基于改進云模型的河道管護效果評價方法

黃顯峰，陳 雪，劉永強

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

河道管護市場化是優(yōu)化水利工程管護單位職能、促進管養(yǎng)單位轉(zhuǎn)型發(fā)展的重大舉措。但市場化的推行無法直接從考核的結(jié)果來評定市場化推行的正確性、合理性和實踐性。因此，亟待建立完整的河道管護市場化項目后評估體系，科學(xué)分析市場化的運行效果，開展河道管護市場化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的研究，樹立市場化運行的標(biāo)準(zhǔn)，制定市場化培育指導(dǎo)意見，規(guī)范河道管護市場化運作，更好地發(fā)揮市場化管護的優(yōu)勢[1]。

許多學(xué)者利用科學(xué)理論方法開展了水利工程設(shè)施后評價相關(guān)研究。武博慶[2]基于多年的引灤工程項目后評價實踐理論和經(jīng)驗，從評價內(nèi)容到實際計算提出了許多建議和方法。張秀亭[3]采用邏輯框架法對水利工程項目進行垂直和水平的邏輯關(guān)系檢驗，并將該法運用于山東省某縣的水利工程中做定性后評價。楊永東[4]結(jié)合國內(nèi)外經(jīng)驗根據(jù)水電工程特點將評價內(nèi)容分為五類，并建立完善的評價體系，用系統(tǒng)綜合評判法對各項目進行單指標(biāo)和綜合評價。王萍[5]根據(jù)水利工程項目的特征構(gòu)建評價指標(biāo)體系，明確各個方面的評價內(nèi)容，據(jù)此構(gòu)建了浙江水利項目后評價指標(biāo)體系。陳艷等[6]首先將后評價內(nèi)容分為4個方面，即過程后評價、經(jīng)濟后評價、影響后評價和持續(xù)性分析，再將定量分析與定性分析相結(jié)合確定指標(biāo)體系。曾露等[7]采用模糊多目標(biāo)層次分析法建立水利工程多指標(biāo)模型，從社會、經(jīng)濟、環(huán)境等多方面對水利工程設(shè)施進行后評價。肖宜等[8]根據(jù)多目標(biāo)決策理論構(gòu)建綜合指標(biāo)體系，并用灰色關(guān)聯(lián)投影分析評價模型對湖南省“四水”流域治理工程進行評價分析。蔡久順[9]針對水利工程項目評價的模糊性，采用集對分析法對水利工程項目進行定性和定量相結(jié)合的評價分析。

關(guān)于河道管護效果的評判較為模糊，不利于得到客觀的評價結(jié)果。云模型[10]是一種同時具有隨機性和模糊性的定性和定量相互轉(zhuǎn)換的模型，能夠用于計算指標(biāo)等級，故本文采用云模型的評價方法對河道管護效果進行評價。為使河道管護效果的評價結(jié)果更為客觀合理且具有參考性，本文對主觀權(quán)重和客觀權(quán)重進行組合計算，據(jù)此對各評價指標(biāo)賦權(quán)。主觀權(quán)重的計算采用云模型計算云權(quán)重，客觀權(quán)重的計算采用投影尋蹤法。將改進的云模型評價方法運用于昆山市周莊鎮(zhèn)河道管護效果評價中，評價結(jié)果驗證了改進云模型評價的合理性和可行性。

1 河道管護評價指標(biāo)體系

1.1 指標(biāo)體系的建立

河道是水資源的載體，為保證國民經(jīng)濟的順利發(fā)展，城市和人民的生命健康安全，河道需要具有行洪排澇功能、蓄水灌溉能力、內(nèi)河航運功能、漁業(yè)養(yǎng)殖功能、旅游景觀功能、生態(tài)系統(tǒng)功能和文化傳承功能。為保證河道的安全運行，充分發(fā)揮其各方面功能，需對河道進行有效管護。依據(jù)《中華人民共和國河道管理條例》等相關(guān)規(guī)程，河道管護主要包括堤防護岸管護、堤防綠化、河道保潔、河道整治、河道生態(tài)修復(fù)、河道附屬設(shè)施管護等方面的內(nèi)容，故本文從這6個方面衡量河道管護情況。

經(jīng)實地考察調(diào)研，結(jié)合河道管護的實際情況，遵循以上河道管護要求，綜合分析河道管護影響因素，最終將評價指標(biāo)從河道管護效果的角度分為6個二級指標(biāo)，17個三級指標(biāo)，各評價指標(biāo)如圖1所示。

