堰塞壩開發(fā)利用綜合評價方法與應(yīng)用

周彥章 錢逸 何寧 張中流 尹祥

摘要：現(xiàn)階段堰塞壩開發(fā)利用工程設(shè)計(jì)建設(shè)大多沿用傳統(tǒng)土石壩相關(guān)技術(shù)理論，應(yīng)急搶險、風(fēng)險分析及開發(fā)利用可行性分析完成后，缺少針對堰塞壩開發(fā)利用效果的定量評價方法。通過分析社會及生態(tài)、供水灌溉、發(fā)電功能及投資回報等堰塞壩開發(fā)利用需求，建立堰塞壩開發(fā)利用綜合評價指標(biāo)體系和多級模糊綜合評價模型，引入云模型改進(jìn)的層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合構(gòu)建的隸屬度函數(shù)確定各指標(biāo)隸屬度，并以紅石巖、唐家山、白格、舟曲泥石流堰塞壩為典型案例，綜合評價國內(nèi)典型堰塞壩開發(fā)利用效果。結(jié)果表明：堰塞壩開發(fā)利用綜合評價體系滿足需求效果及收益最大化的評價要求，改進(jìn)的多級模糊綜合評價模型較好地解決了評價指標(biāo)隨機(jī)性、離散性等問題；綜合評價結(jié)果與工程實(shí)際情況基本相符，評價體系及模型具有較好的適用性。研究成果可為堰塞壩開發(fā)利用綜合評價提供理論參考和實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：堰塞壩開發(fā)利用； 指標(biāo)隸屬度； 綜合評價模型； 改進(jìn)云模型

中圖法分類號： TV649

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.003

0引 言

堰塞壩常常伴隨著地質(zhì)災(zāi)害而產(chǎn)生，在中國西部山區(qū)廣泛分布，如2008年“5·12”地震形成以唐家山為代表的大小堰塞壩30余座。堰塞壩風(fēng)險分析需要準(zhǔn)確評估洪水、泥石流等災(zāi)難可能帶來的影響，以便制定有效的預(yù)警機(jī)制和應(yīng)急預(yù)案。堰塞壩應(yīng)急搶險和風(fēng)險分析完成后，對堰塞壩進(jìn)行險情處置、整治開發(fā)，使之成為調(diào)蓄水庫和綠色電站，具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。目前堰塞壩開發(fā)利用工程及其設(shè)計(jì)建設(shè)大多沿用傳統(tǒng)土石壩相關(guān)技術(shù)理論［1-2］，其開發(fā)利用評價工作缺少理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

堰塞壩應(yīng)急搶險、風(fēng)險分析及開發(fā)利用可行性分析完成后，基于堰塞壩開發(fā)利用需求分析，本文從社會生態(tài)、供水灌溉、發(fā)電功能及投資回報等4個方面建立堰塞壩開發(fā)綜合評價指標(biāo)體系，引入云模型改進(jìn)的層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合構(gòu)建的隸屬度函數(shù)確定各指標(biāo)隸屬度，利用最大隸屬度原則，綜合評價國內(nèi)典型堰塞壩開發(fā)利用效果。研究成果可為類似情況下堰塞壩開發(fā)利用工程評價提供理論參考和實(shí)踐依據(jù)。

1堰塞壩綜合開發(fā)利用需求分析

1.1社會及生態(tài)需求

堰塞壩大多形成于高山峽谷區(qū)，使得江河斷流壅水。山區(qū)河流流量隨季節(jié)性變幅較大，大部分時間河道水深較淺，局部河段河面較寬闊，豐枯季節(jié)水面變化大，洪水期間水位暴漲，對下游人口形成巨大風(fēng)險，枯水季節(jié)甚至出現(xiàn)河道斷流現(xiàn)象，河道自凈能力不足。山洪水量集中流速大時，還會導(dǎo)致河床面受到?jīng)_刷。堰塞壩破裂可能導(dǎo)致大量泥石流和洪水沖擊下游生態(tài)系統(tǒng)，對河流、濕地、植被等造成破壞。風(fēng)險分析應(yīng)該考慮這些生態(tài)系統(tǒng)的價值和脆弱性，以便在制定措施時保護(hù)生態(tài)多樣性和生態(tài)平衡。

