基于廣義集對(duì)分析法的潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)

李宗坤 李娟娟 葛巍 李巍

摘要：針對(duì)集對(duì)分析法存在的同、異、反評(píng)語(yǔ)粗略問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，聯(lián)系度由3級(jí)推廣到5級(jí)，進(jìn)而建立了基于廣義集對(duì)分析法的潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)模型。將該模型用于沙河集水庫(kù)的潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)，與傳統(tǒng)的集對(duì)分析法、模糊數(shù)學(xué)理論模型評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較，表明基于廣義集對(duì)分析法的評(píng)價(jià)結(jié)果更為合理，更貼近研究對(duì)象的實(shí)際情況，為水庫(kù)大壩潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供了一種更為可靠且操作簡(jiǎn)單的方法，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：潰壩;環(huán)境影響;聯(lián)系度;廣義集對(duì)分析;評(píng)價(jià)模型

中圖分類號(hào)：TV698.2+37

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn. 1000- 1379.2019.05.022

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水庫(kù)大壩下游用于改善環(huán)境及公共事業(yè)的投資不斷增加，預(yù)警和應(yīng)急能力得到提升，同時(shí)大壩一旦失事造成的潰壩環(huán)境影響后果愈加顯著，社會(huì)將更加難以承受[1-3]。因此，在“以人為本”“構(gòu)建和諧社會(huì)”的背景下，開(kāi)展?jié)苇h(huán)境影響評(píng)價(jià)研究非常必要。有關(guān)學(xué)者[4-6]對(duì)潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)進(jìn)行了初步探討，但已開(kāi)展的研究多是將社會(huì)、環(huán)境影響作為一個(gè)整體進(jìn)行評(píng)價(jià)。潰壩環(huán)境評(píng)價(jià)是一個(gè)涉及眾多影響因素且存在大量不確定性因素的系統(tǒng)，而集對(duì)分析方法是一種處理不確定性問(wèn)題的系統(tǒng)分析方法，目前已在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果[7-10]，因此可以將集對(duì)分析方法用于潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)。但是，傳統(tǒng)集對(duì)分析方法存在同、異、反評(píng)語(yǔ)粗略問(wèn)題和評(píng)價(jià)結(jié)果失真問(wèn)題，為此，本研究利用原創(chuàng)聯(lián)系度可拓展性并引入廣義集對(duì)勢(shì)理論對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的精確度，并用于水庫(kù)大壩潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

1 傳統(tǒng)集對(duì)分析原理

集對(duì)分析理論由我國(guó)學(xué)者趙克勤[11]首次提出，其核心思想是首先對(duì)具有一定聯(lián)系的兩個(gè)集合構(gòu)建集對(duì)，進(jìn)而對(duì)集對(duì)的特性進(jìn)行同一、差異、對(duì)立的系統(tǒng)分析，然后用同、異、反聯(lián)系度μ表達(dá)式定量刻畫兩集合的聯(lián)系程度。對(duì)于兩個(gè)給定的集合組成的集對(duì)H=（A，B），在某個(gè)具體問(wèn)題背景下，對(duì)集對(duì)H的N個(gè)特性展開(kāi)分析，其中：有S個(gè)特性為集合A和B共同具有的，有P個(gè)特性為兩個(gè)集合對(duì)立的，其余的F=N-S-P個(gè)特性既不相互對(duì)立又不共同具有。聯(lián)系度表達(dá)式為式中：μ為聯(lián)系度，可以全面、系統(tǒng)地刻畫兩個(gè)集合之間的同、異、反聯(lián)系，故也稱為同、異、反聯(lián)系度;a、b、c稱為聯(lián)系度系數(shù)，分別表示集對(duì)分析的同一度、差異度和對(duì)立度，a、b、c取值范圍為[0，1]且滿足約束條件a+b+c=1，a、c相對(duì)確定，b相對(duì)不確定;i為差異標(biāo)記符號(hào)或相應(yīng)系數(shù)，i∈[ -1，l];j為對(duì)立標(biāo)記符號(hào)或相應(yīng)系數(shù)，j=一1。

2 基于廣義集對(duì)分析方法的評(píng)價(jià)模型

2.1 傳統(tǒng)集對(duì)分析方法的改進(jìn)

