基于云模型改進(jìn)“3標(biāo)度”AHP-物元理論的不良地質(zhì)農(nóng)田灌溉渠道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

崔宏艷，張恩典，王志鵬，李清富

（1.河南省趙口引黃灌區(qū)二期工程建設(shè)管理局，河南 開封 475000；2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450000）

0 引言1

【研究意義】農(nóng)田灌溉渠道是水利建設(shè)的輸水工程，從河流、湖泊、水庫(kù)等水源引水以供農(nóng)業(yè)灌溉、發(fā)電、工業(yè)與民用等，是應(yīng)用最為普遍的水利工程。灌溉渠道形體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在修建時(shí)基本不會(huì)發(fā)生施工風(fēng)險(xiǎn)，但由于其多處于山川、河谷、農(nóng)田地帶，不明晰的地質(zhì)條件很有可能帶來潛在的危害，故在施工前應(yīng)主要考慮施工地帶的地質(zhì)環(huán)境影響。在我國(guó)豫東黃淮平原，區(qū)域地質(zhì)特性多為粉土，且之前有區(qū)域采砂留下的老采砂坑，同時(shí)豫東地區(qū)，由于過去長(zhǎng)年的煤礦開采，在部分區(qū)域也存在采空區(qū)。因此，在不良地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)因素眾多的條件下修建灌溉渠道，其計(jì)劃是否可行，施工是否安全，亟須對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，從而指導(dǎo)灌溉渠道的施工。【研究進(jìn)展】考慮當(dāng)前渠道工程建設(shè)主要的影響因素為采空區(qū)及采砂區(qū)不良地質(zhì)，故查閱相關(guān)文獻(xiàn)探究現(xiàn)階段采空區(qū)對(duì)于再建建筑的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究，其中汪云[1]基于AHP 和GIS 技術(shù)對(duì)礦山采空區(qū)地表塌陷風(fēng)險(xiǎn)影響進(jìn)行研究；靳昊等[2]將層次分析法結(jié)合屬性測(cè)度函數(shù)應(yīng)用于采空區(qū)塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；王新民等[3]運(yùn)用熵權(quán)法和物元分析建立采空區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)；汪偉等[4]運(yùn)用物元可拓方法對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估；郭慶彪等[5]基于云模型與模糊層次分析法評(píng)價(jià)了老采空區(qū)建設(shè)場(chǎng)地的穩(wěn)定性。陳曉偉[6]采用正交設(shè)計(jì)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，研究了不同采砂坑參數(shù)對(duì)堤防穩(wěn)定的影響，得出采砂坑離堤腳的距離和采砂坑的深度對(duì)堤防安全的影響最為顯著。同時(shí)在渠道施工中，還應(yīng)考慮渠道邊坡的穩(wěn)定性。李志強(qiáng)等[7]基于組合賦權(quán)-可拓理論建立基于孕險(xiǎn)環(huán)境的靜態(tài)評(píng)價(jià)模型和基于致災(zāi)因子的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)；趙博等[8]結(jié)合物元可拓法和馬爾科夫鏈法,從風(fēng)險(xiǎn)的概念出發(fā),提出了一種新的邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；方前程等[9]建立了基于博弈論-云模型的邊坡穩(wěn)定性分級(jí)評(píng)價(jià)方法。【切入點(diǎn)】對(duì)于以上提到的層次分析法及物元理論等數(shù)值與數(shù)學(xué)方法雖取得了較好的評(píng)價(jià)結(jié)果，但評(píng)估指標(biāo)因素具有不確定性，包含了指標(biāo)的模糊性、隨機(jī)性及相互的不相容性，導(dǎo)致上述方法具有一定的局限性，故需找到一種可以綜合考慮不確定性影響因素的評(píng)價(jià)方法?！緮M解決的關(guān)鍵問題】層次分析法中的“3 標(biāo)度”法操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，但無法解決多人決策沖突時(shí)的綜合評(píng)價(jià)問題，構(gòu)建的判斷矩陣不夠客觀全面，不能準(zhǔn)確地反映出決策者的主觀偏好關(guān)系；利用云模型對(duì)判斷矩陣中的兩兩風(fēng)險(xiǎn)元素的比較標(biāo)度賦值可以體現(xiàn)隨機(jī)性，并且云模型的集結(jié)算法可以將多人決策的賦值全部帶入計(jì)算公式，方便決策。物元理論是通過關(guān)聯(lián)函數(shù)對(duì)事物的特征進(jìn)行定量計(jì)算，能解決評(píng)價(jià)對(duì)象內(nèi)容不相容的問題，但由于其是將特征量值通過具體數(shù)值區(qū)間來確定，因而忽略了量值的隨機(jī)性和模糊性。將云模型參數(shù)代替物元理論中的固定事物特征值，進(jìn)行重新定義和構(gòu)造，并在關(guān)聯(lián)度計(jì)算時(shí)引入期望值及正態(tài)隨機(jī)數(shù)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理、可信。

