基于DSR-可拓云的滲流安全綜合評價研究

王曉玲，戴林瀚，呂?鵬，王?成，程正飛

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基于DSR-可拓云的滲流安全綜合評價研究

王曉玲，戴林瀚，呂?鵬，王?成，程正飛

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

大壩滲流性態(tài)是評估大壩是否安全穩(wěn)定的關鍵．現(xiàn)有的混凝土重力壩滲流安全研究大多僅采用滲流安全監(jiān)測指標進行滲流安全評價，忽略了環(huán)境因素和指標之間的相關性對滲流評價結果的影響，并且未能考慮滲流評價過程中由于等級分界與數(shù)據(jù)獲取存在的不確定性．本研究建立了滲流安全評價驅動力-狀態(tài)-相關性的DSR指標體系，提出了考慮不確定性影響的混凝土重力壩滲流安全評價模型，該模型的建立包括以下內容：①采用可拓云模型處理滲流安全評價等級分級邊界的模糊性和參數(shù)計算過程中的隨機性．該模型不僅可以得到滿意的綜合評估結果，而且能夠給出評估結果的可信度信息，模型算法簡單、適應性較強；②采用DSR指標模型建立了能夠綜合考慮滲流安全的環(huán)境影響因素及與混凝土重力壩工程需求相匹配的、多種性能指標并重的滲流安全評價指標體系；③采用影響矩陣與相關系數(shù)賦權法相結合的主客觀綜合賦權法，以減少在評價過程中指標重復計算帶來的影響．利用該模型對某混凝土重力壩的滲流安全進行評價，并與其他方法進行對比分析證明了該方法的有效性與優(yōu)越性．

滲流安全評價；DSR模型；相關性；可拓云；不確定性

大壩滲流性態(tài)是影響大壩安全的重要因素之一．混凝土重力壩的滲流性態(tài)一般采用滲流量以及滲壓等監(jiān)測指標來表征，這些指標數(shù)據(jù)可由安裝在壩體內部的監(jiān)測儀器來獲取[1]，研究人員通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理分析可以對混凝土重力壩滲流性態(tài)進行評價．Sj?dahl等[2]通過電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)對土石壩滲流安全進行了定性評價．Uromeihy等[3]對Chapar-Abad大壩的地基工程地質性質進行了研究，通過對巖石單元節(jié)理系統(tǒng)進行分析，評價了水滲流的可能性，并利用數(shù)值模擬分析地表滲流來評價大壩滲流．此類評價模型缺點在于得到的結果過于片面，未能系統(tǒng)地對大壩滲流性態(tài)進行評價，而且由于監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性難以保障，在數(shù)據(jù)缺少的時期不能夠實現(xiàn)有效的評價．

目前許多研究提出了滲流安全的綜合評價模型：何金平等[4]以大壩安全監(jiān)測資料為基礎，建立了大壩安全可拓學綜合評價模型；曹曉玲等[5]根據(jù)向量相似度的基本原理計算了各評價指標的權重，并且由各指標的期望值與其對應的權重建立了綜合評價模型.付修慶等[6]構造了大壩滲流評價的物元可拓評價模型，并將傳統(tǒng)的基于最大隸屬度的評價方法改進為基于最大貼進度、最大對比度的可拓評價方法．滲流綜合評價模型能對大壩滲流安全作出較為系統(tǒng)的評價，但往往忽視了在評價過程中存在的不確定性問題.梅一韜等[7]利用可拓理論將定性與定量分析有機結合，并引入熵權法建立了基于熵權的模糊可拓評價模型對混凝土重力壩滲流性態(tài)進行評價；蘇懷智等[8]構建了混凝土壩滲流性態(tài)的集對分析模型，并通過同、異、反3方面的綜合分析，實現(xiàn)了混凝土壩滲流性態(tài)的現(xiàn)狀評價和發(fā)展趨勢預測；韓立煒等[9]研究了滲流評價中的不確定性，以云模型方法為基礎建立了滲流不確定性動態(tài)評價模型，為土石壩滲流安全評價提供了一種新的方法和思路．以上滲流評價模型均采用較為簡單的滲流評價指標體系，未能全面考慮評價過程中等級分級邊界的模糊性以及通過監(jiān)測儀器獲取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)定量過程中產(chǎn)生的隨機性等不確定性，均采用較為簡單的指標體系．在實際工程中，環(huán)境因素如降雨、溫度、水位等對混凝土重力壩滲流性態(tài)的影響也是不容忽視的，同時監(jiān)測指標之間的相關性也是表征大壩滲流安全性態(tài)的指標之一．評價指標的增加使得分析問題更加復雜，由于指標均是對滲流安全的反映，故在一定程度上具有相關關系，使得各指標反映的信息具有重復性，從而會對評價結果的準確性產(chǎn)生一定的影響；因此，需要建立一個能夠考慮環(huán)境因素與指標間相關性的混凝土重力壩滲流評價指標體系以及考慮不確定性的滲流評價模型，以完善滲流評價的結果．

