基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法的水閘退役評估

劉志麟,蘇子辰,孫剛

基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法的水閘退役評估

劉志麟1,蘇子辰2,孫剛1

1. 日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 山東 日照 276826 2. 福州大學(xué), 福建 福州 350108

為建立科學(xué)合理的退役水閘評估方法，本文以某擋潮閘為例，從利益、成本、風(fēng)險三個維度采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法，并經(jīng)矩陣計算，對維持現(xiàn)狀、維修加固、降標(biāo)運用、退役四個備選方案比較分析，從而制定水閘退役與否的結(jié)論并為善后處置方案的制定提供指導(dǎo)。該方法與現(xiàn)有退役評估方案相比較，能夠在保證評估過程經(jīng)濟合理、簡單易行的情況下，定量描述出備選方案的優(yōu)勢度以及具有更強的針對性。

網(wǎng)絡(luò)層次分析法; 水閘; 退役評估

工程退役是指在工程目標(biāo)完成、功能失效、設(shè)計壽命完結(jié)、危害生態(tài)環(huán)境、或人為原因、不可抗力等致使工程終止運行的情況下，對工程的處置過程[1]。水閘退役受眾多因素的影響，如何對水閘進(jìn)行科學(xué)的退役評估，國內(nèi)外尚無成熟、科學(xué)和廣泛適用的評價體系。針對水閘退役，我國當(dāng)前的法規(guī)僅從功能或安全等單一方面進(jìn)行考慮，存在片面性。雖然有些學(xué)者已開始從綜合評估的技術(shù)角度研究如何更加有效的進(jìn)行水閘退役評估，但這些研究存在一定的不足，如沒有對決策的關(guān)鍵步驟——備選方案的選擇與評價進(jìn)行討論[2]，將研究對象局限于病險水閘[3]，忽略指標(biāo)間相互影響的關(guān)系，導(dǎo)致指標(biāo)權(quán)重的可信度降低[4]。在實踐中，水管部門對于有退役需求的水閘或直接參照水庫的報廢標(biāo)準(zhǔn)，或通過水閘安全鑒定，從病險水閘的角度進(jìn)行報廢，或耗費大量的成本進(jìn)行水閘報廢論證，這些實踐工作存在針對性不強、評估片面、成本高等問題，并且僅局限于對水閘退役的必要性進(jìn)行論證，論證過程未考慮其他處置方案和退役水閘的善后處置措施。鑒于此，本文基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法（Analytic Network Process ANP）構(gòu)建了水閘退役評估模型對某擋潮閘進(jìn)行退役評估，該模型一方面具有ANP定性評價、定量計算的傳統(tǒng)優(yōu)勢，采用統(tǒng)一的賦值標(biāo)準(zhǔn)，將專家的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為不同影響因素間的定量描述，另一方面，ANP中繁雜的矩陣計算可以通過超級決策軟件（Super Decision SD）實現(xiàn)，增加了評價模型的靈活性并且降低了使用門檻，因而在實踐中具有較強的可操作性。并且通過對計算結(jié)果的分析，還可以為善后處置方案的制定提供參考。

1 項目概況

某擋潮閘建成于上世紀(jì)70年代，位于某河流入?？?，共16孔，每孔凈寬4 m，包括引橋，總寬96 m，閘底高程-2.5 m，上游正常蓄水位3.2 m，洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計洪峰流量為974 m3/s，是一座集防洪、擋潮、蓄水、交通為一體的中型水閘。

擋潮閘建成初期，極大的促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活，其主要作用有：保護上游603 hm2耕地不受海水影響；蓄水解決上游348.4 hm2農(nóng)田灌溉和下游兩岸6個行政村的人口飲用水；保證某工廠日供水3000 t；交通橋作為主要過河通道。此外，水閘蓄水使得上游常年能夠保持一定淡水水面，對兩岸濕地有利。但隨著運行時間的增加，水閘已成為病險水閘；上游部分農(nóng)田改成淡水養(yǎng)殖，農(nóng)業(yè)供水由最初設(shè)計的348.4 hm2縮小至134 hm2；工業(yè)供水每年產(chǎn)生的20萬元收益隨著工廠的破產(chǎn)而消亡。

