改進的AHP-Fuzzy在水庫大壩安全鑒定中的應用

黃夢婷，李建國

（安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會）水利科學研究院，安徽 合肥 230088）

水庫大壩具有重要的防洪、治澇、灌溉等功能，對于保護人民財產安全發(fā)揮著不可替代的作用，一旦出現(xiàn)安全隱患，將給當?shù)厝嗣裨斐呻y以挽回的損失。因此，適時地進行水庫安全鑒定對于長久發(fā)揮工程效益具有重要意義。為了對水庫大壩的安全性作出分析評價，2017年1月9日，水利部發(fā)布《水庫大壩安全評價導則》（SL258-2017替代 SL258-2000），對《導則》適用范圍、鑒定要求、章節(jié)內容等進行了調整，但《導則》中將防洪安全、結構安全等指標的重要程度視為同等，評價時以最低等級作為大壩安全級別，難以體現(xiàn)出不同指標在大壩安全鑒定中的重要程度[1]。為解決這一問題，本文引入改進的模糊綜合評價法，從防洪能力、結構安全、滲流安全、輸泄水建筑物、運行管理等五個方面對大壩安全進行綜合評價，所述方法對于國內同行開展水庫安全鑒定工作具有一定借鑒意義[2-4]。

1 評價指標體系的構建

結合現(xiàn)有研究成果，本文選取防洪能力、結構安全、滲流安全、輸泄水建筑物、運行管理作為指標體系準則層，在此基礎上選取17項典型二級評價指標（包括定性與定量指標）構成體系的指標層，結果如圖1所示。

圖1 水庫大壩安全評價指標體系

2 水庫安全評價模型構建

2.1 模糊層次分析法確定指標權重

目前，權重系數(shù)的確定主要包括主觀賦權評價法和客觀賦權評價法兩大類，具體來說主要有層次分析法、指數(shù)加權法、熵值法、TOPSIS法等，不同的方法又有不同的適用條件，考慮到評價指標的模糊不確定性，本文選用改進的模糊層次分析法來確定各項指標權重，具體步驟如下[5]。

2.1.1 構造判斷矩陣

利用改進的三標度法替代傳統(tǒng)九標度法，構建互補型模糊判斷矩陣E=（fij）n×n。

式（1）中，C(i)、C(j)——指標fi和fj的相對重要程度。

將模糊判斷矩陣E=（fij）n×n改造成模糊一致性判斷矩陣R=（fij）n×n，轉換公式如下:

2.1.2 權重計算

①求權重向量。利用和行歸一法，即對模糊一致性判斷矩陣求行和并歸一化，可得權重向量，公式如下：

②建立互反型矩陣。將互補型矩陣R=(Rij)n×n變?yōu)榛シ葱途仃嘠=(qij)n×n，轉換公式如下：

③求精度較高的權重向量。以權重向量W（0）作為特征值法的迭代初值V0，公式如下：

若 ||Vk+1||∞-||Vk||∞＜ε（ε≤0.001），則即為最大特征值，將進行歸一化處理，即所得向量=即權重向量，迭代結束。

2.2 模糊關系矩陣的構建

在確定指標隸屬度時，由于各項指標存在模糊性強、量化困難等問題，采用客觀的邏輯計算方法難以有效的反映各指標的真實隸屬度，為解決好這一問題，借鑒各位專家的管理經(jīng)驗，現(xiàn)場發(fā)放調查問卷，對各項指標進行現(xiàn)場評分，并以此為依據(jù)計算各指標隸屬度值[6-7]。

2.2.1 評價對象因素集和評語集

根據(jù)文中構建的評價指標體系確定評價對象的因素集，總的因素集 U={u1、u2、u3、u4、us}，依次代表防洪能力、結構安全、滲流安全、金屬結構和運行管理，其相應的單因素評價集依次為 u1={u11、u12、u13}，u2={u21、u22、u23、u24、u25}，u3={u31、u32、u33}、u4={u41、u42、u43}、u5={u51、u52、u53}。