針對上述問題，本文開展考慮環(huán)境因素與指標間相關性以及不確定性影響下的混凝土重力壩滲流評價研究．需要解決3個問題：①如何建立考慮不確定性的滲流安全綜合評價模型；②如何建立考慮環(huán)境因素與指標間相關關系的滲流評價指標體系；③如何處理指標間相關性帶來的權重計算過程中指標重復計算的問題．

針對3個問題提出以下研究思路．首先基于問題①，采用可拓云評價方法對滲流評價過程中的模糊性與隨機性進行處理，全面考慮滲流安全評價等級分級邊界的模糊性和計算過程中參數(shù)求解的隨機性，利用云模型的不確定推理特性和可拓學中的物元理論兼具定性、定量分析的優(yōu)點，提出基于可拓云理論的滲流安全評價模型．其次針對問題②，提出采用DSR指標框架建立考慮環(huán)境因素與指標間相關關系的滲流評價指標體系，DSR框架模型是在1996年由聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展委員會為了提供一系列的一致性指標和評估可持續(xù)能源未來的進展情況而制定的，由驅動力、狀態(tài)、響應3部分構成[10]，這里將監(jiān)測量相關性定義為響應指標；然后針對問題③，采用基于影響矩陣的主觀權重與基于相關系數(shù)的客觀權重相結合的權重確定方法[11]，將指標間的相關性以定量的方式確定．最后，對某混凝土重力壩進行滲流安全評價，其結果表明本研究能夠在考慮環(huán)境因素與指標間相關性以及不確定性影響下的基礎上，對混凝土重力壩壩體部位滲流安全做出合理評價，并驗證了該方法的有效性．

1?研究構架

基于DSR指標框架建立評價指標體系，在考慮等級分級邊界的模糊性及數(shù)據(jù)獲取與定量的隨機性等不確定性影響的條件下，對混凝土重力壩滲流安全進行動態(tài)評價，包括指標體系的建立、指標權重的確定和評價模型的建立，模型如圖1所示．

第1步，通過安裝在壩區(qū)的安全監(jiān)測儀器和整理壩區(qū)水文氣象資料等方式獲取指標數(shù)據(jù)，并基于DSR指標框架建立評價指標體系．滲流安全評價指標體系分為3個層次：第1層為評價目標層，即混凝土重力壩滲流安全；第2層為評價準則層，包括環(huán)境驅動力、監(jiān)測量狀態(tài)和監(jiān)測量相關性3部分；第3層為評價要素層，包括驅動力指標(降雨、溫度、上下游水位)、監(jiān)測量指標(滲透壓力、滲流量)和相關性指標(滲流量與滲壓相關關系、滲壓變化率、滲流量變化率)．

第2步，建立基于可拓云模型的滲流安全評價模型，考慮滲流安全分級界限值的模糊性，將云模型融入物元分析理論，以改進物元結構．同時采用影響矩陣與相關系數(shù)賦權法相結合的主客觀綜合賦權法，使得滲流評價各項指標權重的確定既體現(xiàn)了決策者的主觀意志又避免了隨意性．

第3步，將研究方法應用于實際工程，實現(xiàn)對混凝土重力壩滲流安全的動態(tài)評價，并通過對比分析驗證模型的有效性．

圖1?研究構架

2?滲流安全評價模型與方法

2.1?基于DSR指標框架的滲流評價指標體系

圖2?混凝土重力壩滲流安全評價指標體系

2.2?考慮指標相關性的綜合權重

在已有的關于大壩滲流安全評價指標權重的研究中，較少考慮到指標間存在的相關性對權重的影響，由于指標相關性大，因此會帶來評價過程中重復計算的問題[12]，這導致權重的確定存在一定的不合理性．權重是否合理，是否符合實際，將直接關系到大壩滲流安全評價的可靠性和科學性[13]．本研究針對指標間相關性對指標權重進行優(yōu)化，采用基于影響矩陣的主觀權重與基于相關系數(shù)的客觀權重相結合的權重確定方法，將指標間的相關性以定量的方式確定，并轉化為權重．