建立評(píng)價(jià)模型的關(guān)鍵是確定集對(duì)的聯(lián)系度。傳統(tǒng)集對(duì)分析法的基本思想是：若評(píng)價(jià)樣本落人某評(píng)價(jià)等級(jí)則體現(xiàn)同一度，聯(lián)系度取值為1：落人與其相隔等級(jí)則體現(xiàn)對(duì)立度，聯(lián)系度為-1;落人與其相鄰等級(jí)則體現(xiàn)差異度。當(dāng)評(píng)價(jià)樣本落人相鄰等級(jí)時(shí)，可能在評(píng)價(jià)等級(jí)優(yōu)越一邊，也可能在評(píng)價(jià)等級(jí)劣差一邊，兩種評(píng)價(jià)結(jié)果有較大差異，這使得傳統(tǒng)集對(duì)分析的評(píng)語(yǔ)不夠細(xì)化，給細(xì)致準(zhǔn)確判定評(píng)價(jià)樣本帶來(lái)了困難。為此，利用原創(chuàng)聯(lián)系度可拓展性對(duì)傳統(tǒng)集對(duì)分析方法進(jìn)行改進(jìn)，即對(duì)差異度、對(duì)立度系數(shù)作更深層次的刻畫，建立5級(jí)聯(lián)系度表達(dá)式。

2.2 聯(lián)系度的確定

本研究采用距離貼近度的方法來(lái)確定聯(lián)系度系數(shù)a、b1、b2、c1、c2的值[12]。若指標(biāo)值處于評(píng)價(jià)等級(jí)，則a=1，其他系數(shù)均為0;若指標(biāo)值處于評(píng)價(jià)等級(jí)的相鄰等級(jí)，則越靠近評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。越大，反之b1、b2、c1、C2越大，且若在評(píng)價(jià)等級(jí)優(yōu)越一邊，則越靠近相鄰等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)a越大、b1越小，反之則a越小、b1越大;若指標(biāo)值處于相鄰的等級(jí)且在評(píng)價(jià)等級(jí)劣差一邊，則越靠近相鄰等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)a越大、b2越小，反之則a越小、b2越大;若指標(biāo)值處于評(píng)價(jià)等級(jí)的相隔等級(jí)，且在評(píng)價(jià)等級(jí)優(yōu)越一邊，則越靠近評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)a、b1越大，c1越小;若指標(biāo)值處于評(píng)價(jià)等級(jí)的相隔等級(jí)，且在評(píng)價(jià)等級(jí)劣差一邊，則越靠近評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)a、b2越大，c2越小。

根據(jù)以上改進(jìn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的聯(lián)系度計(jì)算方法如下：

式（9）在實(shí)際應(yīng)用中存在以下問(wèn)題：①集對(duì)勢(shì)無(wú)法處理c=0的情況，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性：②判定結(jié)果可能出現(xiàn)與集對(duì)勢(shì)分級(jí)相矛盾的失真現(xiàn)象。如：有兩個(gè)系統(tǒng)，聯(lián)系度分別為μ1=0. 10+0. 89i+0. Olj與μ2= 0.88+O.Oli+0. llj，根據(jù)集對(duì)勢(shì)定義按式（9）計(jì)算，可得SHI（μ1）=10> SH/（μ2）=8，即1的同勢(shì)程度要大于2的同勢(shì)程度，而根據(jù)集對(duì)勢(shì)等級(jí)表可知，1屬于同勢(shì)四級(jí)微同勢(shì)，2屬于同勢(shì)二級(jí)強(qiáng)同勢(shì)，即1的同勢(shì)程度小于2的同勢(shì)程度，兩種判定方法結(jié)果完全相反[13]。

基于上述分析，為了解決傳統(tǒng)集對(duì)分析方法存在的問(wèn)題，采用如下廣義集對(duì)勢(shì)：

可見(jiàn)，置信度準(zhǔn)則是從“強(qiáng)”的角度考慮的，即認(rèn)為越“強(qiáng)”越好，而且“強(qiáng)”的類應(yīng)占相當(dāng)大的比例。

3 可靠性驗(yàn)證

以文獻(xiàn)[6]中沙河集水庫(kù)為例，對(duì)上述改進(jìn)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 評(píng)價(jià)因素

