付志君
(1. 廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司水利科學研究所,廣東 廣州 510530;2. 清華大學土木水利學院,北京 100084)
水庫大壩作為重要的水利工程建筑物,對下游地區(qū)的經濟社會發(fā)展起到了不可替代的作用。它為下游地區(qū)提供清潔的水源和可靠的能源保障,在防洪、灌溉、供水和發(fā)電等方面產生了巨大的效益,并成為我國防洪保安工程體系中不可或缺的組成部分[1-2]。雖然,水庫大壩是儲存和調節(jié)水資源的關鍵設施,如果大壩安全性不達標,一旦發(fā)生事故將造成巨大的人員傷亡和財產損失,可能給周邊地區(qū)帶來嚴重的破壞,還有可能對整個流域的生態(tài)環(huán)境造成長期的影響。通過對大壩的安全性進行評估,可以及時識別潛在的風險和問題,采取相應的措施保護人民的生命財產安全,同時可以及早發(fā)現潛在的環(huán)境風險,并采取預防措施確保水庫大壩的安全運行,從而保護生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展[3-6]。
對于水庫大壩的安全性評估,國內外學者開展了許多研究。季利等[7]通過現場安全檢查、檢測和觀測資料分析等,根據相關規(guī)范對故縣水庫進行綜合評價,評價從工程質量、運行管理、防洪能力、大壩結構與滲流安全性、金屬結構安全等多個方面展開。評價結果顯示,該水庫大壩的工程質量合格,運行管理良好,具備較好的防洪能力,并且大壩結構與滲流安全性以及金屬結構安全均符合要求。綜合評定為“一類壩”。由于現有的水庫大壩安全評估方法FMECA 存在主觀性,且忽略各安全隱患之間的相互影響,陳泳江等[8]提出將FMECA-模糊層次分析法應用于水庫大壩安全性分析。該方法建立了水庫大壩潛在安全隱患的結構體系,對隱患的發(fā)生頻率和影響嚴重程度進行評分,得出FMECA 評分表。然后,將模糊層次分析法中風險矩陣的權重計算方法應用于FMECA 評分表的判斷矩陣,對各隱患進行權重分配。最后,通過模糊綜合評判分析水庫大壩的安全性。將該方法應用于云南省某水庫,研究結果顯示該水庫的安全等級為A,與實際結果相符。這證明該方法可以用于水庫大壩的安全評估,并彌補了FMECA 方法的不足。為了解決大壩總體安全性評估和安全性預警指標選擇中的不確定性問題,Sang 等[9]提出了一種擴展云模型(ECM)與擴展層次分析法(EAHP)相結合的方法。在這種新方法中,反映大壩安全監(jiān)測的不同因素可視為一個模糊系統(tǒng)??紤]到前向云模型和后向云模型的特點,對原始數據進行了擴展,對劃分區(qū)間進行了分類,并確定了各自的指標。每個指標的權重分布采用EAHP 方法來確定。將所建立的模型應用于吉林某堆石壩的安全性評價。仿真結果表明,該模型除了可用于評估不確定性和安全預警指標外,還能產生可靠的結果。所提出的模型也比其他方法更靈活、更易于使用。
大壩安全性評價是一個復雜的問題,因為評價過程中涉及的指標較多,各指標之間存在著諸多聯系,且各指標還存在子指標。即使可采用實地調查,依據規(guī)范對各指標值進行確定,但是各指標所占權重依然是水庫大壩安全性評價所面臨的另一個重要難題?;诖?本文提出一種組合賦權(Combination weighting,CW)的方法對水庫大壩進行安全性評價,該方法以常用的賦權法如層次分析法、CRITIC 法等為基礎,通過進一步組合加權并得到最終的權重,結合各指標的實際評價值,對水庫大壩進行安全性評價。該方法能夠有效考慮各指標之間的相關性,同時兼顧主客觀賦權法的優(yōu)勢,使評價結果更加準確,基于該方法得出的評價結果,可為水庫大壩的除險加固提供依據。
大壩是一個復雜的多參數系統(tǒng),受到許多因素的影響。包括但不限于壩體和基巖材料的性質復雜多樣,壩體內部結構的變化、運行管理的措施以及工程質量等等都可能在工程過程中或后期運行中發(fā)生隨機變化。隨著時間的推移和自然荷載的作用,土石壩可能出現大量的病害,這嚴重威脅到水庫大壩的安全運行。因此,安全評價旨在確保土石壩系統(tǒng)的安全性。雖然可以按照規(guī)范等對各參數進行評價,但是對于各參數所占的權重,各學者之間仍存在較多爭議,進而導致水庫大壩整體安全性評價仍面臨許多困難[10-11]。為了能夠準確評價水庫大壩的安全性,本文提出了一種組合賦權的評價方法,構建該方法的數學模型,其表達式如下:
式中:M 為水庫大壩的得分;mi為第個指標的值;wi為第個指標的平均權重,可以用下式表示:
式中:Pi,l為采用方法得到的第個指標所占的初始權重;Wi,l,a為方法所占的平均權重,其計算如下:
式中:Wi,l為根據方法得到的第個指標所占的二次分配權重。
需要注意的是,初始權重可采用常用的專家判斷法、層次分析分析法、熵權法和CRITIC 法等[12,13]。關于這些方法可參考相關研究,本文不再重述。