圖1 河道管護效果后評價指標(biāo)體系

1.2 河道管護效果評價等級的劃分

本文將河道管護效果分為5個等級：優(yōu)秀、良好、一般、合格、不合格，對應(yīng)的評分區(qū)間分別為[90,100]、[80,90)、[70,80)、[60,70)、[0,60)。邀請多位專家實地考察每條河道，根據(jù)評價指標(biāo)體系的每個細(xì)則對每條河道的管護效果打分，取每個指標(biāo)對應(yīng)的平均得分值作為評價的初始評分值。

2 改進云模型評價方法

本文采用改進云模型的評價方法對河道設(shè)施管護效果進行后評價。改進云模型的評價方法即改變云模型中權(quán)重的計算方法，對主客觀權(quán)重進行組合計算得到綜合權(quán)重，再將綜合權(quán)重與云模型相結(jié)合對河道管護效果進行后評價。

2.1 權(quán)重計算

計算各評價指標(biāo)權(quán)重即要衡量各指標(biāo)在整個評價體系中的影響程度，以及各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性、影響性和重要性。主觀權(quán)重由專家的主觀判斷決定，計算結(jié)果受人為因素影響較大，客觀權(quán)重側(cè)重于數(shù)據(jù)間的遠(yuǎn)近關(guān)系而忽略了河道實際管護情況。故本文將二者結(jié)合，用云模型計算的云權(quán)重作為主觀權(quán)重，投影尋蹤法計算客觀權(quán)重，再將兩者進行組合計算得出各個評價指標(biāo)的綜合權(quán)重。

2.1.1云模型確定主觀權(quán)重

云模型的特點是可以兼容評價對象的隨機性和模糊性，利用云發(fā)生器計算樣本的特征值期望Ex、熵En和超熵He并對其進行定量與定性的相互轉(zhuǎn)換，通過利用樣本點的隨機性產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，分析各個樣本間的相互關(guān)系計算得到最佳結(jié)果。

首先根據(jù)各評價指標(biāo)的初始權(quán)重值，用云模型的逆向云發(fā)生器求得特征值期望Ex、熵En和超熵He，再在正向云發(fā)生器中反復(fù)計算多次補充云滴生成大量數(shù)據(jù)取均值求得各指標(biāo)權(quán)重。具體計算過程如下：

a.根據(jù)專家的初始評分權(quán)重，先用逆向云發(fā)生器計算出各評價指標(biāo)的特征值：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：xi為樣本值；n為樣本數(shù)；S2為樣本方差。

E′n=randn(1)He+En

(5)

E′x=randn(1)E′n+Ex

(6)

c.計算權(quán)重的確定度

(7)

2.1.2投影尋蹤法確定客觀權(quán)重

本文采用投影尋蹤法計算客觀權(quán)重。投影尋蹤法是先把高維的數(shù)據(jù)經(jīng)過一些組合運算后投影到低維的子空間中，再根據(jù)極大或極小化的某個投影指標(biāo)，找到可以體現(xiàn)高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影，最后在低維空間上對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行分析。故其可以用于計算最優(yōu)投影方向，得到的最優(yōu)個體即為所需權(quán)重。計算步驟如下所示：

a.規(guī)范化處理評價指標(biāo)數(shù)據(jù)得到初始矩陣R=(xij)m×n，其中xij為第i個評價對象在第j個評價指標(biāo)下對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，m為樣本數(shù)目，n為評價指標(biāo)數(shù)目。

(8)

(9)

R=0.1S(a)

(10)

rij=|Zi-Zj|

(11)

(12)

故可得投影函數(shù)：

Q(a)=S(a)d(a)

(13)

c.構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)來優(yōu)化投影函數(shù)。

maxQ(a)=S(a)d(a)

(14)

(15)

再利用加速遺傳算法求解，重復(fù)計算50次，可得出各代最優(yōu)個體的平均值即為所求權(quán)重值。

2.1.3綜合權(quán)值計算

主觀權(quán)重受人為因素影響較大，而客觀權(quán)重只顧數(shù)據(jù)間的相關(guān)性又忽視了專家意見，因此本文將二者結(jié)合進行組合計算來確定河道管護評價指標(biāo)的綜合權(quán)重φ=(φ1,φ2,…,φm)。綜合權(quán)重計算公式是：

(16)

2.2 隸屬度計算

云模型中的云發(fā)生器有3種：正向云發(fā)生器、逆向云發(fā)生器和條件云發(fā)生器。條件云發(fā)生器屬于特殊的正向云發(fā)生器，即已知期望、熵和超熵，同時已知特定條件的X或Y來產(chǎn)生隸屬度，計算各個評價指標(biāo)對應(yīng)的等級隸屬度[15]。

各河道管護效果評價指標(biāo)等級主要是由X條件云發(fā)生器計算得到，其具體計算步驟如下所示：

a.首先明確各個評價指標(biāo)值X和評價指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)S。

b.隨后計算出3個特征值，并且要依據(jù)正反向評價指標(biāo)求解出各個評價指標(biāo)在各等級下的隸屬度。

(17)