針對水閘現(xiàn)狀，當(dāng)?shù)毓芾聿块T開始考慮是否拆除水閘。支持拆除水閘的觀點認(rèn)為：①水閘拆除后可以使河流下游河段完全連通，一方面可以減慢河道淤積速度，另一方面能夠加強河流的自凈能力，同時河道下游會形成一個微咸海水區(qū)，對近海生物有益。②擋潮閘建成后，當(dāng)?shù)氐耐恋佧}堿化問題并未消失。通過利用拆除水閘形成的微咸海水區(qū)，將農(nóng)田改建為淡咸水養(yǎng)殖，每年養(yǎng)殖戶能夠有760萬到1020萬元收益。③拆除水閘每年可節(jié)省管理費30萬元。④水閘目前為病險水閘，閘頂高程已經(jīng)低于高潮水位0.2 m，水閘拆除后，在兩岸修建河堤可顯著提高抵抗洪水潮水的能力。反對拆除水閘的觀點認(rèn)為：①水閘目前仍保護上游234.5 hm2耕地。②水閘交通橋是當(dāng)?shù)刂饕ㄐ械缆?。③水閘當(dāng)前仍承擔(dān)著6個行政村人口的生活供水以及134 hm2農(nóng)田的農(nóng)業(yè)供水，水閘拆除后需通過修筑水渠和打井的方式解決水源問題。④水閘蓄水有利于調(diào)節(jié)局部小氣候。

對于水閘的處置，除退役方案外還有：維持現(xiàn)狀、維修加固、降標(biāo)運用。維修加固是指修理或加強水閘及其附屬設(shè)施以達(dá)到一個可以接受的安全和效益水平。降標(biāo)運用是在保障水閘安全的前提下適當(dāng)降低運用標(biāo)準(zhǔn)，以便水閘繼續(xù)發(fā)揮盡可能大的工程效益。該水閘退評估既是一個涉及到環(huán)境、經(jīng)濟等的多準(zhǔn)則決策，也是是一個包含利益分析、成本管理和風(fēng)險控制的多維度決策，符合網(wǎng)絡(luò)層次分析法的適用條件，因此，采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法，對該水閘進(jìn)行多維度、多準(zhǔn)則的退役評估。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型框架

使用網(wǎng)絡(luò)層次分析法評估水閘退役構(gòu)建的ANP/BCR模型如圖1所示。該工程評估的對象是已建水閘而非新建水閘，不存在機會問題，所以從利益、成本和風(fēng)險3個維度去進(jìn)行評估。在退役決策的過程中，利益、成本和風(fēng)險的重要程度是不同的，借鑒宋鑫[6]對工程人工物運行和退役的相關(guān)研究成果并結(jié)合工程實踐和該水閘的特點，選取經(jīng)濟價值、社會價值、環(huán)境價值作為戰(zhàn)略準(zhǔn)則，為3個維度的重要性提供判斷標(biāo)準(zhǔn)。

注：括號內(nèi)為第1類指標(biāo)和第2類指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)和對應(yīng)的單位

利益、成本和風(fēng)險三個維度都有對應(yīng)的決策目標(biāo)，分別是確定利益最大、成本最大和風(fēng)險最大的方案。這三個目標(biāo)控制著每個維度內(nèi)指標(biāo)集合的選取，并作為指標(biāo)集合之間權(quán)重的判斷標(biāo)準(zhǔn)，指標(biāo)集合控制著決策指標(biāo)的識別以及指標(biāo)間權(quán)重評價標(biāo)準(zhǔn)。在決策目標(biāo)的控制下，比較四個備選方案對相應(yīng)決策指標(biāo)的影響程度，通過矩陣計算得到各備選方案的優(yōu)勢度。