水庫(kù)潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)是根據(jù)水庫(kù)潰壩的主要影響特征，選定典型指標(biāo)反映水庫(kù)大壩一旦潰決時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境影響。在水庫(kù)潰壩社會(huì)及環(huán)境影響已有研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)科學(xué)、典型、綜合、系統(tǒng)、實(shí)用、定性與定量相結(jié)合等原則，選取河道形態(tài)、水環(huán)境、土壤環(huán)境、植被覆蓋、生物多樣性、人文生態(tài)環(huán)境、污染工業(yè)等7項(xiàng)指標(biāo)[4-5]來(lái)評(píng)價(jià)水庫(kù)潰壩環(huán)境影響。其中：河道形態(tài)和植被覆蓋屬于定量指標(biāo)，河道形態(tài)可通過(guò)計(jì)算單位長(zhǎng)度單位寬度的沖刷或淤積量來(lái)確定，植被覆蓋可以用土地受損率與重要性進(jìn)行表征;水環(huán)境、土壤環(huán)境、生物多樣性、人文生態(tài)環(huán)境、污染工業(yè)這5項(xiàng)指標(biāo)難以直接定量計(jì)算，主要根據(jù)損毀規(guī)模、損毀程度和損毀對(duì)象的相對(duì)重要性，由專家進(jìn)行評(píng)判，屬于定性指標(biāo)。

評(píng)價(jià)指標(biāo)中既有定量指標(biāo)也有定性指標(biāo)，按潰壩環(huán)境影響嚴(yán)重程度將各評(píng)價(jià)指標(biāo)分為輕微、一般、中等、嚴(yán)重和極其嚴(yán)重5個(gè)等級(jí)。結(jié)合調(diào)查資料和相關(guān)文獻(xiàn)[4-6]確定了水庫(kù)潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分及取值范圍見(jiàn)表1。

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

對(duì)于定性指標(biāo)，結(jié)合沙河集水庫(kù)大壩下游環(huán)境的損毀規(guī)模、程度和相對(duì)重要性等，專家根據(jù)表1進(jìn)行綜合評(píng)分：對(duì)于定量指標(biāo)，河道形態(tài)通過(guò)計(jì)算“單位長(zhǎng)度單位寬度沖刷或淤積量”得到，植被覆蓋根據(jù)“不同土地利用方式的權(quán)重及受損面積”綜合計(jì)算得到。各評(píng)價(jià)指標(biāo)值見(jiàn)表2。

3.3 聯(lián)系度計(jì)算

將表2中的指標(biāo)值代人式（3） -式（7），確定評(píng)價(jià)指標(biāo)與各評(píng)價(jià)等級(jí)之間的聯(lián)系度，見(jiàn)表3。

通過(guò)專家打分、構(gòu)造判斷矩陣、重要性排序和一致性檢驗(yàn)等，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量為W=[ 0.068，0.260， 0.500， 0.078， 0.052， 0.017， 0.025]。根據(jù)式（8），求得綜合聯(lián)系度向量為

3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果判定

由式（10）計(jì)算得到沙河集水庫(kù)對(duì)應(yīng)5個(gè)等級(jí)的廣義集對(duì)勢(shì)向量，進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見(jiàn)表4。采用置信度準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，得到沙河集水庫(kù)潰壩環(huán)境影響等級(jí)為“嚴(yán)重”。

為了驗(yàn)證該模型的有效性，將該模型的評(píng)價(jià)結(jié)果與傳統(tǒng)的集對(duì)分析法、文獻(xiàn)[6]中的模糊數(shù)學(xué)理論評(píng)價(jià)結(jié)果（見(jiàn)表5）進(jìn)行比較。

（1）按照傳統(tǒng)的集對(duì)分析法無(wú)法對(duì)潰壩環(huán)境影響等級(jí)進(jìn)行判斷，原因是傳統(tǒng)集對(duì)分析法無(wú)法判斷c=0的情況，而評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)“嚴(yán)重”的綜合聯(lián)系度向量中出現(xiàn)c1=c2=0的情況，使得評(píng)價(jià)結(jié)果失真。而改進(jìn)的廣義集對(duì)分析法針對(duì)這一不足，用廣義集對(duì)勢(shì)進(jìn)行改進(jìn)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理，應(yīng)用范圍更為廣泛。

