石門水庫(kù)除險(xiǎn)加固治理效果評(píng)價(jià)

姜明君

(蓋州市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 蓋州 115200)

采用合理有效的綜合評(píng)價(jià)模型科學(xué)分析水庫(kù)加固治理效果，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)加固整治方案和消除水庫(kù)安全隱患具有重要意義[1]。如，胡江等[2]提出了水庫(kù)加固決策優(yōu)化的風(fēng)險(xiǎn)和LQI理論，在此基礎(chǔ)上建立定量評(píng)估水庫(kù)加固效益模型和快速估算潰壩損失的公式；王寧等[3]以非線性組合優(yōu)化問題的求解替代判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)過程，將傳統(tǒng)的層次分析法加以優(yōu)化提出水庫(kù)加固效果模擬退火評(píng)價(jià)模型；蔡德所等[4]將多元回歸法和灰色模型GM(1,1)相結(jié)合，擬合預(yù)測(cè)了關(guān)鍵段板面堆石壩面板撓度的變形檢測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Matlab軟件完成數(shù)據(jù)的相關(guān)分析；劉展志等[5]從水環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率、防洪和灌溉增糧效益等方面，構(gòu)建水庫(kù)加固效益多要素多目標(biāo)評(píng)估體系，運(yùn)用改進(jìn)的云模型法和劃分的評(píng)定等級(jí)系統(tǒng)分析了水庫(kù)加固效果；潘翔等[6]從指標(biāo)時(shí)效性的角度構(gòu)建量化評(píng)估大壩加固效果的模型，并對(duì)比分析了時(shí)效性指標(biāo)與指標(biāo)等級(jí)、大壩形態(tài)變化相互的關(guān)系。綜上分析，針對(duì)每個(gè)元素權(quán)重的確定現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法大多以定性分析為主，且水庫(kù)加固效果評(píng)價(jià)通常存在較強(qiáng)的模糊性和不確定性特征。鑒于此，本文結(jié)合水庫(kù)加固效果評(píng)價(jià)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)、多因素的特征，將傳統(tǒng)的層次分析法利用三標(biāo)度層次分析法加以改進(jìn)，從而解決主觀決策對(duì)權(quán)重的影響問題?？紤]水庫(kù)加固治理的模糊性和不確定性特點(diǎn)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)法構(gòu)建加固效果綜合評(píng)估模型，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可行性，并將其應(yīng)用于石門水庫(kù)除險(xiǎn)加固治理工程。

1 改進(jìn)的三標(biāo)度層次分析法確定權(quán)重

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

不同地區(qū)的水庫(kù)運(yùn)行狀況和水文地質(zhì)條件往往存在較大的差異，且水庫(kù)除險(xiǎn)加固治理涉及到的內(nèi)容多、范圍廣、工藝復(fù)雜，為了更加系統(tǒng)、全面的掌握水庫(kù)運(yùn)行情況，應(yīng)選取真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，從諸多復(fù)雜的信息中選取代表性的參數(shù)，遵循定量、定性相結(jié)合，完備性、層次性和科學(xué)性等原則建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。以水庫(kù)除險(xiǎn)加固治理效果(A)為評(píng)價(jià)目標(biāo)，總體上從加固設(shè)計(jì)與施工方案(B1)、康復(fù)程度(B2)、綜合影響(B3)三個(gè)方面選擇有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息，按照梯階層次結(jié)構(gòu)搭建評(píng)價(jià)體系，二級(jí)因素與三級(jí)因素如表1所示。

表1 水庫(kù)加固效果評(píng)價(jià)體系二級(jí)因素與三級(jí)因素

1.2 權(quán)重的計(jì)算

1～9標(biāo)度法為傳統(tǒng)的層次分析法構(gòu)造判斷矩陣的重要依據(jù)，因標(biāo)度分級(jí)過于細(xì)化、等級(jí)較多增加了估算難度，同時(shí)難以掌握不同標(biāo)度的比較尺度，從而使得判斷矩陣的精準(zhǔn)度有所下降。專家判斷每個(gè)元素的重要度時(shí)利用三標(biāo)度層次分析法比較容易實(shí)現(xiàn)，該方法可以省去復(fù)雜的檢驗(yàn)過程，有效解決傳統(tǒng)的1～9標(biāo)度法存在的運(yùn)算量大、偏差大且主觀性強(qiáng)等問題。因此，針對(duì)各個(gè)元素的重要度排序問題引入專家很容易判斷的三標(biāo)度層次分析法，即將每個(gè)元素權(quán)重運(yùn)用改進(jìn)的代表度層次分析法求解[7-8]。

