基于云物元模型的極端降雨事件增多地區(qū)土石壩安全評(píng)價(jià)

周蘭庭 倪智強(qiáng)，2

(1. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098； 2. 中國(guó)建筑第八工程局有限公司總承包公司， 上海 201204)

近年來(lái)，全國(guó)各地極端天氣加劇，部分地區(qū)極端降雨事件呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，環(huán)境不斷惡化，給土石壩的安全帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)．土石壩的安全問(wèn)題一直被人們所重視，當(dāng)前各專家學(xué)者對(duì)于土石壩安全評(píng)價(jià)的研究也是有增無(wú)減．

陳誠(chéng)等[1]引入改進(jìn)的層次分析法結(jié)合概率計(jì)算理論對(duì)土石壩安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，收到不錯(cuò)的效果；劉亞蓮等[2]實(shí)現(xiàn)了可變模糊集對(duì)立統(tǒng)一定理在土石壩安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用；李宗坤[3]采用改進(jìn)的集對(duì)分析法對(duì)土石壩的安全狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估．但是，針對(duì)極端降雨事件有增多趨勢(shì)地區(qū)的土石壩安全評(píng)價(jià)的研究仍然不足．本文根據(jù)《大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[4]，在全面綜合考慮影響土石壩安全的各項(xiàng)因素的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮了在極端降雨事件有增多趨勢(shì)的地區(qū)極端天氣給土石壩帶來(lái)的影響，依照土石壩工程安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的基本準(zhǔn)則，構(gòu)建了一套簡(jiǎn)潔實(shí)用的針對(duì)極端降雨事件有增多趨勢(shì)地區(qū)土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并采用云物元模型結(jié)合工程實(shí)例對(duì)該類地區(qū)土石壩的安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)．

1 土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 評(píng)價(jià)地區(qū)選擇

關(guān)于極端降雨的定義各有差別，本文采用近些年比較通用的百分位法定義極端降雨，即日降雨強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)統(tǒng)計(jì)年份中日降雨序列第90%的閾值的大范圍降雨．

根據(jù)文獻(xiàn)[5-7]中對(duì)日降雨量變化趨勢(shì)的分析，我國(guó)目前極端降雨事件有增多趨勢(shì)的地區(qū)主要是長(zhǎng)江中下游地區(qū)、西南地區(qū)和華南地區(qū)，對(duì)于這些地區(qū)的土石壩，其安全狀況尤其值得關(guān)注，因此本文所構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型可適用于這類地區(qū)．

1.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

本文以《大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》為指導(dǎo)，在土石壩常規(guī)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中新增氣象條件和地質(zhì)條件兩大類指標(biāo)，采用理論分析法和主成分分析法并聯(lián)系工程實(shí)際來(lái)提煉指標(biāo)，最后通過(guò)專家咨詢法確定了14個(gè)最終指標(biāo)，構(gòu)建適用于極端降雨事件有增多趨勢(shì)地區(qū)的土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其設(shè)置如圖1所示．

圖1 極端降雨事件增多地區(qū)土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.3 指標(biāo)的分級(jí)和度量

若想對(duì)土石壩的安全性態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，必須要先對(duì)所選取的評(píng)價(jià)因素特性其“優(yōu)”、“劣”情況做出評(píng)判．根據(jù)《水庫(kù)大壩安全導(dǎo)則》，可以將評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)分為A、B、C三個(gè)等級(jí)．為了更準(zhǔn)確的對(duì)土石壩安全的最終評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行判別，本文對(duì)等級(jí)C進(jìn)行細(xì)分，最終分為正常、基本正常、輕度異常、重度異常、惡性失常這5個(gè)等級(jí)．

本文參考相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)[8-9]，結(jié)合實(shí)例中的工程實(shí)際及專家意見(jiàn)，對(duì)已經(jīng)建立的極端降雨事件增多地區(qū)土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)，并給出相應(yīng)等級(jí)區(qū)間的定量值．需要說(shuō)明的是，對(duì)于指標(biāo)防洪能力復(fù)核，采用現(xiàn)狀防洪高程值(m)與安全壩頂高程值(m)的差值作為度量值；對(duì)于指標(biāo)壩坡穩(wěn)定，采用壩坡穩(wěn)定系數(shù)與規(guī)范允許值的比值作為度量值；對(duì)于指標(biāo)滲透坡降，采用實(shí)際滲透坡降與允許滲透坡降的比值作為度量值．降雨量采用年降雨量(mm)，降雨強(qiáng)度采用日最大降雨強(qiáng)度(mm·(24 h)-1)，降雨歷時(shí)取單日降雨歷時(shí)(h)．而對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造、大壩運(yùn)行、大壩安全監(jiān)測(cè)、筑壩材料選擇及填筑質(zhì)量、工程施工過(guò)程、泄洪能力、壩體變形、排水設(shè)施這8個(gè)定性指標(biāo)采用專家打分制，根據(jù)相關(guān)專家學(xué)者對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行打分確定其指標(biāo)量值．相應(yīng)的指標(biāo)等級(jí)劃分也在0～100分之間進(jìn)行，具體分級(jí)情況見(jiàn)表1．