1 材料與方法

1.1 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的首要步驟是進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因子辨識(shí)，本文通過搜索相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)待評(píng)指標(biāo)進(jìn)行初步篩選，對(duì)其中起重要影響作用的風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行提取，并確定為不良地質(zhì)渠道風(fēng)險(xiǎn)的最終待評(píng)指標(biāo)。最終得到影響渠道施工的風(fēng)險(xiǎn)因素，分為采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)[10-11]V1、外在因素V2、采砂區(qū)風(fēng)險(xiǎn)[12-14]V3、渠道內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)[15-16]V4；其中采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)包括采空區(qū)停采時(shí)間V1-1、采空區(qū)跨度V1-2、采空區(qū)面積V1-3、采空區(qū)埋深V1-4；外在因素包括人類活動(dòng)V2-1、降雨量V2-2；采砂區(qū)風(fēng)險(xiǎn)包括采砂區(qū)離坡角距離V3-1、采砂坑形狀V3-2、采砂坑深度V3-3；渠道內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)包括地質(zhì)構(gòu)造V4-1、地下水V4-2、地基土的粘聚力V4-3、邊坡坡度V4-4。由此得到影響渠道施工的風(fēng)險(xiǎn)致因?qū)哟文Ｐ鸵妶D1。

圖1 不良地質(zhì)渠道施工的風(fēng)險(xiǎn)致因?qū)哟文Ｐ虵ig.1 The hierarchical model of risk causes in construction of poor geological channels

1.2 評(píng)價(jià)方法

層次分析法[17]是運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty 構(gòu)建的一種定性和定量相結(jié)合的分析方法，因操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但因其評(píng)價(jià)的主觀性使評(píng)價(jià)結(jié)果有可能不滿足一致性檢驗(yàn)。相關(guān)學(xué)者對(duì)其傳統(tǒng)“9 標(biāo)度法”進(jìn)行了“3 標(biāo)度法”[18-19]的改進(jìn)，通過相應(yīng)兩兩方案指標(biāo)比較建立比較矩陣，計(jì)算最優(yōu)傳遞矩陣進(jìn)而確定判斷矩陣，提高了準(zhǔn)確性。該方法的使用自然滿足一致性要求，不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。但該改進(jìn)方法也沒考慮到評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊性和隨機(jī)性等不確定性問題。

物元可拓理論[20]是我國(guó)學(xué)者蔡文首創(chuàng)，將物元理論的核心觀點(diǎn)融入可拓學(xué)中，以物元作為描述事物的基本元，形成一個(gè)有序三元組，記為R=（N,C,V），其中N是所描述事物的名稱，C是事物特征，V是事物特征值。通過將需要評(píng)價(jià)的事物通過可拓變化，確定經(jīng)典域和節(jié)域，并計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)和關(guān)聯(lián)度，以此進(jìn)行定量和定性相結(jié)合的評(píng)價(jià)過程。但其是將特征量值通過具體數(shù)值區(qū)間確定，忽略了量值的隨機(jī)性和模糊性。

云模型理論[21]是中國(guó)工程院院士李德毅提出，釆用自然語言來描述定性概念，并與其給出的數(shù)值之間建立不確定性的轉(zhuǎn)化模型，有效集成了客觀事物或者是人類知識(shí)中的隨機(jī)性和模糊性，較好地反映了具有隨機(jī)性和模糊性的客觀現(xiàn)象的普遍規(guī)律。