2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

根據(jù)各元素隸屬于不同評(píng)價(jià)等級(jí)的程度構(gòu)成模糊關(guān)系映射矩陣，該過程屬于多層次、多因素的復(fù)雜性系統(tǒng)問題，其中模糊關(guān)系的合成運(yùn)算為綜合評(píng)價(jià)的核心，考慮待評(píng)價(jià)事物所有元素的隸屬等級(jí)輸出最終的綜合評(píng)價(jià)值，所以可選用模糊數(shù)學(xué)法，其詳細(xì)步驟為：

(1)構(gòu)造因子集U。依據(jù)不同層次的評(píng)價(jià)元素構(gòu)造因子集U，如集成了工程投資、技術(shù)適用性、社會(huì)發(fā)展影響、運(yùn)行管理等因素的集合U={u1,u2,…,um}，其中ui為單元素,i=1,2，…，m。

(2)確定評(píng)語集V。根據(jù)水庫(kù)除險(xiǎn)加固整治目標(biāo)要求及其實(shí)際運(yùn)行狀況，針對(duì)不同評(píng)價(jià)等級(jí)構(gòu)成相應(yīng)的評(píng)語集V={v1,v2,…,vn}，其中vj為評(píng)價(jià)等級(jí),j=1，2，…，n。

(3)單要素模糊評(píng)價(jià)。設(shè)ui為因子集中的第i項(xiàng)元素，關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)vj該元素的隸屬度為rij，利用所有單要素的隸屬度構(gòu)造模糊評(píng)價(jià)矩陣R。

(4)綜合評(píng)價(jià)水庫(kù)加固效果。依據(jù)單因素ui隸屬于不同等級(jí)的程度，建立單因子模糊權(quán)重子集W={ω1,ω2,…,ωn}，采用合成算子對(duì)矩陣R與W作模糊處理，從而確定水庫(kù)加固效果的綜合評(píng)判集B，如公式(1)所示：

B={bj}=W×R

(1)

式中：bj為水庫(kù)加固治理效果模糊綜合評(píng)價(jià)值。最后，依據(jù)最大隸屬度原則評(píng)估水庫(kù)加固效果的等級(jí)，綜合考慮多方面元素的模糊數(shù)學(xué)法有效解決了效果評(píng)價(jià)的模糊性和隨機(jī)性問題。

3 實(shí)例應(yīng)用

石門水庫(kù)位于遼寧省蓋州市大清河上游，是一座以工農(nóng)業(yè)供水為主，兼具水產(chǎn)養(yǎng)殖、水力發(fā)電以及防洪排澇等功能的綜合型水庫(kù)。水庫(kù)最大庫(kù)容1.022億m3。水庫(kù)下游區(qū)域主要涉及11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的20多萬人和1.33萬hm2耕地，另外還有國(guó)家級(jí)重點(diǎn)防護(hù)的運(yùn)輸干線、輸油管線等設(shè)施[9-10]。結(jié)合水庫(kù)運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的問題和安全鑒定有關(guān)結(jié)論，充分考慮安全鑒定意見、工程加固設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范，采取的加固整治措施有：加固處理壩體結(jié)構(gòu)、翻建擴(kuò)建溢洪道、翻修背水坡、依據(jù)規(guī)范增設(shè)大壩安全檢測(cè)設(shè)施，修建防汛公路、完善管理及通訊設(shè)施等[11-21]。

3.1 改進(jìn)的三標(biāo)度層次分析法求解權(quán)重

步驟1：邀請(qǐng)熟悉工程現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員和行業(yè)內(nèi)的專家，按照三標(biāo)度準(zhǔn)則評(píng)判每個(gè)元素的重要度構(gòu)造比較矩陣C。為簡(jiǎn)要說明權(quán)重求解過程，以一級(jí)因素加固設(shè)計(jì)方案C1為例，構(gòu)造的比較矩陣CC1如式(2)：