表1 極端降雨事件增多地區(qū)土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分

2 基于綜合賦權(quán)-云物元模型的土石壩安全評(píng)價(jià)

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)土石壩安全進(jìn)行評(píng)價(jià)可供選擇的方法很多，主要有層次分析法、模糊綜合評(píng)估法、支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、云物元理論等．云物元理論結(jié)合了云模型和物元理論，能全面準(zhǔn)確評(píng)價(jià)事物性態(tài)，并考慮了評(píng)估事物狀態(tài)的隨機(jī)性和模糊性，因此本文選擇云物元理論對(duì)極端降雨增多地區(qū)土石壩安全進(jìn)行評(píng)價(jià)．

2.1 云物元模型

2.1.1 云物元的基本理論

物元理論以事物的名稱N，事物特征C及特征量值V為集合來(lái)描述事物．傳統(tǒng)的物元理論將事物基本元R=(N，C，v)中的v看作一個(gè)確定的數(shù)值，并沒(méi)有去考慮它的模糊性及隨機(jī)性，然而實(shí)際上v可能是一個(gè)不確定的數(shù)值．因此，將云模型與物元理論相結(jié)合，構(gòu)建出考慮v的模糊性和隨機(jī)性的云物元模型．云物元模型可以表示為：

(1)

式中，(Exn，Enn，Hen)為采用云模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換后的數(shù)值特征，體現(xiàn)了數(shù)值的不確定性．

2.1.2 云參數(shù)的計(jì)算

在應(yīng)用傳統(tǒng)的物元理論時(shí)，均是采用明確的區(qū)間來(lái)對(duì)各等級(jí)進(jìn)行劃分，卻沒(méi)有考慮各等級(jí)邊界處的模糊性．而在云物元模型中，利用云模型的模糊性和隨機(jī)性對(duì)物元理論中的嚴(yán)格區(qū)間模糊化，允許各區(qū)間之間有一定的重疊，將等級(jí)邊界處的模糊性考慮其中．為了求出云模型中的各參數(shù)，在轉(zhuǎn)換前，將每個(gè)等級(jí)區(qū)間都擬定為一個(gè)雙約束指標(biāo)[Cmax，Cmin]，各參數(shù)計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

He=s

(4)

其中，Ex為期望，En為熵，He為超熵，它們?nèi)吖餐M成了云的數(shù)字特征．

2.1.3 隸屬度計(jì)算

在物元理論中引入云模型，則原先的關(guān)聯(lián)函數(shù)就不再適用．待評(píng)估指標(biāo)數(shù)值與各等級(jí)之間的隸屬度可按下列步驟進(jìn)行計(jì)算：

①計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)字特征(Exi，Eni，Hei)；

③根據(jù)如下公式計(jì)算云滴x相應(yīng)于各等級(jí)的隸屬度：

(5)

④重復(fù)上述各步驟n次，然后以所有結(jié)果的均值為最終的隸屬度值．

2.2 改進(jìn)的熵權(quán)-AHP綜合賦權(quán)法

采用傳統(tǒng)層次分析法(AHP)確定指標(biāo)主觀權(quán)重時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)相互之間進(jìn)行比較的時(shí)候通常不會(huì)有“極端大”和“明顯大”的情況．因此，本文引用一種相對(duì)更加靈活的標(biāo)度方法，在進(jìn)行指標(biāo)重要性的比較時(shí)，只設(shè)置“相同”或者“稍微大”兩個(gè)等級(jí)，并且以指數(shù)標(biāo)度法、9/9～9/1標(biāo)度法及10/10～18/2標(biāo)度法這三者的均值作為新的標(biāo)度，不同程度的差別可以用多個(gè)“稍微大”標(biāo)度值的乘積來(lái)衡量．新標(biāo)度法的具體含義見(jiàn)表2．

表2 新標(biāo)度法的具體含義

關(guān)于熵權(quán)法[10]的原理已有很多文獻(xiàn)介紹，這里不再贅述，本文引用經(jīng)典熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)客觀權(quán)重．

將指標(biāo)的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重結(jié)合起來(lái)考慮，利用式(6)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重．

wi=0.5Wi+0.5ηi

(6)

2.3 評(píng)定土石壩安全等級(jí)

首先利用式(7)計(jì)算待評(píng)估土石壩安全q關(guān)于等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度kj(q)．

(7)

然后依據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則確定最終評(píng)價(jià)等級(jí)：

(8)