根據(jù)引言部分對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)研究的描述，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段的研究方法大多是上述3 種方法的單獨(dú)使用，本文旨在發(fā)揮云模型的優(yōu)點(diǎn)來改進(jìn)“3 標(biāo)度”AHP及物元理論，使得在確定權(quán)重及進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算時(shí)運(yùn)用不確定性和隨機(jī)性推理機(jī)制使評(píng)價(jià)結(jié)果更加真實(shí)準(zhǔn)確。具體步驟如下。

1.2.1 云模型改進(jìn)AHP

1）利用云模型改造AHP 中的判斷矩陣。通過“3標(biāo)度法”，建立數(shù)值判斷矩陣，以量化表示決策信息。假設(shè)存在論域U={i},i=-1,0,1，用Ai表示3 朵云模型，結(jié)構(gòu)為Ai=(Exi,Eni,Hei)，Exi,Eni,Hei分別為期望、熵和超熵，參考文獻(xiàn)[22]使用黃金分割法計(jì)算上述Ai參數(shù)。黃金分割法的基本原理為：根據(jù)對(duì)稱性將論域分成2 部分，一段線段的起點(diǎn)與終點(diǎn)分別用前一朵云和最后一朵云的期望值表示，取接近中心云的線段的0.382 倍作為后一朵云的期望值，這樣前后兩朵云的熵與超熵的比例遵循黃金比例準(zhǔn)則，最終得到了特征值表達(dá)式：

式中：xmax=1，xmin=-1，α為調(diào)節(jié)系數(shù)，一般取0.858[23]。

2）由上式得到3 朵云模型后，進(jìn)行兩兩重要性比較，得到重要性標(biāo)度云模型的數(shù)字特征見表1。由表可以看出期望Exi數(shù)值越大，表明越重要。

表1 重要性標(biāo)度Table 1 Importance scale

3）根據(jù)上述決策方法建立云化AHP 的標(biāo)度比較矩陣，形式如式（3）：

根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]所述，并根據(jù)云模型特征，確定上式對(duì)角線上元素的期望，熵和超熵為0，n為待評(píng)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

4）計(jì)算最優(yōu)傳遞矩陣R，形式如式（4）：

5）將最優(yōu)傳遞矩陣R轉(zhuǎn)為判斷矩陣D，形式如式（5）：

式中：Dij=exp(Rij)，轉(zhuǎn)換后矩陣具有較好的一致性，故無需再進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

6）對(duì)矩陣進(jìn)行歸一化，引入云計(jì)算的乘法運(yùn)算[24]并采用方根法[23]計(jì)算得到要素期望、模糊性和隨機(jī)性的權(quán)重Dwi=(Exi,Eni,Hei)和相對(duì)權(quán)重各參數(shù)的計(jì)算見式（6）—式（8）。

1.2.2 云化物元模型

在計(jì)算得到權(quán)重后，就可以進(jìn)行項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。本文運(yùn)用的云化物元模型[23]在于利用云模型對(duì)物元可拓理論進(jìn)行重新定義和構(gòu)造，并保持可拓評(píng)價(jià)的一般步驟對(duì)事物進(jìn)行描述和評(píng)價(jià)。利用正態(tài)云模型（Ex,En,He)取代固定數(shù)值的事物特征值V，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)評(píng)估過程中隨機(jī)性和模糊性的數(shù)學(xué)描述。具體可表示為式（9）：

式中：Ex為期望，代表云重心的位置；En為熵，表示云代表的定性概念的模糊程度；He為超熵，主要體現(xiàn)樣本的隨機(jī)性，即云圖上云滴的厚度。云模型用這3個(gè)數(shù)字特征反映定性概念整體的定量特征。