在得到了不同維度、不同指標(biāo)集合和集合內(nèi)決策指標(biāo)的權(quán)重后，便可以對每個決策指標(biāo)下備選方案的優(yōu)勢度進(jìn)行集成，得到最終優(yōu)勢度，從而進(jìn)行決策。

2.2 決策指標(biāo)的識別

在決策目標(biāo)的控制下，通過水閘報廢實例、參考水庫工程退役并根據(jù)某擋潮閘的特點，篩選出相應(yīng)的指標(biāo)集合和集合內(nèi)的決策指標(biāo)。

在利益維度，修建水閘的根本目的是為人類帶來效益[7]，某擋潮閘除引蓄水外，其交通橋是當(dāng)?shù)氐闹饕缆?。水閘作為河道上的攔水建筑物，在發(fā)揮效益的同時會改變水系的物理連通性，影響河流水質(zhì)[8]。水系的連通性和水質(zhì)會直接影響生物棲息地的形成、營養(yǎng)物質(zhì)的交換和運輸、生物體的生長、產(chǎn)卵、繁殖和成熟等生物過程[9]。因此，利益子網(wǎng)絡(luò)選取物理環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、社會效益、水閘收益四個方面作為指標(biāo)集合。其中，物理環(huán)境集合中的指標(biāo)為河流連通性、河道淤積和水質(zhì)。生態(tài)環(huán)境集合中指標(biāo)為濱水植物、動物。社會效益集合中包括農(nóng)漁業(yè)收益、通行權(quán)利兩個指標(biāo)。水閘收益集合包括生活供水效益、農(nóng)業(yè)供水效益和工業(yè)供水效益3個指標(biāo)。

在成本維度，與利益維度相對應(yīng)，選取物理環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、運行成本和社會成本四個指標(biāo)集合。物理環(huán)境集合包含河流聯(lián)通、水質(zhì)兩個指標(biāo)。生態(tài)環(huán)境集合包含濱水植物、動物兩個指標(biāo)。運行成本集合包含直接成本、運行和維護費用兩個指標(biāo)。社會成本集合包含灌溉權(quán)利、飲水權(quán)利和通行權(quán)利3個指標(biāo)。

在風(fēng)險維度，水閘通過攔蓄水流或與河道上其他水閘、水庫的聯(lián)合調(diào)度可以削減洪峰，避免海潮倒灌，保護上下游安全[10]。但水閘一旦發(fā)生漫堤、潰閘，會給當(dāng)?shù)毓姷陌踩c社會穩(wěn)定造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此風(fēng)險子網(wǎng)絡(luò)選取洪潮水一個指標(biāo)集合，包含潮水倒灌風(fēng)險、潰閘風(fēng)險兩個指標(biāo)。

參考類似工程中的評價方法[11]，本文將指標(biāo)分成3類，第1類是具有明確物理意義，且可精確測量的指標(biāo)。該類指標(biāo)包括利益子網(wǎng)絡(luò)：河流連通性、濱水植物與濕地、動物、生活供水效益、農(nóng)漁業(yè)收益。成本子網(wǎng)絡(luò)：直接成本、運行和維護費用。風(fēng)險子網(wǎng)絡(luò)：海水倒灌風(fēng)險、潰閘風(fēng)險。第2類是本身可量化，但由于缺少測量工具或條件而無法進(jìn)行精確測量的指標(biāo)。該類指標(biāo)包括利益子網(wǎng)絡(luò)：動物。成本子網(wǎng)絡(luò)：濱水植物與濕地、動物。第3類是無明確物理意義，難以建立標(biāo)度的指標(biāo)。該類指標(biāo)包括利益子網(wǎng)絡(luò)：河道淤積、水質(zhì)。居民通行權(quán)利。成本子網(wǎng)絡(luò)：河流連通狀況、水質(zhì)、灌溉權(quán)利、飲水權(quán)利、通行權(quán)利。

