進(jìn)賢縣嚴(yán)橋水閘除險加固效果綜合評價

李 偉

(江西省進(jìn)賢縣水利局，南昌 331700)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，水閘加固工程于2017年底已基本完成，如太浦閘、萬福閘、江都西閘、射陽河閘等，而關(guān)于加固效果還未形成系統(tǒng)、完善的評價體系[1]。從系統(tǒng)工程理論的角度可認(rèn)為，水利工程加固效果評價屬于一個復(fù)雜的具有復(fù)合不確定性的多次層、多因素系統(tǒng)工程。當(dāng)前加固效果評價主要是依據(jù)工程建設(shè)項目與效益增量間的關(guān)系評價其經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，以及采用監(jiān)測反分析、理論計算和數(shù)值模擬等方法對加固整治前后某一性能指標(biāo)的提升程度進(jìn)行科學(xué)評價[2-4]。關(guān)于加固效果的綜合評價側(cè)重于病險水庫大壩工程，涉及水閘工程的評價體系和研究方法尚處于初步階段。

云模型是一種考慮了事物離散性、隨機(jī)性和模糊性特征的能夠?qū)崿F(xiàn)定量與定性轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)方法，在多個領(lǐng)域中已被廣泛的應(yīng)用。水閘加固效果評價的指標(biāo)權(quán)重、基層參數(shù)信息等具有顯著的不確定性，且極差、較差、一般、較好、極佳等加固效果評價等級為一個范圍。鑒于此，結(jié)合水閘加固工程特點(diǎn)和投資項目后評價管理辦法構(gòu)建較為系統(tǒng)、科學(xué)的評價體系，基于云模型理論建立加固效果評語集、權(quán)重和評價結(jié)果云模型，在此基礎(chǔ)上研究其不確定性和模糊性，以期為提高評價結(jié)果的精確性和系統(tǒng)性提供科學(xué)的依據(jù)[5-8]。

1 構(gòu)建評價體系與評價標(biāo)準(zhǔn)

1.1 評價指標(biāo)體系

在遵循可度量、可操作性、獨(dú)立性和代表性等原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)水閘加固工程特點(diǎn)和投資項目后評價管理辦法，從安全鑒定、服役性能、設(shè)計方案、經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)發(fā)展效應(yīng)等方面選擇21個典型指標(biāo)建立評價體系，見表1。

1.2 劃分等級標(biāo)準(zhǔn)

基于基礎(chǔ)層指標(biāo)信息的綜合評價體系，較為常用的確定方法有最大等級隸屬度和加權(quán)綜合評分值確定方法。前者是從基礎(chǔ)層評價指標(biāo)逐層計算對各等級標(biāo)準(zhǔn)的單一隸屬度，研究對象的綜合隸屬度采用加權(quán)匯總法生成，按照最大隸屬度原則確定綜合評價等級；后者則是對各標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值進(jìn)行逐層加權(quán)匯總計算，然后對綜合評價等級依據(jù)擬定的評定標(biāo)準(zhǔn)確定。據(jù)此，文章對水閘加固效果評價擬采用專家打分百分制方案，綜合評分值利用加權(quán)匯總法計算。結(jié)合已有研究成果和工程實踐經(jīng)驗，將評價等級劃分為極差、較差、一般、較好和極佳5個等級，對應(yīng)的評分值依次為[0,60)、[60,70)、[70,80)、[80,90)、[90,100]。

表1 病險水閘加固效果評價體系

2 確定指標(biāo)權(quán)重及評語集

2.1 云模型理論

云模型是以概率統(tǒng)計學(xué)與模糊數(shù)學(xué)為理論依據(jù)，根據(jù)精確數(shù)值與不確定性語言之間的隨機(jī)性、模糊性變化特征，構(gòu)建定量與定性互換模型，在定性描述和定量分析互換處理方面具有較強(qiáng)的實用性。其基本原理為：設(shè)U、C為定量論域及其范圍上的定性概念，C的一次隨機(jī)時間為任意定量值x，x∈U；若滿足一定概率分布的隨機(jī)數(shù)為x對C的隸屬度μ(x)∈[0，1]，即μ：U→[0，1]、?x∈U、x→μ(x)，則論域U上的x稱為云滴，其分布稱為云。對于同一個概念的描述，云模型依據(jù)特征參數(shù)超熵He、熵En和期望Ex實現(xiàn)，分別反映了論域上云滴的厚度、不確定度和中心值。

當(dāng)調(diào)查樣本數(shù)目不足以利用頻度分析法直接生成隸屬度信息時，可對云模型的特征參數(shù)He、En、Ex利用Matlab軟件和無隸屬度信息的逆向云發(fā)生器計算，各組特征參數(shù)對應(yīng)的云模型按照正向云發(fā)生器生成。采用下述公式計算確定逆向云模型的特征參數(shù)，即：

(1)

(2)

(3)