2.2.1?主觀權重的確定

主觀權重的確定最常用的方法為層次分析法[14]，通過構建指標間的判斷矩陣來衡量指標重要性程度，但是該方法往往忽視了指標間相關性的影響．基于此構建了指標間的影響矩陣，并且引入了梯形模糊數(shù)用來表征專家信息，具體過程如下．

根據(jù)指標間影響程度不同，構建相應影響矩陣為

表1?標度法及其含義

Tab.1?Scale method and its meaning

2.2.2?客觀權重的確定

客觀權重采用相關系數(shù)賦權法進行確定，利用可以表征多種不確定性的可能性分布描述各指標信息.

(1) 利用評價指標數(shù)據(jù)的可能性分布構造法，將評價指標信息轉化為三角可能性分布．

(2) 計算指標間相關系數(shù)．

2.2.3?綜合權重的確定

求得主客觀權重后，綜合權重為

2.3?基于可拓云模型的滲流安全評價模型

2.3.1?可拓云理論

2.3.2?基于可拓云理論的滲流評價計算步驟

1) 確定安全等級界限云模型

最后，通過以上方法得到各評價指標的標準正態(tài)云模型，即安全等級界限云模型，見表3．

2) 確定可拓云模型云關聯(lián)度

表2?滲流安全評價指標等級界限值

Tab.2?Grade boundary value of seepage safety evaluation index

表3?安全等級界限云模型

Tab.3?Cloud model of security level boundary

圖3?滲透壓力評價云圖

通過式(12)可計算出待評物元與評估指標安全等級標準正態(tài)云之間的云關聯(lián)度，并組成綜合評判矩陣，即

3) 確定滲流安全評價等級

首先計算綜合評判向量為

式中：為綜合權重向量；為綜合評判矩陣．

其次確定待評事物評分，利用加權平均法得出綜合評判分數(shù)為

需要注意的是，由式(12)可知在求解云關聯(lián)度的過程中存在隨機性，故需多次求解以盡量減少隨機因素的影響[20]．經(jīng)多次運算得出綜合評判分數(shù)的期望值和熵為

3?工程應用

以西南某一大型混凝土重力壩工程為例．通過統(tǒng)計分析及專家評分整理得到其2013年10月某段時間的指標規(guī)格化數(shù)據(jù)，同時各指標的主客觀權重由上述影響矩陣-相關系數(shù)賦權法計算得出．如表4?所示．

表4?某混凝土重力壩評價指標值

Tab.4?Evaluation index value of a concrete gravity dam

對滲流評價體系中各指標進行Pearson相關性分析，結果如圖4所示．圖中圓圈越大代表指標間相關性越強．如降雨指標與溫度和滲流量變化率成負相關，與其他指標均成正相關，考慮到降雨越大，溫度越低，且水位越高，因此該分析結果符合實際情況．

圖4?Pearson相關性分析

根據(jù)表4中的指標值以及主客觀權重結果，利用C#語言編制的可拓云滲流安全評價程序進行安全等級評價計算．

表5?某混凝土重力壩滲流安全評價結果

Tab.5 Evaluationresult of seepage safety of a concrete gravity dam

圖5?評價結果云圖

將評價結果繪制成相應曲線圖，如圖6所示．根據(jù)圖中曲線結果可以看出，除了10月9日滲流安全等級稍微超過安全等級外，10月6日—10月11日其他時間滲流安全等級均在正常標準以內，而10月12日—14日滲流處于較危險狀態(tài)，隨著時間推移該危險情況有好轉趨勢．