針對第1類和第2類指標(biāo)，通過定量的描述為不同指標(biāo)下方案優(yōu)先權(quán)的判斷矩陣提供評價標(biāo)準(zhǔn)。第3類指標(biāo)通過定性的描述為矩陣提供評價標(biāo)準(zhǔn)。各指標(biāo)之間的關(guān)系與第1類和第2類評價標(biāo)準(zhǔn)見圖1水閘退役決策的ANP/BCR模型，指標(biāo)的定量與定性描述見本文第1節(jié)項目概況。

3 結(jié)果與分析

模型框架建立后，依據(jù)水閘現(xiàn)狀與評價標(biāo)準(zhǔn)，邀請專家通過經(jīng)驗去分析判斷，采用1-9標(biāo)度法對相關(guān)矩陣進(jìn)行賦值或評級，借助SD軟件進(jìn)行計算，最后得到結(jié)果。

3.1 超矩陣賦值與計算

得到了指標(biāo)下備選方案的比較矩陣、指標(biāo)集合對目標(biāo)重要性的判斷矩陣、指標(biāo)對目標(biāo)重要性的判斷矩陣，在SD軟件中建立與圖1相同的ANP模型（圖2(a)使用SD構(gòu)建的戰(zhàn)略準(zhǔn)則、圖2(b)使用SD構(gòu)建的利益子網(wǎng)絡(luò)、圖2(c)使用SD構(gòu)建的成本子網(wǎng)絡(luò)、圖2(d)使用SD構(gòu)建的風(fēng)險子網(wǎng)絡(luò)），然后輸入評分值，軟件即可完成相關(guān)計算，輸出利益、成本和風(fēng)險子網(wǎng)絡(luò)下備選方案優(yōu)勢度的排序（表1）。

圖 2 基于SD構(gòu)建的子網(wǎng)絡(luò)

表 1 方案優(yōu)勢度

3.2 方案復(fù)合權(quán)重集成

在得到戰(zhàn)略準(zhǔn)則對各維度的重要性評級后，軟件便可以計算出利益、成本和風(fēng)險三個維度對于目標(biāo)的權(quán)重（表2），通過公式進(jìn)行復(fù)合權(quán)重的集成。對于水閘退役，利益最大、成本最低、風(fēng)險最小的方案優(yōu)勢度最高。本文采用總量公式[5]：bB-cC-rR對標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化的子網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢度值進(jìn)行復(fù)合權(quán)重的集成，得到方案最終優(yōu)勢度（表3）。結(jié)果表明，無論是標(biāo)準(zhǔn)值總量還是歸一值總量，退役方案的優(yōu)勢度都是最高。

表 2 子網(wǎng)絡(luò)對決策目標(biāo)權(quán)重

表 3 方案最終優(yōu)勢度

3.3 靈敏度分析

對利益、成本和風(fēng)險3個維度進(jìn)行靈敏度分析（圖3）。結(jié)果表明，只有在利益權(quán)重大于0.6后，降標(biāo)方案的優(yōu)勢度才略微超過退役方案。由此可知最優(yōu)方案對于利益、成本和風(fēng)險權(quán)重的變化并不敏感。

圖3 靈敏度分析

4 討 論

相比于傳統(tǒng)的水閘退役評估，使用ANP/BCR所進(jìn)行的水閘退役評估具有以下優(yōu)勢：可接納任何人的建議；可以將定性分析與定量計算整合到退役評估中，在保證評估的科學(xué)性、系統(tǒng)性和完整性的同時，使其兼具靈活適用性；借助SD軟件對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，大大降低了該方法的使用門檻和成本，并提高了工作效率；能夠量化不同方案之間優(yōu)勢度的差距，而非僅得出“是”或“否”兩種結(jié)果；評估結(jié)果可以為善后處置方案的制定提供指導(dǎo)。