云化物元模型在劃分安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間時(shí)通過自身的模糊性和隨機(jī)性特征將評(píng)估指標(biāo)的分類等級(jí)界限作為雙約束空間（Cmin,Cmax）處理。根據(jù)云期望的定義，約束區(qū)間的中心值最能代表該等級(jí)概念，則云期望Ex的表達(dá)式為Ex=(Cmin+Cmax) /2 ，等級(jí)云超熵He一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際情況取常數(shù)，其值越小，云滴隸屬度的隨機(jī)性越小，結(jié)果更有可比性，但會(huì)漏掉很多邊界處的點(diǎn)；其值越大，云滴離散度越大，隸屬度的隨機(jī)性越大，能包容更多的點(diǎn)，但可比性較差，各等級(jí)隸屬云之間分隔越不明顯，綜合考慮本文定為0.08[25]。云熵En作為狀態(tài)等級(jí)概念模糊度的度量，反映了所能接受的數(shù)值范圍，影響著等級(jí)判定的準(zhǔn)確性。對(duì)于云熵的確定目前有2 種計(jì)算方法，分別為基于“3En”規(guī)則的En(1)=(Cmax-Cmin) /6 和基于“50%關(guān)聯(lián)度”規(guī)則的En(2)=(Cmax-Cmin) /2.3548；前者得到的相鄰等級(jí)可拓云在邊界處分隔清晰，體現(xiàn)了等級(jí)劃分的分明性，后者得到的相鄰等級(jí)可拓云在邊界處分隔模糊，表示臨界值同時(shí)隸屬于上下2 個(gè)等級(jí)，體現(xiàn)了等級(jí)劃分的模糊性。在指標(biāo)評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)于劃分危險(xiǎn)和安全這類有清晰邊界的等級(jí)采用前者，安全以下的各個(gè)危險(xiǎn)程度的級(jí)別劃分采用后者[25]。

由于改進(jìn)了等級(jí)界限確定時(shí)的模糊性和隨機(jī)性，結(jié)合云模型的可拓物元模型關(guān)聯(lián)度的計(jì)算也發(fā)生了變化。對(duì)于數(shù)值與云物元之間的關(guān)聯(lián)度，把評(píng)價(jià)指標(biāo)x視為一個(gè)云滴，將其帶入一個(gè)正態(tài)云發(fā)生器，可計(jì)算出該數(shù)值x與該正態(tài)云模型的關(guān)聯(lián)度k，見式（10）：

式中：x為安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的量值；En'為期望值為En、標(biāo)準(zhǔn)差為He的一個(gè)正態(tài)隨機(jī)數(shù)。

在計(jì)算出待評(píng)估樣本各項(xiàng)指標(biāo)分量與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云之間的關(guān)聯(lián)度后，得出綜合評(píng)判矩陣K，其形式為式（11）：

式中：kij為評(píng)估指標(biāo)與安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的云關(guān)聯(lián)度；i=1,2,…,n，為評(píng)估指標(biāo)數(shù)目，本文n取為13，j為安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)序號(hào)，本文為1-5的整數(shù)。

結(jié)合權(quán)重系數(shù)得出評(píng)判向量B，見式（12）：

式中：評(píng)估指標(biāo)權(quán)重向量由各評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重組成，本研究取用第一個(gè)參數(shù)，K為待評(píng)估指標(biāo)與安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云之間的云關(guān)聯(lián)度矩陣。

利用加權(quán)平均得出綜合評(píng)判分?jǐn)?shù)r[26]為式（13）：

式中：bj為向量B對(duì)應(yīng)的分量；fj為等級(jí)j的得分值，評(píng)判等級(jí)Ⅰ-Ⅴ對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)依次取值為5,4,3,2,1[25]。

需要說明的是在計(jì)算關(guān)聯(lián)度時(shí)，正態(tài)隨機(jī)數(shù)的存在會(huì)使計(jì)算結(jié)果變得不唯一，因此需經(jīng)多次運(yùn)算后[26]求取綜合評(píng)判分?jǐn)?shù)的期望值Erx和熵Ern，計(jì)算式如式（14）—式（15）。

式中：m為運(yùn)算次數(shù)，本文取為100；rh(x)為第h次運(yùn)算得出的綜合評(píng)判分?jǐn)?shù)。最終得到的期望值越接近哪個(gè)數(shù)值，安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)就評(píng)判為與該數(shù)值對(duì)應(yīng)的等級(jí)；熵是對(duì)評(píng)估結(jié)果分散度的衡量，其值越大評(píng)判結(jié)果越分散。