本文以五座水庫為例,說明本文提出方法的實現過程,其中,胖某溝水庫是一座中型水庫,主要用途是防洪和灌溉,碾某溝水庫是一座兼灌溉、防洪和養(yǎng)育等功能的中型水庫,高某水庫是一座?。?)型水庫,兼顧防洪、灌溉和養(yǎng)魚等功能。新某水庫是一座集灌溉、防洪等功能于一體的中型水庫,小某河水庫屬于小(1)型水庫,兼顧供水、防洪等功能。根據《水庫大壩安全評價導則》(SL 258-2017)[14]及相關研究[15],確定了水庫大壩安全評價層次結構圖,見圖1,同時,結合該研究,給出了水庫大壩安全等級評價表和水庫大壩各指標的評分,見表1 和表2。下面將采用2 種不同的方法對五座水庫進行評價,即本文提出的方法和規(guī)范法,其中規(guī)范法則是用于驗證本文提出的方法的可行性。需要注意的是,為簡化案例分析,初始權重確定時采用了常用的層次分析法(即AHP法)和CRITIC 法,它們分別代表了主觀賦權法和客觀賦權法。
表1 水庫大壩安全等級評價表
表2 水庫評分表
圖1 大壩安全評價層次結構圖
根據AHP 法的計算步驟,分別計算權重。根據表2 給出的水庫大壩的評分及本文介紹的CRITIC 法,分別求出各評價層的權重,然后計算各準則層的得分,進而計算準則層的權重。AHP法和CRITIC法計算得出的準則層權重和評價層權重,見表3。由表可知,對于準則層,兩種方法得到的權重各不相同。例如,兩種方法得出的結果中差異最大的是準則層A1,基于CRITIC 法的權重比AHP 法增加了114.6%。對于評價層,兩種方法得出的權重也各不相同。例如,兩種方法得出的結果中差異最大的是評價層A37,基于AHP 法的權重比CRITIC法增加了165.3%。這些結果也表明,采用單一方法計算權重是不可靠的。
表3 基于AHP 法和CRITIC 法的權重對比
根據準則層指標的權重和評價層指標的權重,計算評價層指標所占的總權重,結果見表4。由表可知,基于AHP 法的權重與CRITIC 法依然各不相同,而基于本文提出CW 法的權重則位于前兩種方法中間。例如,與CW 法相比,基于AHP 法和CRITIC 法的權重相差最大的都是評價層A12,差異百分比分別為50.9%和51.3%。該結果進一步表明,采用單一方法計算權重會進一步導致評價結果失真,而結合兩種方法(即CW 法),則可對評價指標的權重評價更加合理化。
表4 評價層指標總權重
根據表2 水庫大壩評價層各指標的得分、表4 評價指標的總權重和表1 水庫大壩安全性評價等級表,對文中研究的五座水庫大壩大進行安全性等級評價,結果見表5。由表可知,除了小某河水庫,采用AHP 法、CRITIC 法和本文提出的CW法得到的水庫大壩安全性等級評價結果基本一致。對于小某河水庫,基于AHP 法和CW 法得到的安全性評價結果為不安全,而基于CRITIC 法得到的安全性評價結果為極不安全。該結果表明,采用單一方法會出現評估結果失真的問題。水庫大壩安全關乎著人們生命和財產安全,如果出現潰壩等災害,將會產生嚴重的經濟損失、人員傷亡以及極其惡劣的社會影響。因此,對于大壩安全性等級,務必采用組合方法對大壩進行綜合評價。
表5 水庫大壩安全性等級評價表
為了驗證本文給出的CW 法的有效性,采用《水庫大壩安全評價導則》(SL 258-2017)對五座水庫大壩進行評價,規(guī)范法和CW 法的評價結果見表6。其中,規(guī)范法中涉及了7個指標,即文中準則層的指標,統(tǒng)計各指標達到相應等級的數量,即為表中規(guī)范法的結果。同時,該表也給出了五座水庫大壩的優(yōu)劣性排序。由表6 可知,CW 法的優(yōu)劣性排序與規(guī)范法一致,該結果驗證了本文提出的CW 法的有效性。
表6 基于規(guī)范法和CW 法大壩安全性對比
本文提出了一種組合賦權(CW)的水庫大壩安全性評價方法,以五座水庫為例,對比分析了基于AHP 法、CRITIC 法和CW 法的安全性等級評價結果,同時,采用規(guī)范對五座水庫進行安全性評價,得出以下主要結論:
(1)基于AHP 法和CRITIC 法得出的準則層和評價層權重各不相同,對于準則層,差異最大的是工程質量評價,CRITIC 法與AHP 法相差114.6%,對于評價層,差異最大的是壩基滲流穩(wěn)定,AHP 法與CRITIC 法相差165.3%。
(2)基于AHP 法、CRITIC 法和CW 法的評價層總權重各不相同,且基于CW 法的總權重位于AHP 法和CRITIC 法之間,與CW 法相比,基于AHP 法和CRITIC 法的權重相差最大的都是連接情況,差異百分比分別為50.9%和51.3%。
(3)基于AHP 法和CRITIC 法的水庫大壩安全性評價結果存在細微差異,但鑒于水庫大壩安全的重要性,務必采用組合方法即CW 法對水庫大壩進行綜合評價。
(4)基于CW 法的水庫大壩評價結果與基于規(guī)范的評價結果一致,驗證了本文提出的CW 法的可行性和有效性。