莊河市英那河堤防工程安全綜合評價

梁德帥

(莊河市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院，遼寧 莊河 116400)

0 引 言

堤防工程是保障社會發(fā)展和國家經(jīng)濟(jì)的生命線，在保護(hù)河道生態(tài)環(huán)境、保障人民財(cái)產(chǎn)安全和抵御洪水災(zāi)害等方面發(fā)揮著不可替代的作用。然而，堤防工程因受外界環(huán)境條件、堤基、堤身等條件限制，一旦發(fā)生潰堤、漫堤等災(zāi)害將直接導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的后果。因此對防洪堤災(zāi)害風(fēng)險、安全狀況的科學(xué)評價，對于保證水利設(shè)施效應(yīng)的正常發(fā)揮和河道防洪安全具有重要意義。目前，在堤防安全評價方面國內(nèi)外諸多學(xué)者從多個方面開展了研究分析，依據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況和堤防自身特點(diǎn)構(gòu)建了相應(yīng)的評判體系。關(guān)于堤防安全評價國內(nèi)主要借鑒大壩安全評價的方法，按照安全評價的適用范圍、目的和要求選擇合適的評價方法，較為常用的有綜合法、檢查表法、評分法、概率法和危險指標(biāo)法等。然而，由于不同歷史條件下形成的堤防工程，存在影響因素多、情況復(fù)雜、堤線較長、分布范圍廣以及全線監(jiān)測難度大等特點(diǎn)，全面掌握整個堤線的運(yùn)行狀況并給出科學(xué)的評判往往存在較大的困難。當(dāng)前還未形成較為科學(xué)、統(tǒng)一的評價方法和理論體系，可供查閱的文獻(xiàn)資料和行業(yè)技術(shù)規(guī)范也較少[1-4]。

由于特殊的地理位置和氣候條件，莊河市英那河堤防工程在長期的灘涂圍墾和暴潮影響下，其堤身結(jié)構(gòu)、荷載因素等均存在一定的特殊性。文章結(jié)合堤防工程建設(shè)相關(guān)資料、堤防毀壞和現(xiàn)狀情況，從內(nèi)部和外部兩個方面選擇堤防安全影響因子，從而構(gòu)建多層次綜合評判體系，并對評價指標(biāo)權(quán)重運(yùn)用耦合了熵權(quán)和改進(jìn)的FAHP法計(jì)算，結(jié)合堤防運(yùn)行實(shí)際情況和專家評分結(jié)果確定各參數(shù)值，最終對該堤段的防洪安全作出客觀、科學(xué)的評價[5-6]。

1 堤防工程風(fēng)險因子

堤防工程安全評價應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展對堤防安全運(yùn)行的影響，結(jié)合堤防所在河段的河道演變情況、堤防建成后的洪水情勢變化和原設(shè)計(jì)洪水位等條件，依據(jù)現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對堤防現(xiàn)狀防洪能力作出準(zhǔn)確判斷[7]。因此，文章結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和堤防工程相關(guān)資料，針對英那河堤岸破壞特點(diǎn)擬定風(fēng)險因子。

在歸納分析堤防失事模式的基礎(chǔ)上，從內(nèi)部和外部因素兩個層面統(tǒng)計(jì)風(fēng)險因子，其中內(nèi)部因素主要有施工質(zhì)量、保灘護(hù)堤和護(hù)坡、堤基特性以及堤身特性，而其他因子和荷載特性為影響堤防安全的外部因子[8]。依據(jù)堤防工程特點(diǎn)和層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，通過分析確定各類風(fēng)險因子建立多因子、多層次評判體系，如表1所示。