最后定義可信度因子θ[26]為式（16）：

θ值越大，表示評(píng)判結(jié)果的分散度越大，可信度就越小；反之，評(píng)判結(jié)果的可信度就越大。具體評(píng)價(jià)方法應(yīng)用的流程見圖2。

圖2 評(píng)價(jià)方法流程Fig.2 Flow chart of evaluation met hod

2 結(jié)果與分析

2.1 工程背景

河南省趙口引黃灌區(qū)二期工程途徑開封尉氏縣，通許縣，杞縣以及商丘睢縣，分布情況見圖3。本文主要研究位于杞縣施工2標(biāo)的躍進(jìn)干渠，主要包括總干渠渠道總長(zhǎng)14.4741km（設(shè)計(jì)樁號(hào)17+745～32+219.1）。本標(biāo)段渠道為梯形斷面，其中樁號(hào)17+745～27+613.9渠道設(shè)計(jì)為單式梯形斷面，底寬23 m，邊坡1∶2.5；樁號(hào)27+613.9～27+702.6渠道設(shè)計(jì)為單式梯形斷面，此段為漸變段底寬23～15.5m，邊坡1∶2；樁號(hào)27+702.6～32+219.1渠道設(shè)計(jì)為單式梯形斷面，底寬15.5m，邊坡1∶2.5。當(dāng)?shù)丶撅L(fēng)氣候的不穩(wěn)定性和天氣系統(tǒng)的多變性，造成灌區(qū)年際間降水量差別很大，最大與最小降水量相差懸殊和年際間豐枯變化頻繁等特點(diǎn)。渠道經(jīng)過地段穿過部分采空區(qū)及采砂區(qū)，區(qū)域地質(zhì)多為粉土，砂壤土等，地下水類型為第四系松散層孔隙水。渠道分布及采空區(qū)、采砂區(qū)影響范圍見圖4。

圖3 引黃灌區(qū)分布位置Fig.3 Distribution of the Yellow River irrigation district

圖4 渠道分布及空區(qū)影響范圍Fig.4 Distributionof channels andscope ofinfluence of empty areas

2.2 評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重確定

通過項(xiàng)目的相關(guān)資料及咨詢相關(guān)專家對(duì)影響渠道施工的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)重要性程度進(jìn)行排序，得到一級(jí)指標(biāo)的重要性排序?yàn)椋翰煽諈^(qū)風(fēng)險(xiǎn)V1＞采砂區(qū)風(fēng)險(xiǎn)V3＞渠道內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)V4＞外在因素V2，風(fēng)險(xiǎn)因子比較矩陣見表2。

表2 不良地質(zhì)渠道一級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因子相對(duì)重要度比較矩陣Table 2 Comparative matrix of relative importance of risk factors for the first-level indicators of adverse geological channels

通過式（4）將判斷矩陣轉(zhuǎn)化為最優(yōu)傳遞矩陣R，見表3。通過式（5）把矩陣R轉(zhuǎn)化為一致矩陣D，見表4。

表3 不良地質(zhì)渠道一級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因子最優(yōu)傳遞矩陣Table 3 Optimal transfer matrix of first-level index risk factors for poor geological channels

表4 不良地質(zhì)渠道一級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因子一致矩陣Table 4 Consistent matrix of risk factors for first-level indicators of poor geological channels

通過式（6）—式（8）計(jì)算得到的權(quán)重及相對(duì)權(quán)重見表5：

表5 風(fēng)險(xiǎn)因子的相對(duì)權(quán)重Table 5 Relative weights of risk factors

因此得到一級(jí)指標(biāo)采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)V1，外界因素V2，采砂區(qū)不良誘因V3，渠道內(nèi)在因素V4的權(quán)重向量為（0.455，0.101，0.276，0.167）。