（2）改進(jìn)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果是“嚴(yán)重”，模糊數(shù)學(xué)理論評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果是“極其嚴(yán)重”，相差一個(gè)等級(jí)，主要原因是模糊數(shù)學(xué)理論的判斷準(zhǔn)則是最大隸屬度原則。如果運(yùn)用最大隸屬度原則進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文模型的評(píng)價(jià)結(jié)果也為“極其嚴(yán)重”等級(jí)，但這兩個(gè)等級(jí)的隸屬度非常相近，例如本文模型“嚴(yán)重”和“極其嚴(yán)重”兩等級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)值分別為2.003和2.037，模糊數(shù)學(xué)理論兩等級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)值分別為0.301和0.379，這在一定程度上影響了評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性，使得管理者難以決策。最大隸屬度原則只能確定對(duì)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的趨同度，未綜合考慮樣本對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)的聯(lián)系程度，可能存在判斷失真的問(wèn)題。因此，本文模型運(yùn)用置信度作為最終等級(jí)判斷的依據(jù)更加客觀、準(zhǔn)確，與實(shí)際情況更為貼近，在對(duì)潰壩環(huán)境影響等級(jí)判定時(shí)有較強(qiáng)的指導(dǎo)性，便于管理者進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策。

4 結(jié)論

潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)對(duì)于大壩風(fēng)險(xiǎn)管理具有重要意義。集對(duì)分析作為處理不確定問(wèn)題的系統(tǒng)理論方法適用于潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)。利用原創(chuàng)聯(lián)系度的可拓展性對(duì)傳統(tǒng)集對(duì)分析方法進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)異、反系數(shù)的刻畫更為細(xì)致，將聯(lián)系度推廣到5級(jí)，引入廣義集對(duì)勢(shì)來(lái)判定評(píng)價(jià)等級(jí)，克服了原集對(duì)勢(shì)定義在實(shí)際應(yīng)用中存在的局限性和判定結(jié)果失真問(wèn)題，并運(yùn)用置信度準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)判，使判定結(jié)果更為合理可靠。將本文建立的潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)模型用于沙河集水庫(kù)潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)，并與其他方法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較，表明本文方法的評(píng)價(jià)結(jié)果更為合理，更貼近研究對(duì)象的實(shí)際情況，為水庫(kù)大壩潰壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供了一種更為可靠且操作簡(jiǎn)單的方法，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[l] 李宗坤，葛巍，王娟，等，中國(guó)大壩安全管理與風(fēng)險(xiǎn)管理的戰(zhàn)略思考[J].水科學(xué)進(jìn)展，2015，26（4）：589-595.

[2] 周克發(fā)，李雷.基于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的潰壩洪水損失動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2008，17（增刊1）：145-148.

[3]

CE W， LIZ，LIANG R Y， et al.Methodology for EstablishingRisk Criteria for Dams in Developing Countries， Case Study ofChina[J]. Water Resources Management， 2017， 31（ 13）：4063-4074.

[4] 王仁鐘，李雷，盛金保，水庫(kù)大壩的社會(huì)與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn) 研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，6（1）：8-11.

[5]何曉燕，孫丹丹，黃金池，大壩潰決社會(huì)及環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（11）：1752-1757.

[6]程莉，周晶，基于模糊數(shù)學(xué)理論的潰壩環(huán)境影響分析[J].價(jià)值工程，2013，32（ 15）：290-292.

[7] SU M R， YANC Z F，CHEN B， et al.Urban EcosystemHealth Assessment Based on Emergy and Set Pair Analysis：Acomparative Study of Typical Chinese Cities[J].EcologicalModelling， 2009， 220（ 18）：2341-2348.

[8] 鄭小武，劉立，基于集對(duì)分析的土石壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].人民黃河，2013，35（ 11）：93-95.

[9]

JIANC D Y， PENC H H， ZHAO L J，et al.Application ofSet Pair Analysis Method Based on Entropy Weight to theStability Evaluation of Salt Rock Cas Storage[J].Joumal ofNortheastern University， 2017，38（2）：284-289.

[10] 杜明亮，吳彬，張宏，等，改進(jìn)權(quán)重集對(duì)分析法在準(zhǔn)東水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].人民黃河，2014，36（4）：62-64.

[11]趙克勤，集對(duì)分析及其初步應(yīng)用[M].杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2000：1-12.

[12] 魏明華，鄭志宏，黃強(qiáng)，等，基于改進(jìn)SPA法的地下水環(huán)境模糊綜合評(píng)判[J].水利學(xué)報(bào)，2009，40（10）：1204-1209.

[13]李德順，基于廣義集對(duì)分析的系統(tǒng)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2010：5-35.