通過表1方案優(yōu)勢度可以看出，退役方案在保證成本（優(yōu)勢度0.2888）和風(fēng)險（優(yōu)勢度0.1444）最低的情況下能夠產(chǎn)生較大的利益（優(yōu)勢度0.9647）。退役方案在利益維度下的優(yōu)勢度并不是最高，這是因為水閘的退役會嚴(yán)重侵害到居民通行的權(quán)利，對此當(dāng)?shù)卣梢钥紤]新建一座橋梁。

本文所評估的某擋潮閘案例具有典型性：該水閘是病險老化、原有功能部分喪失和經(jīng)濟效益衰退等多重因素驅(qū)動的退役問題；是涉及環(huán)境、經(jīng)濟和社會的多準(zhǔn)則決策問題。我國70%以上的水閘建于20世紀(jì)80年代以前[12]，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，部分水閘原設(shè)計功能退化，卻仍需投入資金進(jìn)行維護，已成為工程管理的一大難題。使用網(wǎng)絡(luò)層次分析法對這些水閘進(jìn)行評估，采取相應(yīng)的處置措施，不但可以盡快補齊“短板”，而且可以節(jié)省大量人力及資金成本。

針對當(dāng)前我國水閘的退役工作，國家應(yīng)盡快出臺相關(guān)規(guī)范進(jìn)行指導(dǎo)。水管部門對水閘的管理維護應(yīng)從工程的全壽命周期進(jìn)行考慮，避免重建輕管。除安全鑒定外，也應(yīng)定期進(jìn)行水閘的退役評估，而不是在水閘狀況已惡化到危及群眾的生命財產(chǎn)安全、出現(xiàn)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題、管護資金遠(yuǎn)超水閘的運行效益后再被動的開展退役工作。

5 結(jié) 論

基于以上對某擋潮閘的退役決策和我國水閘現(xiàn)狀的討論，得到了以下結(jié)論：

（1）本文基于ANP/BCR進(jìn)行的水閘退役評估是合理、規(guī)范和高效的，并且評估過程簡單易行、可操作性強；

（2）本文得出的評估結(jié)果能夠為善后處置方案的制定提供指導(dǎo)。水閘的退役不是簡單的關(guān)閉或拆除水閘，要對退役可能產(chǎn)生的消極影響制定必要的善后處置方案；

（3）對水閘進(jìn)行退役評估和相關(guān)處置，符合可持續(xù)發(fā)展理念，能夠進(jìn)一步促進(jìn)水閘管理工作合理規(guī)范的開展；

（4）國家相關(guān)部門應(yīng)盡快頒布水閘退役的相關(guān)規(guī)范和技術(shù)文件，水閘的管理過程也應(yīng)引入全壽命的理念，從而進(jìn)一步保障水閘管理工作合理、規(guī)范和高效的開展。

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Assessment on Waterlocks Retirement by the Analytic Network Process

LIU Zhi-lin1, SU Zi-chen2, SUN Gang1

1.276826,2.350108,

To establish a scientific and reasonable method for evaluating the retired sluices, this paper took a tidal gate as an example, from three dimensions benefit, cost and risk with the Analytic Network Process (ANP), and the matrix calculation, to maintain the status quo, maintenance, reduced the use, retired four alternatives comparison analysis, to formulate retired or not the conclusion of the gate and to provide guidance for the establishment of aftermath disposal scheme. Compared with the existing decommissioning evaluation schemes, this method could quantitatively describe the superiority of alternative schemes and had stronger pertinence under the condition that the evaluation process was economical, reasonable, simple and feasible.

Analytic Network Process; waterlock; retirement assessment

TV66

A

1000-2324(2022)04-0613-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.017

2021-07-23

2021-09-12

日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院卓越教師培育工程(日職辦發(fā)(2021)5號)

劉志麟(1967-),女,碩士,教授,主要從事土木工程管理與教育教學(xué)研究. E-mail:liuzhilinhappy@163.com