對(duì)于采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)下的二級(jí)指標(biāo)，得到4 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子的相對(duì)重要度排序?yàn)椴煽諈^(qū)停采時(shí)間V1-1＞采空區(qū)跨度V1-2＞采空區(qū)深度V1-4＞采空區(qū)面積V1-3；外在因素下的二級(jí)指標(biāo)，相對(duì)重要度排序?yàn)槿祟惢顒?dòng)V2-1＞降雨量V2-2；采砂區(qū)風(fēng)險(xiǎn)下的二級(jí)指標(biāo)，相對(duì)重要度排序?yàn)椴缮皡^(qū)離坡角距離V3-1＞采砂坑深度V3-3＞采砂坑形狀V3-2；渠道內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)下的二級(jí)指標(biāo)，相對(duì)重要度排序?yàn)榈刭|(zhì)構(gòu)造V4-1＝黏聚力V4-3＞邊坡坡度V4-4＞地下水V4-2。各級(jí)指標(biāo)的比較矩陣見表6—表9。

表6 采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)下二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因子相對(duì)重要度比較矩陣Table 6 Comparison matrix of relative importance of secondary index risk factors under mined-out area risk

表7 外在因素下二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因子相對(duì)重要度比較矩陣Table 7 Comparison matrix of relative importance of secondary index risk factors under external factors

表8 采砂區(qū)風(fēng)險(xiǎn)下二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因子相對(duì)重要度比較矩陣Table 8 Comparison matrix of relative importance of secondary index risk factors under sand mining area risk

表9 渠道內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)下二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)因子相對(duì)重要度比較矩陣Table 9 Comparison matrix of relative importance of secondary index risk factors under channel internal risk

采用相同的方法依次對(duì)不同指標(biāo)下的風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，得到采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)下二級(jí)指標(biāo)采空區(qū)停采時(shí)間V1-1、采空區(qū)跨度V1-2、采空區(qū)面積V1-3、采空區(qū)埋深V1-4的權(quán)重向量為0.455、0.276、0.101、0.167；外在因素下二級(jí)指標(biāo)人類活動(dòng)V2-1，降雨量V2-2的權(quán)重向量為0.731，0.269；采砂區(qū)風(fēng)險(xiǎn)下二級(jí)指標(biāo)采砂區(qū)離坡角距離V3-1，采砂坑形狀V3-2，采砂坑深度V3-3的權(quán)重向量為0.563，0.148，0.289；渠道內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)下二級(jí)指標(biāo)地質(zhì)構(gòu)造V4-1，地下水V4-2，黏聚力V4-3，邊坡坡度V4-4的權(quán)重向量為0.394,0.198,0.211,0.198。最終得到綜合權(quán)重見表10。

表10 不良地質(zhì)渠道施工風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重Table 10 Construction risk factor weights of poor geological channels

2.3 云化物元對(duì)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估

經(jīng)過查閱《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T D31-03—2011）[27]，《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 386—2007）[28]，《河道采砂規(guī)劃編制及實(shí)施監(jiān)督管理技術(shù)規(guī)范》（SL 423—2008）[29]等相關(guān)規(guī)范及對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的研究，確定不良地質(zhì)渠道施工的風(fēng)險(xiǎn)致因因子的危險(xiǎn)性為Ⅰ-Ⅴ級(jí)，分別對(duì)應(yīng)于高度危險(xiǎn)，危險(xiǎn)，較危險(xiǎn)，較安全，安全，具體等級(jí)劃分見表11。對(duì)于定量指標(biāo)，以規(guī)定數(shù)值為劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于定性指標(biāo)對(duì)Ⅰ-Ⅴ級(jí)分別賦予5,10,15,20,25[25]。

表11 不良地質(zhì)渠道施工風(fēng)險(xiǎn)致因因子的危險(xiǎn)性等級(jí)劃分Table 11 Dangerous grade division of risk-causing factors for construction of poor geological channels

在得到等級(jí)劃分指標(biāo)后，根據(jù)最優(yōu)云熵的確定方法求取不良地質(zhì)灌溉渠道施工各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)云模型，具體的數(shù)字特征值結(jié)果見表12。

表12 渠道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的云模型數(shù)字特征Table 12 Digital characteristics of cloud model of channel risk level