將可拓云評價結果與可拓評價方法[21]、模糊綜合評價法[22]和集對分析方法[23]的評價結果進行對比分析如表5所示，得出的結論總結如下．

(1) 一般情況下，各種方法的評價結果理論上基本是一致的．從結果來看，10月6日、10日和14日評價結果完全相同．除了10月8日評價結果具有3種情況，其他日期評價結果均不超過兩種以上．此外，可拓云評價方法與其他方法單獨比較結果均比較接近．與可拓評價結果相比有80%,結果是相同的，與模糊綜合評價結果和集對分析評價結果相比有70%,結果是相同的．這表明了可拓云評價方法與其他方法具有高度的一致性．根據(jù)幾種方法的評價結果綜合可以得到，10月7日的評價結果處于I級的最多；10月6日、8日、10日、11日、15日評價結果處于Ⅱ級的最多；10月9日、12日和14日評價結果處于Ⅲ級的最多、10月13日評價結果處于Ⅳ級的最多．以上的評價結果與可拓云模型單獨的評價結果完全吻合，表明了可拓云評價方法評價結果相較于其他評價方法的結果具有更高的代表性．

圖6?滲流安全評價結果

4?結?語

混凝土重力壩的滲流安全評價是混凝土重力壩安全運行的重要保障，本文在考慮將滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)作為滲流評價指標的基礎上，提出了能夠綜合考慮環(huán)境因素與指標間相關性的混凝土重力壩滲流評價指標體系，并在考慮評價過程中等級分級邊界的模糊性以及通過監(jiān)測儀器獲取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)定量過程中產(chǎn)生的隨機性等不確定性條件下，建立了混凝土重力壩滲流安全評價模型．首先，采用可拓云評價方法對滲流評價過程中的不確定性進行處理，提出基于可拓云理論的滲流安全評價模型；其次，采用DSR指標框架建立了多角度、多層次的滲流評價指標體系；然后，采用基于影響矩陣的主觀權重與基于相關系數(shù)的客觀權重相結合的權重確定方法，很好地處理了指標相關性帶來的重復計算的問題，使得權重值更符合實際．最后，對某混凝土重力壩進行滲流安全評價，結果表明本研究在考慮環(huán)境因素與指標間相關關系以及不確定性影響下的基礎上，能夠對混凝土重力壩滲流安全做出合理評價，且評價方法較其他方法更為合理有效．同時該方法易于操作和實施，且適用性強．

需要注意的是，大壩滲流安全評價指標體系是十分復雜的問題，也是針對性很強的問題．不同的大壩，因其結構特點不同，滲流安全監(jiān)測指標的構成必然有所不同．本研究針對混凝土重力壩的相關結構特點提出的滲流評價指標體系，隨著混凝土重力壩滲流安全評價課題研究的深入，這一評價體系還應在實踐中不斷檢驗、補充和完善．

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Study on Comprehensive Evaluation Model of Seepage Safety Based on DSR-Extension Cloud

Wang Xiaoling，Dai Linhan，Lü Peng，Wang Cheng，Cheng Zhengfei

(State Key Laboratory of Civil Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The seepage safety of dam is the key to evaluate the safety and stability of dam．Most of the existed researches evaluate the seepage safety according to the seepage monitoring data，ignoring the effect of environment factor and the correlation between the indices．At the same time the uncertainty of classification and data acquisition in the process of seepage evaluation is not considered．In this study，the DSR index system was established for seepage safety evaluation，and a seepage safety evaluation model of concrete gravity dam considering uncertainty was put forward．This model includes the following parts. ①The extension cloud model is used to deal with the fuzziness of the boundary of seepage safety evaluation grade and the randomness of parameters in the calculation process．This model can not only get satisfactory comprehensive evaluation results，but also give credibility information of evaluation results．The algorithm is simple，adaptable and easy to program. ②The DSR index model is used to establish the seepage safety evaluation index system which is matched with the requirements of concrete gravity dam and with a variety of performance indicators．Theenvironmental factors influencing the seepage safety are comprehensively considered. ③The subjective and objective comprehensive weighting method combined with influence matrix and correlation coefficient weighting method is adopted to reduce the influence of repeated calculation of indices in the evaluation process．The model is applied to evaluate the seepage safety of a concrete gravity dam and the effectiveness and superiority of the method is proved compared with other methods.

seepage safety evaluation；DSR model；correlation；extension cloud model；uncertainty

TV642.3

A

0493-2137(2019)01-0052-10

2018-02-12；

2018-04-04.

王曉玲（1968—??），女，教授，博士生導師.

王曉玲，wangxl@tju.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(51439005，51339003)；國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金資助項目(51621092)．

the National Natural Science Foundation of China(No. 51439005 and No. 51339003)，the Science Fund for Creative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China(No. 51621092)．

10.11784/tdxbz201802022

(責任編輯：王曉燕)