表1 堤防安全綜合評判體系

2 堤防安全評價中改進(jìn)的模糊數(shù)學(xué)法的應(yīng)用

客觀權(quán)重法和主觀權(quán)重法為多目標(biāo)、多層次評價體系權(quán)重計(jì)算的主要方法，其中主觀法是結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和知識偏好確定各參數(shù)的貢獻(xiàn)率，如乘積標(biāo)度法、AHP法和專家咨詢法等，在實(shí)際應(yīng)用時這些方法的透明性和再現(xiàn)性較差；客觀賦權(quán)法主要是依據(jù)各指標(biāo)的客觀數(shù)據(jù)和有效信息含量賦予相應(yīng)權(quán)值，如BP網(wǎng)絡(luò)法、投影尋蹤法、因子分析法、熵值法等，這些方法能夠有效避免人為因素的干擾，但其解釋性較差。為有效解決主觀隨意性和單一方法解釋性較差的問題，文章通過對熵權(quán)法、FAHP法的集成運(yùn)算確定各指標(biāo)的綜合權(quán)重，進(jìn)一步評價分析影響堤防安全的關(guān)鍵性因子及其貢獻(xiàn)率。

2.1 FAHP-熵組合法確定權(quán)重

因具有迭代速度快、形式簡單等優(yōu)點(diǎn)模糊層次分析FAHP法被廣泛適用于多目標(biāo)、多因素的決策分析，該方法能夠有效解決傳統(tǒng)的AHP法存在的透明性和再現(xiàn)性較差的問題。文章對評價指標(biāo)的主觀權(quán)重考慮選用模糊層次分析法計(jì)算，依據(jù)0.1-0.9標(biāo)度法確定判斷矩陣F={fij}n×n的元素，見表2。

表2 0.1-0.9數(shù)量標(biāo)度

熵權(quán)是描述系統(tǒng)離散化程度的重要參數(shù)，在堤防安全評價中信息熵的大小代表了指標(biāo)包含有效信息量的多少。根據(jù)信息論基本原理，指標(biāo)包含的有效信息量和信息熵的大小呈正相關(guān)性，即信息量越大則該參數(shù)提供的有效信息越大，在評價過程中其重要性程度越高，因此賦予的權(quán)值就越大；反之，信息量越低則樣本提供的信息越少，在評價過程中該樣本的重要程度越低，由此確定的權(quán)值就越小。熵權(quán)法能夠有效避免人為因素的干擾，更能反映評價對象的實(shí)際狀況。

設(shè)W0=[w01，w02，…，won]T、Ws=[ws1，ws2，…，wsn]T分別為熵權(quán)法和改進(jìn)的FAHP法確定的指標(biāo)權(quán)重，為了盡可能的降低熵權(quán)法和FAHP法耦合確定的權(quán)重偏差，根據(jù)最小信息熵原理建立如下函數(shù)，其表達(dá)式為：

(1)

對堤防安全各指標(biāo)主、客觀組合權(quán)重利用拉格朗日乘法算子進(jìn)行計(jì)算，由此確定最終的組合權(quán)重如下：

(2)

2.2 安全評價等級

我國地域面積較大且不同地區(qū)的堤防標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異，自1997年長江大水后國家對堤防工程建設(shè)出臺了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，而在此以前各地區(qū)均依據(jù)當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水利建設(shè)，不同地區(qū)的堤防安全標(biāo)準(zhǔn)并不相同。因此，堤防安全等級要考慮堤防保護(hù)范圍內(nèi)的防洪標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)?shù)胤篮橹卫戆l(fā)展規(guī)劃以及流域范圍內(nèi)的防洪要求等內(nèi)容綜合確定，依據(jù)防洪標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定和堤防安全評價導(dǎo)則確定安全評價等級。文章借鑒相關(guān)資料和堤防運(yùn)行實(shí)際狀況，結(jié)合水庫大壩安全評價標(biāo)準(zhǔn)將堤防安全劃分為危險、輕度危險、安全較好、安全性好4個等級，見表3。

表3 堤防安全評價等級

2.3 堤防安全綜合評價

依據(jù)現(xiàn)場檢查情況和專家評分法對堤防安全各指標(biāo)進(jìn)行評分，從而確定相應(yīng)的參數(shù)值Li，同時利用組合權(quán)重計(jì)算法確定綜合權(quán)重，按照下式計(jì)算確定堤防安全評價值S，即：

S=∑ni=1LiZi

(3)