堰塞壩開發(fā)利用工程建成后，將達(dá)到一定蓄水水位并具有防洪調(diào)蓄能力，在枯水期能夠起到涵養(yǎng)水源的作用；降緩原有河床坡度，減慢河道流速，攔蓄洪水泥沙，起到消能防洪作用［3］。堰塞壩永久性整治開發(fā)利用后，能夠消除堰塞湖上下游沿岸居民、農(nóng)田的防洪隱患，并解除因堰塞壩潰決對下游梯級水電站造成的洪水威脅，消除地震引起的堰塞壩地質(zhì)災(zāi)害問題。

1.2供水灌溉需求

堰塞壩兩岸地形多為高陡山體，土層淺薄、植被稀少，涵養(yǎng)水源能力差，河流落差大，可開發(fā)利用水資源較少，開發(fā)利用程度低，人畜飲水困難，抵御各種自然災(zāi)害的能力差，尤其是在近年來極端氣候變化作用下，水資源季節(jié)性分配極度不均，特別是枯水季徑流減少，溪溝、小河斷流，加劇干旱缺水［4-5］。

堰塞壩整治開發(fā)利用工程庫容形成后能夠?qū)ι嫌螀^(qū)域?qū)崿F(xiàn)自流供水，在確保水量需求的同時，還能夠最大限度地降低供水成本，并為工程下游灌區(qū)發(fā)展提供水源保障，擺脫山高谷深、水資源無法利用的現(xiàn)狀。風(fēng)險分析需要考慮到不同地區(qū)的水資源需求，以確保在應(yīng)對堰塞壩事件時，水資源仍能夠合理分配。

1.3發(fā)電功能需求

堰塞壩所處山區(qū)河段水能資源較為集中，上游至下游河段間存在較大的河道落差。通過綜合開發(fā)利用，充分利用水能資源，在不影響防洪安全的前提下，可將堰塞壩開發(fā)成具有一定季節(jié)調(diào)節(jié)能力和發(fā)電裝機(jī)容量的大壩，平均每年可為電力系統(tǒng)提供大量電量，促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展。

1.4投資回報需求

堰塞壩整治及開發(fā)利用工程建設(shè)期，需要從外部運(yùn)輸大量的水泥、鋼材、大型施工機(jī)械和大型水力、電器機(jī)械等，以及施工期間人員流通往來，可促進(jìn)當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；同時，堰塞壩整治工程的建設(shè)還可帶動當(dāng)?shù)亟逃?、衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展，促進(jìn)當(dāng)?shù)匦罗r(nóng)村建設(shè)和城鎮(zhèn)化進(jìn)程，給當(dāng)?shù)匕傩諑砀嗟木蜆I(yè)機(jī)會。

堰塞壩開發(fā)利用工程建設(shè)，能夠創(chuàng)造較好的生產(chǎn)、生活條件，顯著改善人民群眾的生活環(huán)境，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定，生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。

2堰塞壩開發(fā)利用綜合評價指標(biāo)體系及模型

2.1綜合評價指標(biāo)體系建立

堰塞壩風(fēng)險分析、開發(fā)利用可行性分析等前期工作完成后，其開發(fā)利用還涉及多方面需求和目標(biāo)，需全方面綜合評價堰塞壩開發(fā)利用工程對各項(xiàng)需求指標(biāo)的滿足程度，以滿足各需求效果或收益最大化為目標(biāo)，建立涵蓋多目標(biāo)性、效益性和綜合性的堰塞壩開發(fā)利用綜合評價體系［6-7］。