渠道不同區(qū)段風(fēng)險(xiǎn)因子實(shí)測(cè)值見表13。針對(duì)每個(gè)評(píng)估區(qū)段，分別輸入表13 中13 個(gè)評(píng)估指標(biāo)的實(shí)測(cè)值或評(píng)分值，根據(jù)公式（10）計(jì)算求得各評(píng)估指標(biāo)與安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云之間的云關(guān)聯(lián)度。本文以區(qū)段P1為例，在計(jì)算得到云關(guān)聯(lián)度矩陣后。根據(jù)式（12）求得樣本的評(píng)估結(jié)果向量B（0.025 5，0.121 7，0.230 1，0.333 0，0.299 5），進(jìn)而通過式（13）運(yùn)用加權(quán)平均法得到單次的綜合評(píng)估分?jǐn)?shù)為2.248。為了減少隨機(jī)因素的影響，按上述步驟重復(fù)計(jì)算100 次，根據(jù)式（14）—式（15）計(jì)算得到綜合評(píng)估分?jǐn)?shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.348 和0.021，最后根據(jù)式（16）求得置信度因子為0.009，置信度因子較小，表明評(píng)估結(jié)果的可信度較高。其他2 個(gè)區(qū)段的計(jì)算方法相同，最終得到3 個(gè)區(qū)段的評(píng)估結(jié)果見表14。同時(shí)為了驗(yàn)證本文方法的實(shí)用性，與傳統(tǒng)的層次分析法和物元理論模型的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[31]，最終得到評(píng)價(jià)結(jié)果表14。

表13 渠道不同區(qū)段風(fēng)險(xiǎn)因子實(shí)測(cè)值Table 13 Measured values of risk factors in different sections of the channel

表14 3 個(gè)區(qū)段不同評(píng)價(jià)方法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果Table 14 3 Risk assessment results of different assessment methods in the segments

由表14可知，本文所用方法與文獻(xiàn)[31]的方法評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合，并且本文方法得到的置信度因子均較小，表明本文提出的云模型結(jié)合AHP和物元評(píng)價(jià)方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可信度較高。對(duì)比各項(xiàng)評(píng)估結(jié)果，發(fā)現(xiàn)區(qū)段P3的最終評(píng)價(jià)結(jié)果略有差異，根據(jù)區(qū)段P3的期望均值可知，評(píng)價(jià)結(jié)果距Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)的分值均較近，同時(shí)求得的標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明最終結(jié)果更加接近Ⅲ級(jí)。而且本文的權(quán)重計(jì)算在對(duì)傳統(tǒng)層次分析法標(biāo)度改進(jìn)的基礎(chǔ)上，融入云模型，同時(shí)評(píng)價(jià)模型考慮了項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)因子的隨機(jī)性和模糊性，總體來說，本文方法得到的評(píng)估結(jié)果可信度更高。最終得到的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為：區(qū)段P1風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅳ級(jí)（較安全），區(qū)段P2和P3風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)（較危險(xiǎn)）。