式中：Qj、n為樣本j的指標(biāo)值和調(diào)查樣本總數(shù)。

基礎(chǔ)層評價指標(biāo)信息與水閘加固效果評價結(jié)果密切相關(guān)，在評價過程中主要涉及基礎(chǔ)層評價結(jié)果云與權(quán)重云的計算。通過對特征參數(shù)的計算替代云朵之間的計算，表2為運(yùn)算法則。

表2 云模型運(yùn)算法則

2.2 權(quán)重云模型

通過設(shè)計調(diào)查問卷確定水閘加固效果各指標(biāo)權(quán)重，采用專家打分法收回有效問卷40份，將權(quán)重云模型特征參數(shù)利用歸一化公式處理，結(jié)果見表3。

2.3 評價結(jié)果云模型

水閘加固評價結(jié)果云模型按照所構(gòu)建的評價體系可分為3種，即綜合、一級和二級指標(biāo)結(jié)果云。根據(jù)能否用精確數(shù)值描述的原則將評價指標(biāo)劃分為兩類，即定量計算和定性分析指標(biāo)。通過對加固前、后各指標(biāo)狀態(tài)的比較實現(xiàn)參數(shù)值的量化計算，但分析過程等級標(biāo)準(zhǔn)的劃分缺乏科學(xué)的依據(jù)。對此，文章將水閘加固效果各項指標(biāo)均作為定性參數(shù)，采用專家打分法依據(jù)指標(biāo)內(nèi)涵賦分，將特征參數(shù)利用專家評分和逆向云發(fā)生器確定，由正向云發(fā)生器生成二級指標(biāo)結(jié)果云和可視化云圖。然后依據(jù)云模型運(yùn)算法則和二級評價指標(biāo)結(jié)果云及其權(quán)重云，通過逐層加權(quán)匯總生成綜合評價結(jié)果云。

表3 權(quán)重云模型特征參數(shù)

根據(jù)水閘加固效果評各指標(biāo)權(quán)重云模型的特征參數(shù)，運(yùn)用Matlab軟件生成一級指標(biāo)權(quán)重云，見圖1。

(a)評價指標(biāo)A

(b)評價指標(biāo)B

(c)評價指標(biāo)C

(d)評價指標(biāo)D

(e)評價指標(biāo)E圖1 水閘加固效果評價權(quán)重云模型

2.4 評語集云模型

評價等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)與評語集云模型之間存在密切聯(lián)系，在評價等級區(qū)間已經(jīng)確定的條件下，服從正態(tài)分布的求解公式還要滿足界限約束條件，取He=0.1En。為準(zhǔn)確獲取相鄰邊界的約束值，有必要對不同等級之間的邊界條件進(jìn)行模糊化。相鄰邊界值的隸屬度均為0.5，且分屬于連續(xù)的不同等級，則云模型特征參數(shù)在評價等級i中為：

(4)

(5)

式中：xdli、xuli為水閘加固效果評價第i個等級的下限與上限值。

以水閘加固效果為研究對象，將極差和極佳兩個端部評價等級利用以上云模型參數(shù)求解公式，在計算過程中易出現(xiàn)偏離實際情況的現(xiàn)象，即極佳等級隸屬度由0.5增大至1.0時所對應(yīng)的指標(biāo)分值從100減少至95分。對此，文章設(shè)定100分和50分作為加固效果極佳、極差等級的期望值Ex1、Ex5，相應(yīng)的熵值分別為為En1=(Ex1-xdl1)/(2.335/2)=8.49、En5=(Ex5-xdl5)/(2.335/2)=8.49。綜上分析，確定水閘加固效果評語集的云滴分布特征(圖2)和云模型特征參數(shù)，見表4。

表4 水閘加固效果的評語集云模型特征參數(shù)

水閘加固效果綜合評價結(jié)果依據(jù)云運(yùn)算法則確定，通過比較分析圖1中的評語集云和表4計算結(jié)果獲取最終的評價等級。

圖2 水閘加固評語集云模型

3 實例研究

3.1 工程概況

嚴(yán)橋水閘是一座以排澇、灌溉為主兼有綜合利用的中型水利工程，實際控制流域28.5km2，設(shè)計與實際灌溉面積均為800hm2，最大下泄流量為173m3/s。1960年工程建成投運(yùn)，經(jīng)2005年改造形成當(dāng)前規(guī)模，水閘樞紐主要建筑物包括：1號泄水閘、2號泄水閘，灌溉進(jìn)水口等。根據(jù)水閘設(shè)計規(guī)范和水電工程防洪標(biāo)準(zhǔn)，確定本工程為Ⅲ等。