確定評語等級 V={v1、v2、v3、v4、v5}，依次代表安全可靠、基本安全、安全性差、不安全、極不安全等5個級別，每一級別分別對應一個模糊子集。

2.2.2 確定模糊關系矩陣

根據(jù)所確定的等級模糊子集，對評價對象中的每個因素ui（i=1，2……，m）進行量化，進而確定各個評價因素對各等級模糊子集的隸屬度R1，最終得到模糊關系矩陣。

2.2.3 合成模糊評價結果

3 實例應用

3.1 項目區(qū)概況

某水庫地處淮河流域，江淮丘陵地形，水庫總庫容45.2萬m3。水庫主要功能涵蓋防洪、灌溉及水面養(yǎng)殖等，工程規(guī)模為?。?）型，工程等別為Ⅴ等，主要永久性建筑物級別為5級，2010年該水庫進行一次除險加固工程，2017年入汛以后，水庫一直處于高水位運行狀態(tài)，壩腳部分出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，影響大壩的安全運行。

3.2 確定指標權重

根據(jù)文中所構建的大壩安全評價指標體系，基于matlab的矩陣計算功能按照式2.1～2.6所示步驟對各級指標權重進行迭代計算，經(jīng)過8次迭代（計算精度為0.001）求得水庫安全評價各級指標權重如表1所示。

某水庫大壩安全評價指標體系權重表 表1

3.3 模糊關系矩陣R的確定

結合現(xiàn)場專家的水庫運行管理經(jīng)驗，采用問卷調查的形式邀請同行十余位專家對水庫安全評價體系中各項指標進行現(xiàn)場打分，經(jīng)過篩選整理，回收有效問卷10份，根據(jù)現(xiàn)場評分結果匯總得到各評價指標隸屬度關系表。

根據(jù)表2計算結果，推求指標評價體系中防洪能力(u1)、結構安全(u2)、滲流安全(u3)、金屬結構(u4)、運行管理(u5)等二級隸屬度模糊關系矩陣，依次為R1、R2、R3、R4、R5，其中:

某水庫安全評價指標隸屬度關系表 表2

3.4 水庫大壩安全模糊綜合評價

3.4.1 多級指標模糊評價

根據(jù)改進的模糊層次分析法所確定的指標權重W1、W2、W3、W4、W5及二級隸屬度矩陣 R1、R2、R3、R4、R5可分別對水庫大壩安全鑒定的防洪能力、結構安全、滲流安全、金屬結構、運行管理進行多級模糊綜合評價，評價結果如下。

根據(jù)模糊綜合評價最大隸屬度原則，水庫大壩防洪能力、結構安全、滲流安全、金屬結構、運行管理評價等級依次為安全可靠、安全性差、安全可靠、安全可靠、基本安全，評價結果如圖2所示。

3.4.2 綜合評價

根據(jù)文中3.4.1多級指標模糊評價結果，可對水庫安全進行模糊綜合評價，其中綜合評價隸屬度矩

綜合權重 W=（0.251，0.425，0.160，0.102，0.061），據(jù)此可得該水庫大壩安全鑒定結果

從上述模糊評價結果來看，約有34%的專家認為本次水庫大壩安全鑒定評價結果為安全可靠，29.7%的專家認為本次水庫大壩安全鑒定評價結果為基本安全，26.6%的專家認為本次水庫大壩安全鑒定評價結果為安全性差，根據(jù)模糊綜合評價最大隸屬度原則，該水庫大壩安全評定等級為安全可靠。

4 結語

通過水庫安全評價能夠及時發(fā)現(xiàn)水庫運營過程中存在的問題，為水庫的安全運營提供有力的保障。本文基于模糊綜合評價的大壩安全鑒定方法，從防洪、結構、滲流、金屬結構、運行管理等方面系統(tǒng)地對大壩現(xiàn)狀進行分析論證，評價結果真實可靠，符合壩區(qū)運行管理的實際情況，對于國內工程技術人員開展水庫大壩安全鑒定工作具有一定借鑒意義。

圖2 多級指標效果評價