根據(jù)堰塞壩開發(fā)利用目標(biāo)需求（A），歸納總結(jié)社會及生態(tài)需求（B1）、供水灌溉需求（B2）、發(fā)電需求（B3）和投資回報需求（B4）等4類需求目標(biāo)。綜合考慮堰塞壩社會及生態(tài)需求的防洪減災(zāi)能力（C1）、水土保持能力（C2）、景觀豐富度（C3）；供水灌溉的農(nóng)業(yè)灌溉能力（C4）、生活供水能力（C5）、工業(yè)供水能力（C6）和生態(tài)水保障性（C7）；發(fā)電需求的裝機(jī)特性（C8）和發(fā)電量（C9）以及投資回報的投資回報率（C10）等要素確定堰塞壩開發(fā)利用的綜合評價指標(biāo)。其中B類需求準(zhǔn)則的不同組合決定了相應(yīng)需求A滿足程度，而B類準(zhǔn)則的確定則通過C類指標(biāo)的組合來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)指標(biāo)因子層給出了各指標(biāo)因子的指標(biāo)說明，并對各指標(biāo)因子給出了賦分標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間，采用專家打分，再利用隸屬度云模型進(jìn)行加權(quán)平均運(yùn)算的方法進(jìn)行評價。根據(jù)上述原則，采用層次分析法對堰塞壩開發(fā)利用效益進(jìn)行系統(tǒng)評價：將效益性以百分制劃分等級，對于目標(biāo)層，分別用效益低（0～25）、效益較低（25～50）、效益較高（50～75）和效益高（75～100）來表征。以社會及生態(tài)需求、供水灌溉需求、發(fā)電需求和投資回報需求滿足度構(gòu)成準(zhǔn)則層，并將準(zhǔn)則層向下分解出指標(biāo)層，從而建立包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層等多個層次的堰塞壩開發(fā)利用綜合評價體系，如表1所列。

2.2多級模糊綜合評價模型

多級模糊綜合評價是一種應(yīng)用廣泛的多因素和多目標(biāo)決策技術(shù)，集成了層次分析法和模糊綜合評判法的各自優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在將評價指標(biāo)體系分成遞階的多級結(jié)構(gòu)，運(yùn)用層次分析法確定各層的指標(biāo)權(quán)重，然后分層次進(jìn)行模糊綜合評判，最后綜合給出總的評價結(jié)果。堰塞壩開發(fā)利用綜合評價系統(tǒng)是一個復(fù)雜的模糊系統(tǒng)，可以在上述效益評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，采用多級模糊綜合評價方法，對其進(jìn)行綜合評價。

在已建的堰塞壩開發(fā)利用評價體系基礎(chǔ)上，只要確定了其中各層次、各因子的權(quán)重和指標(biāo)隸屬度，就可以通過多級模糊映射，綜合評價出具備特定效益因子組合條件下的堰塞壩治理開發(fā)所對應(yīng)的開發(fā)利用效目標(biāo)層準(zhǔn)則層指標(biāo)因子層指標(biāo)對應(yīng)于目標(biāo)層的綜合評價結(jié)果，即為多級模糊綜合評價模型的最終評價結(jié)果矩陣，根據(jù)最大隸屬度原則，隸屬度最大的元素對應(yīng)的效益等級，即為堰塞壩多級模糊開發(fā)利用評價模型的最終評價結(jié)果。

2.3改進(jìn)的多級模糊綜合評價模型

在上述堰塞壩開發(fā)利用效益評價過程中，主要考慮了堰塞壩評價系統(tǒng)的模糊性，而忽略了系統(tǒng)的隨機(jī)性和離散性，因此利用云模型進(jìn)行改進(jìn)。

云模型在傳統(tǒng)概率論和模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，通過期望（Ex）、熵（En）和超熵（He）3個數(shù)字特征，將模糊性、隨機(jī)性和離散性有機(jī)結(jié)合起來，并實(shí)現(xiàn)了不確定語言和定量數(shù)值之間的自然轉(zhuǎn)換。由此可見，利用云模型改進(jìn)多級模糊綜合評價模型，可以考慮效益評價系統(tǒng)中的模糊性，同時，也可較好地處理系統(tǒng)中的隨機(jī)性和離散性，從而在不確定條件下，對堰塞壩開發(fā)利用進(jìn)行綜合評價。具體流程如圖1所示。