式中：Zi、Li分別為堤防安全評價指標(biāo)權(quán)重及其評價值。

3 實(shí)例應(yīng)用

莊河市位于遼寧省南部，地理坐標(biāo)為E122°29′-123°31′，N39°25′-40°12′，總面積4113.6km2，屬于我國重要的淡水魚養(yǎng)殖和商品糧生產(chǎn)基地。市轄區(qū)為溫暖帶季風(fēng)氣候，四季特征為冬冷干燥少雪、秋高氣爽、夏季多雨炎熱、春季多風(fēng)少雨，年均氣溫7.5℃，年降水量680mm。歷史資料顯示，莊河市英那河段曾多次發(fā)生洪澇險情，堤防防洪能力經(jīng)多次除險加固處理得到一定提升，以該河段堤防工程為例運(yùn)用文中所述方法進(jìn)行綜合評價[9]。

根據(jù)堤防工程監(jiān)測分析和現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，對各風(fēng)險因子利用專家評分法賦值，見表4。

表4 基于專家評分法的堤防安全指標(biāo)值

3.1 風(fēng)險因子權(quán)重計(jì)算

堤防安全評價判斷矩陣的建立依據(jù)為多目標(biāo)、多層次評判體系中各因子之間的相對貢獻(xiàn)率，結(jié)果如下：

根據(jù)文中綜合權(quán)重計(jì)算公式最終確定堤防安全各指標(biāo)權(quán)重為：A-B:(0.720,0.280)T，B1-C:(0.316,0.280,0.242,0.162)T，B2-C:(0.630,0.370)T，C1-E:(0.312,0.217,0.266,0.205)T，C2-E:(0.245,0.446,0.308)T，C3-E:(0.195,0.447,0.358)T，C4-E:(0.566,0.434)T，C5-E:(0.472,0.528)T，C5-E:(0.405,0.321,0.274)T。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)組合權(quán)重計(jì)算公式和確定的各層次指標(biāo)權(quán)重，最終可確定堤防安全各風(fēng)險因子的綜合權(quán)重，然后對各風(fēng)險因子依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果和專家打分法進(jìn)行賦值如表5所示，最終得到該堤防工程的綜合評分為85.568。

表5 莊河市英那河堤防安全綜合評價值

根據(jù)以上評價結(jié)果和防洪安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，莊河市堤防工程處于安全性較高水平。根據(jù)各風(fēng)險因子評價值可以看出，對堤防工程安全性影響較大的因子有堤頂高程、保灘護(hù)堤、水位、風(fēng)暴潮、滲控措施等，另外堤防安全還與堤基處理、生態(tài)防護(hù)、施工質(zhì)量等因素相關(guān)。

4 結(jié) 論

由于特殊的地理位置和氣候條件，莊河市英那河堤防工程在長期的灘涂圍墾和暴潮影響下，其堤身結(jié)構(gòu)、荷載因素等均存在一定的特殊性。文章以該河段堤防為例，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，基于多層次框架結(jié)構(gòu)構(gòu)造了堤防安全綜合評價體系，并對各風(fēng)險因子的綜合權(quán)重利用熵權(quán)與FAHP相結(jié)合的方法計(jì)算確定，科學(xué)評價了堤防運(yùn)行的狀況，主要結(jié)論如下：

1)綜合考慮主、客觀權(quán)重的組合方法可提高權(quán)重計(jì)算的合理性和可靠性，能夠更加客觀的反映專家意愿和各參數(shù)信息的實(shí)際情況，該堤防工程處于安全性較高水平

2)結(jié)合堤防保護(hù)范圍內(nèi)的防洪標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)?shù)胤篮橹卫戆l(fā)展規(guī)劃以及流域范圍內(nèi)的防洪要求等內(nèi)容，依據(jù)防洪標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定和堤防安全評價導(dǎo)則確定堤防安全評價等級，然后對各項(xiàng)指標(biāo)值依據(jù)專家評分法依據(jù)工程實(shí)際狀況賦分，將堤防安全運(yùn)行情況利用綜合評價值來反映，同時較為客觀、準(zhǔn)確的確定了影響堤防安全的因素，可為河道防洪體系建設(shè)與治理規(guī)劃提供一定指導(dǎo)。