模糊運算確定綜合評判集B，其表達(dá)式為：

B=(bj)=W×R

(5)

式中：bj為水庫加固效果綜合評價值。

根據(jù)最大隸屬度原則確定水庫加固效果的評價等級，模糊綜合法不僅有效解決了多因素權(quán)重分配困難的問題，而且可反映不同層次中各因素的影響程度。

2 實例分析

2.1 水庫概況

鄒家源水庫位于新干縣大洋洲鎮(zhèn)譚家坊村，總庫容486萬m3，是一座集灌溉、養(yǎng)殖、防洪等功能于一體的小(1)型水庫，具有年調(diào)節(jié)性能。水庫樞紐工程等別為Ⅳ等，主要建筑物有大壩、正常溢洪道、非常溢洪道、灌溉涵管和灌溉渠系等，正常高水位84.48m，設(shè)計調(diào)洪演算校核和設(shè)計洪水位分別為88.08m、86.75m。

在特殊的歷史背景下興建的該水利樞紐工程，勘測、設(shè)計及施工方面均存在較多缺陷，加之維修管理不善和建設(shè)期資金的缺乏，給水庫大壩留下了許多安全隱患。通過對整個樞紐工程進(jìn)行勘查，發(fā)現(xiàn)的主要問題如下：①大壩存在壩體、壩基滲漏和繞壩滲漏問題；②大壩無監(jiān)測設(shè)施，上游塊石護(hù)坡不完善，風(fēng)化嚴(yán)重，下游排水棱體不完善；③正常溢洪道陡槽下游沖坑、塌陷嚴(yán)重，陡槽有斷裂現(xiàn)象，非常溢洪道邊坡塌方，阻塞嚴(yán)重；④輸水涵管有裂縫，防汛公路路面差，無上壩公路等；⑤大壩發(fā)現(xiàn)多處蟻穴，壩體遭受蟻害嚴(yán)重。經(jīng)過長期的服役運行，該水庫存在各種各樣的問題，尤其是服役年限的增大和部分水利設(shè)施的超期服役，使得安全隱患問題較為突出[6-9]。

根據(jù)安全鑒定結(jié)論以及水庫運行過程中發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合設(shè)計規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和安全鑒定意見擬對大壩采取以下措施進(jìn)行除險加固：①對大壩進(jìn)行加固處理；②對溢洪道進(jìn)行翻修擴(kuò)建；③對灌溉斜管進(jìn)行翻建和涵管補(bǔ)強(qiáng)處理；④按規(guī)范要求增設(shè)水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)施，完善通訊、管理設(shè)施及修建防汛公路等。

按50a一遇洪水校核、10a一遇洪水設(shè)計和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，全面復(fù)核輸水管、溢洪道和水庫大壩，消除水庫安全隱患和水庫加固方案優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)。

2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

1)根據(jù)專家意見和各指標(biāo)具體內(nèi)涵，利用公式(1)構(gòu)造比較矩陣C。為簡要介紹其運算流程，選取準(zhǔn)則層加固設(shè)計方案C1為例，構(gòu)造的比較矩陣如下：

(6)

2)依據(jù)計算式(2)和比較矩陣C，考慮水庫加固具體情況建立判斷矩陣A，如下：

(7)

3)評價體系中各項因子權(quán)重利用式(3)、(4)計算確定，經(jīng)歸一化處理獲取各評價因子權(quán)重集為：w11=(0.2855，0.1430，0.5715)。

4)同理，按照以上運算流程依次確定每一層級中各因素權(quán)重。

2.3 模糊綜合評價

1)評語集的確定。根據(jù)水利部頒發(fā)的水庫大壩安全鑒定辦法和相關(guān)文獻(xiàn)資料將評價等級劃分為V1-V5級，評語集為V={很好，好，一役，較差，很差}，采用五級制劃分評價等級，各等級分值標(biāo)準(zhǔn)及其判別依據(jù)見表2。

表2 水庫除險加固效果評價等級

表3 不同等級下三級要素標(biāo)準(zhǔn)分值

參考遼寧省重要中小型水庫安全鑒定指導(dǎo)意見、水庫大壩安全評價導(dǎo)則和水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)，采用等級打分方案由9名專家給出不同評價等級下28項因素的標(biāo)準(zhǔn)分值，見表3。

2)隸屬度的計算。對于不同評價等級下各指標(biāo)的計算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，從而獲取準(zhǔn)則層各要素的隸屬度矩陣如下：

3)子系統(tǒng)中各要素評價。結(jié)合C1隸屬度矩陣r11和權(quán)重集w11計算結(jié)果，對指標(biāo)C1運用公式(5)進(jìn)行求解，可有：BC1=w11×r11=(0.2858，0.5715，0.1427，0，0)。

4)同理，按照以上流程計算確定評價體系中其它各層級的運算結(jié)果，獲取的因素層評價結(jié)果為：BA=w31×r31=(0.2502，0.6281，0.1217，0，0)。

2.4 結(jié)果分析

將BA運算結(jié)果按照最大隸屬度原則，其最大值為0.6281，屬于“好”等級，即鄒家源水庫加固治理效果隸屬于“好”等級，各項評估指標(biāo)較加固前較大改善，整治后的工程效益、水庫功能達(dá)到設(shè)計水平及預(yù)期目標(biāo)，工程驗收結(jié)論、加固實際狀況和該評價結(jié)果保持較好的一致性。

3 結(jié) 論

1)水庫加固治理效果評價的重要基礎(chǔ)是建立系統(tǒng)、全面的評價體系，文章結(jié)合評價體系建立方法、水庫加固工程特點和相關(guān)原則，從多個方面建立多層次、多要素綜合評價體系，然后將各指標(biāo)權(quán)重利用三標(biāo)度改進(jìn)的AHP法計算，有效避免了傳統(tǒng)方法存在的計算量大、偏差大和主觀性強(qiáng)等問題。根據(jù)工程現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果和相關(guān)資料，采用模糊數(shù)學(xué)法構(gòu)建加固效果評價模型，并以實例工程驗證了模型的科學(xué)有效性。

2)對鄒家源水庫加固治理工程運用建立的評價體系和模糊數(shù)學(xué)模型分析，結(jié)果顯示水庫加固治理效果隸屬于“好”等級，各項評估指標(biāo)較加固前較大改善，可為消除水庫安全隱患，完善水庫管理體系和加固效果評價方法提供科學(xué)的依據(jù)。