自建成以來工程服役運(yùn)行52年，主要承擔(dān)著沿途村民生活用水及萬士坑村、下埠鄉(xiāng)下埠林場等800hm2農(nóng)田灌溉用水，為人民安居樂業(yè)和灌區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展發(fā)揮著較大的社會胸衣。為充分發(fā)揮工程效益和確保水閘的安全運(yùn)行，保障國家財產(chǎn)安全和下游居民安全，有必要對進(jìn)賢縣嚴(yán)橋水閘實施除險加固工程。水閘加固的主要工程建設(shè)任務(wù)是：改建1#和2#兩座泄水閘、一座灌溉進(jìn)水閘；加固連接段土堤；更新金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備；新建管理房；進(jìn)閘公路等。通過對進(jìn)賢縣嚴(yán)橋水閘進(jìn)行除險加固，確保效益的充分發(fā)揮和水閘蓄水安全，提高水閘安全性能并消除水閘安全隱患[9,10]。

3.2 特征描述

工程合同工期為2014年11月-2015年4月，工程實際開工時間2014年12月，2015年10月主體工程全部完工，實際施工工期為12個月。根據(jù)評價指標(biāo)體系和水閘加固工程實際情況，確定嚴(yán)橋水閘各指標(biāo)特征見表5。

對嚴(yán)橋水閘除險加固效果邀請7位長期從事水利工程相關(guān)研究且具有高級職稱的專家，依據(jù)以上各指標(biāo)特征描述進(jìn)行打分，基礎(chǔ)層各指標(biāo)結(jié)果云的特征參數(shù)利用逆向云發(fā)生器計算，結(jié)果見表6。根據(jù)表6可知，加固效果評價體系中屬于極佳等級的指標(biāo)有17個，其它4項指標(biāo)的期望值為較好等級；二級指標(biāo)中資源可持續(xù)利用程度的期望值最低為81.35，其原因為拆除的大部分老閘石塊和廢棄混凝土未作為再生骨料加以利用，向外運(yùn)輸引起成本的增大。

表5 嚴(yán)橋水閘加固效果評價指標(biāo)特征

表6 水閘除險加固評價結(jié)果云的特征參數(shù)

根據(jù)云模型運(yùn)算法則和以上計算結(jié)果，將綜合評價結(jié)果云的特征參數(shù)按逐層加權(quán)匯總法計算確定見表6，對比分析評語集云模型和綜合評價結(jié)果云的期望值，見圖3。

圖3 嚴(yán)橋水閘加固效果綜合評價結(jié)果云

從圖3可知：水閘加固效果期望值為92.88，依據(jù)評級等級標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為嚴(yán)橋水閘加固效果達(dá)到極佳水平；在計算過程中超熵He、熵En分別為4.25、12.91，二者存在較大的偏差，85-100為云滴的主要分布區(qū)間，但大量云滴還存在于70-85范圍，可見嚴(yán)橋水閘加固效果評價仍存在很大的不確定性，且能夠?qū)υu價結(jié)果穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的影響，有必要進(jìn)一步分析產(chǎn)生此不確定性的原因。

依據(jù)水閘除險效果評價過程和云模型理論，基層評價指標(biāo)打分結(jié)果和權(quán)重的不確定性為引起綜合評價結(jié)果不確定性的主要因素，且與兩者的加法、乘法運(yùn)算的不確定相關(guān)，通過敏感性分析探討了以上兩種不確定性的傳播效應(yīng)。詳細(xì)流程為：將He、En特征參數(shù)在基層指標(biāo)結(jié)果云和權(quán)重云折減，以0.2同時與各參數(shù)權(quán)重的He、En相乘，評價結(jié)果見表8。

表8 加固效果評價不確定性的敏感性分析

研究表明：加固效果評價結(jié)果受基層指標(biāo)打分的影響程度較低，而與權(quán)重的不確定性之間存在緊密的聯(lián)系。另外，水閘加固效果評價體系各指標(biāo)權(quán)重也具有普遍的適用性；對于具體的加固整治項目，邀請專家對基礎(chǔ)層評價指標(biāo)打分時難免出現(xiàn)不確定性的問題，且專家組成員有限。對此，綜合考慮較多專家意見合理擬定指標(biāo)權(quán)重，從而降低不確定性對權(quán)重計算的影響，利用不確定性較小或定值權(quán)重較大的值降低綜合評價結(jié)果的不確定性。

4 結(jié) 論

水閘加固效果評價存在許多不確定性和模糊性因素，提出能夠較好反映基層數(shù)據(jù)信息獲取和權(quán)重計算不確定性的云模型綜合評價方法，各類不確定性在綜合評價過程中的傳播效應(yīng)利用可量化的超熵、熵值表征。根據(jù)穩(wěn)定性好、可靠性高的評價結(jié)果，對水閘加固效果做出客觀、準(zhǔn)確的綜合判斷。工程實例表明，在水閘加固效果評價中基于云模型理論的評價方法具有較強(qiáng)的適用性與有效性，提出的云模型和評價指標(biāo)體系可用于其他類似水利工程。加固效果綜合評價受權(quán)重的不確定性影響較大，基于專家組打分確定的基礎(chǔ)層評價指標(biāo)不確定性影響較低，在水閘加固效果評價中應(yīng)廣泛聽取多位專家意見，從而確定普遍適用的指標(biāo)權(quán)重和評價體系，以便減弱評審專家較少時對單個工程評價的不確定影響。