2.3.1評語集云模型

2.3.2云模型標(biāo)度

堰塞壩治理開發(fā)評價因子的狀態(tài)分析中，其重要性的比較常常會受到專家個人經(jīng)驗(yàn)和主觀因素的影響，為此，本文通過構(gòu)建基于云模型標(biāo)度的評價因子兩兩比較判斷矩陣來對其進(jìn)行改進(jìn)［8-10］，云模型的標(biāo)度準(zhǔn)則如表3所列。

與傳統(tǒng)層次分析法的權(quán)重計(jì)算相比，采用云模型標(biāo)度的判斷矩陣計(jì)算各評價因子的權(quán)重，不僅對重要性標(biāo)度進(jìn)行了比較，同時對熵和超熵也進(jìn)行了計(jì)算，從而對評價語言的模糊性和離散性有了更加客觀的描述［11］。

2.3.3因子隸屬度云模型

分別建立堰塞壩治理開發(fā)評價因子的隸屬函數(shù)，這個過程實(shí)質(zhì)上是一個統(tǒng)計(jì)分析的過程。

確定了云模型的期望值（Ex）、熵（En）和超熵（He）3個數(shù)字特征以后，其相應(yīng)的隸屬云模型也就由此確定了。利用云的期望、熵和超熵這3個數(shù)字特征值來表示隸屬度的數(shù)學(xué)特征，充分考慮了評價因素對治理開發(fā)效益等級的隸屬度關(guān)系間的隨機(jī)性和離散性。其中，期望表示其預(yù)期值，熵表示隸屬度相對于預(yù)期值的離散程度，超熵表示隸屬度的真實(shí)情況偏離預(yù)期的程度［12］。

3典型堰塞壩開發(fā)利用綜合評價結(jié)果

將效益評價因子權(quán)重云模型與10個評價因子狀態(tài)對應(yīng)的隸屬度云模型進(jìn)行加權(quán)平均運(yùn)算，按式（9）～（11）計(jì)算各典型堰塞壩開發(fā)利用綜合評價因子的隸屬度云模型，結(jié)果如表5所列。

3.1紅石巖堰塞壩

牛欄江紅石巖堰塞壩是2014年云南魯?shù)榈卣饘?dǎo)致兩岸山體塌方（主要為右岸邊坡發(fā)生特大型崩塌）而形成的。堰塞體堆積總方量約1 000萬m3，控制流域面積12 087 km2，占全流域面積的88.4%，多年平均流量127 m3/s，正常蓄水位1 200 m，相應(yīng)庫容1.41億m3，形成的水庫具備季節(jié)調(diào)節(jié)性能［13-14］。

按式（9）～（11）計(jì)算，紅石巖堰塞壩開發(fā)利用綜合評價效益評分為71.21，屬于效益較高等級，根據(jù)其熵值（2.12）計(jì)算得分區(qū)間為［64.85，77.57］，屬于效益較高與效益高等級之間，綜合開發(fā)利用結(jié)果理想。

3.2唐家山堰塞壩

唐家山堰塞湖位于北川縣城上游約3.2 km處的通口河峽谷中，堰塞壩順河向長803.4 m，橫河向?qū)?11.8 m，最大高度約124 m，體積約2 037萬m3，上游集雨面積3 550 km2，最大可蓄水量3.16億m3。自2009年6月開始，先后開展了左岸裂縫、右岸滑坡、泄流明渠整治、左岸應(yīng)急整治、右岸滑坡堆積體整治以及唐家山大型滑坡體治理等應(yīng)急工程，有效處置了一系列險情。2012年底前，建成了堰塞湖左岸泄洪洞、禹里鄉(xiāng)防洪堤等工程，完善了堰塞湖管理用房、監(jiān)測站、人行索橋以及應(yīng)急搶險公路等配套設(shè)施，使唐家山堰塞湖成為一座比較穩(wěn)定安全的水庫［15-17］。