式中:Sijmax為第i個評價指標(biāo)在第j個等級中的上限值；Sijmin為第i個評價指標(biāo)在第j個等級中的下限值；Exij為第i個評價指標(biāo)在j評價等級中的期望值；Enij為第i個評價指標(biāo)在j評價等級中的熵值；He為超熵，反映變量的不確定程度，通常根據(jù)試驗或者經(jīng)驗取值，本文取為0.2，取云滴數(shù)m=1 000。

用X條件云發(fā)生器生成云滴重復(fù)計算各評價指標(biāo)值1 000次可以得到較為精確的各評價等級隸屬度值和隸屬度矩陣M。

2.3 綜合評價

將上面計算所得綜合權(quán)重值φ與等級隸屬度矩陣M進行轉(zhuǎn)換計算，即可得出綜合評價子集B。由最大隸屬度原則可知，隸屬度最大值對應(yīng)的評價等級就是河道設(shè)施第三方管護效果后評價的評價級別。

B=φM=(b1,b2,…,bn)

(18)

3 實例驗證

3.1 昆山市周莊鎮(zhèn)河道基本概況

周莊鎮(zhèn)隸屬于昆山市，位于昆山市西南部，總面積38.96 km2，其中水域面積占比為46.6%。周莊鎮(zhèn)地處太湖流域沖積平原東部，水系屬太湖流域淀泖水系，周莊鎮(zhèn)現(xiàn)狀河網(wǎng)由市級河道、鎮(zhèn)級河道、村級河道3個級別河道組成。市級河道為昆山市境內(nèi)區(qū)域性河道、湖蕩的骨干河道，鎮(zhèn)內(nèi)為則同港，連接長白蕩與急水港；鎮(zhèn)級外河是片區(qū)河網(wǎng)框架的組成部分，與市級河道一起，形成與區(qū)域河、湖水量交換的通道，有長牽路港、西澤港、朱村浦港、云亭港、東坨東河等；村級外河是片區(qū)河網(wǎng)框架的補充，河道長度一般在1 km以內(nèi)，河線彎曲、斷頭浜多；圩內(nèi)河道是圩區(qū)的排水及調(diào)蓄河道，面廣量大，河線曲折多變，斷頭浜多。

周莊鎮(zhèn)的河道堤防等水利工程設(shè)施眾多，管護工作復(fù)雜。為貫徹落實省、市關(guān)于河道管護第三方服務(wù)的相關(guān)要求，提升河道的管理水平，落實“管養(yǎng)分離”，推動河道標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化管護，昆山市試點先行，在各鎮(zhèn)分步推行，穩(wěn)步推進河道管護第三方服務(wù)?，F(xiàn)對昆山市周莊鎮(zhèn)的河道管護效果進行后評價研究。

3.2 周莊鎮(zhèn)河道管護效果評價過程

3.2.1評價指標(biāo)權(quán)重的計算

首先邀請10位專家對周莊鎮(zhèn)河道管護效果進行現(xiàn)場考核評價并打分，得到各個評價指標(biāo)的基礎(chǔ)評價權(quán)重，根據(jù)所得的基礎(chǔ)評價權(quán)重構(gòu)建判斷矩陣，隨后利用云模型計算二級指標(biāo)權(quán)重和各個三級指標(biāo)在其對應(yīng)的二級指標(biāo)系統(tǒng)中所占權(quán)重分布如圖2～8所示。

由圖2～8可知，各個評價指標(biāo)的模擬權(quán)重值呈現(xiàn)正態(tài)分布，通過計算各指標(biāo)均值可得各評價指標(biāo)的具體權(quán)重值如表1所示。

圖2 河道管護效果二級指標(biāo)權(quán)重

圖3 堤防護岸管護效果系統(tǒng)下指標(biāo)權(quán)重

圖4 堤防綠化效果系統(tǒng)下指標(biāo)權(quán)重

圖5 河道保潔效果系統(tǒng)下指標(biāo)權(quán)重

圖6 河道整治效果系統(tǒng)下指標(biāo)權(quán)重

圖7 河道生態(tài)修復(fù)效果系統(tǒng)下指標(biāo)權(quán)重

圖8 河道附屬設(shè)施管護效果系統(tǒng)下指標(biāo)權(quán)重

表1 云模型所求指標(biāo)權(quán)重值

各評價指標(biāo)的客觀權(quán)重可由投影尋蹤法算得，將所得客觀權(quán)重與上面所求主觀權(quán)重進行組合計算可得綜合權(quán)重。各評價指標(biāo)的綜合權(quán)重值如表2所示。