則評(píng)定土石壩安全屬于等級(jí)j0．

利用Matlab進(jìn)行編程，得到最終的評(píng)定結(jié)果．具體評(píng)價(jià)流程如圖2所示．

圖2 極端降雨事件增多地區(qū)土石壩安全評(píng)價(jià)流程

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某水庫(kù)大壩位于廣東省某市，是一座以防洪為主兼顧灌溉和水產(chǎn)養(yǎng)殖的土壩．水庫(kù)總庫(kù)容為131.7萬(wàn)m3，水庫(kù)永久性水工建筑物的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇．根據(jù)1.1節(jié)中的闡述可認(rèn)為該工程所在地區(qū)屬于極端降雨有增多趨勢(shì)的地區(qū)，主要受太平洋東南季風(fēng)的影響，高溫多雨濕潤(rùn)，熱量豐富，光照充足．據(jù)附近的氣象站資料統(tǒng)計(jì)，流域的多年平均降雨量為1 106 mm，最大年降雨量為1 677.3 mm，最小年降雨量為917.4 mm，最大日降雨量為217.8 mm．降雨年內(nèi)、年際分配極不均勻，年內(nèi)雨量多集中于春夏季，4～9月降雨量約占全年降雨總量的77%．

3.2 安全狀態(tài)評(píng)估

以下計(jì)算過(guò)程均通過(guò)Matlab編程實(shí)現(xiàn)，這里僅給出一次的計(jì)算過(guò)程．通過(guò)重復(fù)以下步驟②～④，評(píng)判20 000次，得到最終的評(píng)估結(jié)果．

①評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

依據(jù)2.2節(jié)中介紹的方法計(jì)算各待評(píng)估指標(biāo)的綜合權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表3．

表3 各評(píng)估指標(biāo)基于改進(jìn)的AHP-熵權(quán)模型的綜合權(quán)重

②生成標(biāo)準(zhǔn)云模型

根據(jù)表1中極端降雨事件增多地區(qū)土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分情況，得到該土石壩各個(gè)評(píng)估指標(biāo)等級(jí)界限的標(biāo)準(zhǔn)云模型的參數(shù)(Exi，Eni，Eei)，結(jié)果見(jiàn)表4．

表4 大壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)界限的標(biāo)準(zhǔn)云模型

③生成隸屬度表

評(píng)估點(diǎn)原始數(shù)據(jù)為5(5年的土石壩安全狀態(tài))×14(14項(xiàng)評(píng)估指標(biāo))的矩陣，根據(jù)式(5)來(lái)計(jì)算每年的14個(gè)評(píng)估指標(biāo)與各個(gè)等級(jí)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)的隸屬度，因?yàn)橛?年的待評(píng)估數(shù)據(jù)，所以會(huì)生成5個(gè)隸屬度表．篇幅有限，這里只給出2011年的的隸屬度表，見(jiàn)表5．

表5 土石壩2011年安全評(píng)價(jià)隸屬度表

④關(guān)聯(lián)度與評(píng)定結(jié)果

在前面計(jì)算得到的各指標(biāo)最終權(quán)重的基礎(chǔ)上，依據(jù)式(7)計(jì)算各個(gè)指標(biāo)與各評(píng)價(jià)等級(jí)之間的關(guān)聯(lián)度，最后再根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則來(lái)評(píng)定各個(gè)年份大壩安全的等級(jí)．

從表6中可以清楚地看出從2011年至2015年該土石壩的安全等級(jí)都在正常與基本正常之間，說(shuō)明該土石壩的整體安全狀況良好，在當(dāng)前的環(huán)境和狀態(tài)下可以正常運(yùn)行，基本不存在較大的隱患，這與專家評(píng)價(jià)給出的結(jié)論一致；從另一方面可以發(fā)現(xiàn)，該土石壩的安全等級(jí)有下降的跡象，至2015年已經(jīng)有偏向輕度異常的趨勢(shì)，說(shuō)明該土石壩目前已經(jīng)存在一些較小的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患，如果不加以相應(yīng)的整改和防范，這些小隱患可能就成為日后大壩失事和潰壩的“導(dǎo)火索”，威脅大壩的整體安全．

4 結(jié) 論

1)針對(duì)極端天氣給土石壩安全狀況帶來(lái)的影響，構(gòu)建了極端降雨事件增多地區(qū)土石壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，該體系簡(jiǎn)潔實(shí)用，針對(duì)性強(qiáng)，同時(shí)也綜合考慮了土石壩安全的影響因素，為以后的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)．

2)引入云物元模型對(duì)極端降雨事件增多地區(qū)土石壩的安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，有效地解決了土石壩安全評(píng)價(jià)中普遍存在的隨機(jī)性和模糊性的問(wèn)題，實(shí)例中結(jié)果驗(yàn)證了評(píng)價(jià)模型的有效性和實(shí)用性．

表6 土石壩安全與各等級(jí)云模型之間的關(guān)聯(lián)度