按式（9）～（11）計(jì)算，唐家山堰塞壩開發(fā)利用綜合評價效益評分為64.82，屬于效益較高等級，根據(jù)其熵值（3.69）計(jì)算得分區(qū)間為［53.75，75.89］，屬于效益較高等級范圍內(nèi)，綜合治理開發(fā)結(jié)果較為理想。

3.3白格堰塞壩

白格堰塞體的體積約為2 750萬m3，堰塞壩順河道方向長度約2 km，橫河向?qū)挾燃s450～700 m，堰塞壩整體呈鞍型，左高右低。左側(cè)最高點(diǎn)高程3 002 m，右側(cè)埡口高程2 930 m，堰塞壩高度60～100 m［18-19］。

按式（9）～（11）計(jì)算，白格堰塞壩開發(fā)利用綜合評價效益評分為41.85，屬于效益較低等級，根據(jù)其熵值（371）計(jì)算得分區(qū)間為［30.72，52.98］，屬于效益較低與效益較高等級之間，綜合治理開發(fā)結(jié)果較差。

3.4舟曲泥石流堰塞壩

舟曲縣位于甘肅省甘南藏族自治州東南部，東、北鄰隴南市武都區(qū)、宕昌縣，西南與迭部縣、文縣以及四川省九寨溝縣接壤。2010年8月，縣城北部山區(qū)突降特大暴雨，1 h降雨量達(dá)77.3 mm?？h城北面的三眼峪、羅家峪發(fā)生特大山洪泥石流，山洪泥石流帶來的砂石和沖毀的房屋等物體，在流入白龍江后形成長約15 km、寬100～120 m、淤積厚度約9 m、淤積量約140萬m3的堰塞體，并在其上游形成長1.5 km、寬100～120 m、水深約10 m、蓄水量約150萬m3的堰塞湖，導(dǎo)致舟曲縣城1/3面積淹沒［20-22］。

按式（9）～（11）計(jì)算，舟曲泥石流堰塞壩開發(fā)利用綜合效益評分為35.08，屬于效益較低等級，根據(jù)其熵值（4.15）計(jì)算得分區(qū)間為［22.63，47.53］，屬于效益較低與效益低等級之間，開發(fā)利用綜合效果差。

4結(jié) 論

（1） 根據(jù)堰塞壩開發(fā)利用要求，從社會及生態(tài)需求、供水灌溉、發(fā)電功能及投資回報等方面分析了堰塞壩整治開發(fā)綜合利用的需求，同時評估了堰塞壩開發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)社會效益。堰塞壩的建成，消除了防洪隱患，降低了供水成本，提供了清潔的電能資源，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。

（2） 在滿足可行性開發(fā)利用需求的基礎(chǔ)上，堰塞壩開發(fā)利用綜合評價體系滿足需求效果及收益最大化的評價要求，改進(jìn)的多級模糊綜合評價模型較好地解決了評價指標(biāo)隨機(jī)性、離散性等問題。

（3） 紅石巖堰塞壩開發(fā)綜合評價高，改建為水電樞紐工程已發(fā)揮顯著綜合效益；唐家山堰塞壩綜合開發(fā)利用效益較高，工程安全風(fēng)險是制約其開發(fā)利用的關(guān)鍵因素；白格堰塞壩綜合開發(fā)結(jié)果較差，一旦潰決會給下游帶來巨大災(zāi)難；舟曲泥石流堰塞壩綜合利用效果差，已清除整治，恢復(fù)原河道。

（4） 得到的堰塞壩開發(fā)利用綜合評價結(jié)果與實(shí)際工程情況基本相符，評價體系及模型具有較好的適用性，能夠?yàn)檠呷麎伍_發(fā)利用綜合評價提供理論參考和實(shí)踐依據(jù)。

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（編輯：謝玲嫻）