3 討論

汪云[1]所用研究方法主觀性較強(qiáng)，沒考慮到評(píng)價(jià)過程中各因子的不確定性，所得評(píng)價(jià)結(jié)果不夠準(zhǔn)確；王新民等[3]所用客觀評(píng)價(jià)方法也沒考慮到評(píng)價(jià)過程中可能產(chǎn)生的因子變化影響，對(duì)于一定時(shí)期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化不能較好的預(yù)測(cè)；張軍等[31]所用傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果接近本文改進(jìn)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果，而本文所用方法先進(jìn)之處在于將云模型融入“3標(biāo)度”AHP-物元理論中，克服了傳統(tǒng)AHP法依靠主觀經(jīng)驗(yàn)確定因子權(quán)重的不足和可拓物元理論無法全面考慮渠道施工風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)界限值的隨機(jī)性和模糊性問題。最終使得農(nóng)田灌溉渠道施工各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重的確定更加客觀、可靠，并得到滿意的綜合評(píng)估結(jié)果及其可信度信息，而且模型算法簡(jiǎn)單、適應(yīng)性較強(qiáng)、便于編程實(shí)現(xiàn)，為渠道施工風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估提供了一種新方法，對(duì)于指導(dǎo)渠道施工提供了一定的幫助。具體創(chuàng)新內(nèi)容為：層次分析法中的“3標(biāo)度”法操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，但主要依據(jù)專家給出評(píng)價(jià)結(jié)果，主觀性較強(qiáng)，同時(shí)無法解決多人決策沖突時(shí)的綜合評(píng)價(jià)問題，構(gòu)建的判斷矩陣不夠客觀全面，不能準(zhǔn)確地反映出決策者的主觀偏好關(guān)系；利用云模型對(duì)“3標(biāo)度”AHP改進(jìn)，在判斷矩陣的構(gòu)造時(shí)，采用黃金分割法并結(jié)合云模型數(shù)字特征值使兩兩風(fēng)險(xiǎn)元素的比較標(biāo)度賦值體現(xiàn)隨機(jī)性，并且云模型的集結(jié)算法可以將多人決策的賦值全部帶入計(jì)算公式，方便決策。物元理論是通過關(guān)聯(lián)函數(shù)對(duì)事物的特征進(jìn)行定量計(jì)算，能解決評(píng)價(jià)對(duì)象內(nèi)容不相容的問題，但由于其是將特征量值通過具體數(shù)值區(qū)間來確定，因而忽略了量值的隨機(jī)性和模糊性；本文將云模型參數(shù)代替物元理論中的固定事物特征值，進(jìn)行重新定義和構(gòu)造，在建立標(biāo)準(zhǔn)可拓云模型時(shí)，直接利用原始數(shù)據(jù)，省去了數(shù)據(jù)的歸一化處理過程，避免了可能出現(xiàn)的信息丟失，并在關(guān)聯(lián)度計(jì)算時(shí)引入期望值及正態(tài)隨機(jī)數(shù)，使結(jié)果更合理可信。

但是本文在權(quán)重確定的時(shí)候采用云模型改進(jìn)基礎(chǔ)的層次分析法，對(duì)于本文的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)情況，則更加偏向于使用可以較好處理網(wǎng)狀因素系統(tǒng)能力的網(wǎng)絡(luò)分析法（Analytic Network Process）。同時(shí)需要指出的是，各評(píng)估指標(biāo)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估指標(biāo)的評(píng)分取值是否合理也會(huì)對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。因此，在后續(xù)的研究中，還需進(jìn)一步改進(jìn)研究方法并補(bǔ)充和完善不良地質(zhì)下多項(xiàng)影響因素的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，并研究評(píng)估指標(biāo)評(píng)分取值及其安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)等問題，以進(jìn)一步提高評(píng)估指標(biāo)體系的科學(xué)性，增強(qiáng)評(píng)估結(jié)果的全面性和客觀性。

4 結(jié)論

1）河南省趙口引黃灌區(qū)二期工程的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果為區(qū)段1較安全，區(qū)段2、區(qū)段3較危險(xiǎn)；在規(guī)劃范圍內(nèi)施工應(yīng)提前預(yù)防、做好準(zhǔn)備、防止風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，以促進(jìn)項(xiàng)目施工安全進(jìn)行。

2）根據(jù)權(quán)重來看，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注采空區(qū)及采砂區(qū)風(fēng)險(xiǎn)，而對(duì)于采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)則需重點(diǎn)關(guān)注采空區(qū)停采時(shí)間，采砂區(qū)風(fēng)險(xiǎn)需重點(diǎn)考慮采砂區(qū)距離渠道邊坡的距離；從單向因子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估情況來看，需重點(diǎn)考慮采空區(qū)埋深及當(dāng)?shù)氐鼗琉ぞ哿Φ挠绊憽?/p>

3）在規(guī)劃施工前應(yīng)采用工程地球物理勘探、鉆探和坑探工程等措施先進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)，掌握地下空區(qū)參數(shù)及地質(zhì)條件，分析再建工程的可行性；設(shè)計(jì)采空區(qū)的處理方法保障地基穩(wěn)定，以保障灌溉渠道的建設(shè)，具體可采用帷幕注漿、地下沉管注漿等地基加固措施。最終，根據(jù)專項(xiàng)施工方案在保證安全的前提下進(jìn)行渠道施工。