表2 河道管護效果評價指標(biāo)權(quán)重值

3.2.2河道管護效果評價等級的計算

根據(jù)式(17)可計算出河道管護效果評價指標(biāo)的3個特征值期望Ex、熵En和超熵He，將周莊鎮(zhèn)河道管護效果對應(yīng)的各指標(biāo)基礎(chǔ)評價值輸入到云模型的X條件云發(fā)生器中，隨后計算得到各評價指標(biāo)在各個評價等級下的隸屬度。計算結(jié)果如表3所示。

表3 各評價指標(biāo)對應(yīng)評價等級隸屬度

按式(18)對評價指標(biāo)的隸屬度和其對應(yīng)的綜合權(quán)重值進行綜合計算，可以求出河道管護效果評價結(jié)果。周莊鎮(zhèn)河道管護效果最終的綜合評價結(jié)果如表4所示。由最大隸屬度原則可知良好等級對應(yīng)的隸屬度值最大，故綜合評價結(jié)果是河道管護效果良好。

3.3 評價結(jié)果分析

利用基于改進云模型的河道管護效果評價模型對昆山市周莊鎮(zhèn)的河道管護效果進行了全面評價。各指標(biāo)在對應(yīng)評價等級下的隸屬度值如表4所示。由表可知，在河道管護效果單指標(biāo)評價中，只有硬質(zhì)護岸C1的管護效果是優(yōu)秀，管護措施做得很棒，后期要定期檢查修繕保證硬質(zhì)護岸的功能一直完好。水域保潔C6和河道疏浚C8兩個指標(biāo)對應(yīng)等級為一般，說明在這兩個方面管護效果還不夠理想，管護力度不夠。要加強對水域的清潔和保護，可以安排工作人員定期巡查清理河道垃圾和淤積物，根據(jù)實際情況采取更多有效措施保證河道的清澈和流水的順暢。其余14個指標(biāo)對應(yīng)的評價等級均為良好，說明其管護效果不錯但還有進步的空間，后期要針對具體問題進行改善。

表4 基于改進云模型的周莊鎮(zhèn)河道管護效果綜合評價結(jié)果

自然護岸的管護要與草坪樹木的管護相結(jié)合，充分發(fā)揮植被自身生長的特點和規(guī)律，利用伸展且發(fā)達(dá)的植物根系穩(wěn)定堤防，提高保護堤防和防洪的能力，同時美化河道周邊環(huán)境；陸域保潔要做到時常清掃，并呼吁市民共同維護陸域整潔，防止垃圾流入河道；污水廢水排入河道之前一定要經(jīng)過處理，不能超過河流的自凈能力，保證河道的潔凈和清澈；水生植物的管護要做到及時清理壞死植物并適當(dāng)補充新植物，同時要防止植物營養(yǎng)輸出過剩導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化；河道周圍的護欄表面要保持干凈，保證欄桿的連續(xù)、完整、無缺失；木樁、指示牌等設(shè)施要埋設(shè)堅固，立柱應(yīng)保持直立，無搖動，無涂層脫落、無損壞和丟失。排水設(shè)施要保持完好，排水溝渠、雨水口應(yīng)保持通順。另外，工作人員的檢查工作應(yīng)包括經(jīng)常檢查、定期檢查、特別檢查和安全鑒定，通過有目的性的檢查工作保證河道設(shè)施的正常運作。

從表4的評價結(jié)果可以看出，周莊鎮(zhèn)河道管護效果的綜合評價為良好，和實際的河道管護情況一致，證明了該模型具有較高的可信度和可行性?；诟倪M云模型的評價方法不僅可以對管護效果給出了整體評價，同時針對每個指標(biāo)給出評價，評價結(jié)果不僅全面有效，也給后期河道管護工作提供了改善的方向。

4 結(jié) 語

考慮到河道管護的復(fù)雜性、系統(tǒng)性和可操作性以及對河道管護效果評價的全面性、合理性和有效性，結(jié)合河道管護的實際情況，本文建立了河道管護系統(tǒng)的評價指標(biāo)體系。結(jié)合基于改進云模型的河道管護效果評價方法對昆山市周莊鎮(zhèn)的河道管護現(xiàn)狀和效果進行了全面有效的評價，得出了與實際管護情況相符的評價結(jié)果，表明基于改進云模型的評價方法在周莊鎮(zhèn)河道管護效果的評價中具有較好的適用性。本文在云模型評價方法的基礎(chǔ)上進行了權(quán)重計算的改進，采用主客觀權(quán)重相結(jié)合的方法，通過組合計算得出綜合權(quán)重，既減少了權(quán)重計算的主觀性又降低了評價的隨機性，而云模型通過大量的數(shù)據(jù)模擬增加了計算結(jié)果的精確性，使評價結(jié)果更加可靠。