(2)

步驟2：根據(jù)比較矩陣CC1，考慮專家意見構(gòu)造各三級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣A如式(3)：

(3)

步驟3：由權(quán)重公式求解水庫(kù)加固效果三級(jí)元素的權(quán)重，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理最終輸出各元素權(quán)重集為：w11=(0.2855,0.1432,0.5713)。

步驟4：按照步驟1～3依次求解出各層級(jí)中每個(gè)元素的權(quán)重。

3.2 加固治理效果評(píng)價(jià)

(1)搭建評(píng)語集。借鑒水庫(kù)大壩安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)有研究資料，形成水庫(kù)加固效果評(píng)語集V={很好,好,一般,較差,很差}，然后按照五級(jí)制將等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分，不同等級(jí)下的評(píng)分區(qū)間如表2。

表2 評(píng)價(jià)等級(jí)分值指標(biāo)

依據(jù)水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則、全國(guó)重要水庫(kù)的安全鑒定指導(dǎo)意見、水利水電工程等級(jí)劃分和洪水標(biāo)準(zhǔn)等資料，利用等級(jí)打分方案由9名熟悉工程現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員和專家給予評(píng)分，統(tǒng)計(jì)整理石門水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程28項(xiàng)元素的專家評(píng)判等級(jí)，如表3。

表3 三級(jí)指標(biāo)專家評(píng)判等級(jí)

(2)隸屬度的確定。根據(jù)工程技術(shù)人員和專家評(píng)定的每個(gè)指標(biāo)等級(jí)，運(yùn)用隸屬度求解公式構(gòu)造二級(jí)因素的隸屬度矩陣，如式(4)：

……

(4)

(3)一級(jí)層次的模糊評(píng)價(jià)。采用公式(1)綜合處理隸屬度矩陣r11和C1的權(quán)重集w11=(0.2855,0.1432,0.5713)，從而確定水庫(kù)加固效果的評(píng)判集BC1=(0.2852，0.5716，0.1422，0，0)。

(4)同理，根據(jù)以上步驟和相關(guān)公式依次確定其它一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)元素的效果評(píng)判集，水庫(kù)除險(xiǎn)加固效果的三級(jí)元素評(píng)估值如式(5)：

BA=w31·r31=[0.5716 0.2850 0.1422]·

(5)

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

結(jié)合BA評(píng)判結(jié)果和最大隸屬度原則，隸屬于“好”等級(jí)的值最大為0.6288，由此表明石門水庫(kù)工程的除險(xiǎn)加固效果達(dá)到“好”等級(jí)，水庫(kù)加固整治項(xiàng)目的實(shí)施改善了水利工程病險(xiǎn)狀態(tài)，加固后的工程效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求和預(yù)期目標(biāo)。所以，綜合應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)法和三標(biāo)度改進(jìn)的層次分析法能夠較為客觀、真實(shí)的體現(xiàn)水庫(kù)加固整治效果，評(píng)價(jià)結(jié)果與工程驗(yàn)收、加固后運(yùn)行情況基本一致。

4 結(jié) 論

本文綜合考慮水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則和工程安全鑒定指導(dǎo)意見，參考相關(guān)規(guī)范構(gòu)建多要素多目標(biāo)綜合評(píng)估體系，針對(duì)每個(gè)元素的權(quán)重運(yùn)用三標(biāo)度層次分析法確定，有效解決了主觀決策對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。為解決水庫(kù)加固效果評(píng)價(jià)存在的模糊性和不確定性問題引入模糊數(shù)學(xué)法，通過設(shè)定評(píng)語集、因素集和隸屬度矩陣計(jì)算，科學(xué)分析了三層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

采用模糊數(shù)學(xué)法評(píng)價(jià)石門水庫(kù)加固整治效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加固整治工程達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，效果評(píng)價(jià)屬于“好”等級(jí)，該模型滿足科學(xué)合理性要求，能夠較為客觀、準(zhǔn)確的反映水庫(kù)加固整治后的真實(shí)狀況，為水庫(kù)加固效果評(píng)價(jià)和方案設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。