基于AHP不疑定權聚類的長距離輸水工程閘門 び急調控方式研究

龍巖　雷曉輝

摘要：針對長距離輸水工程，提出了應急調控過程中影響閘門調控效果的6項指標，包括調控時間、調控后污染范圍、調控后污染物峰值濃度、調控成本、操作難易程度及調控對工程的影響；然后利用層次分析法建立和量化影響閘門調控效果的各項指標，并引入灰色定權聚類方法對閘門調控方式進行灰色分類，建立三角白化權函數，更能準確地確定閘門調控方式。最后以南水北調中線總干渠京石應急段起點至西黑山分水口之間的渠道為例，運用AHP灰色定權聚類方法，確定了中線工程應急調控過程中較為合理的閘門調控方式為同步閉閘。

關鍵詞：長距離輸水工程；層次分析法；灰色定權聚類；白化權函數；閘門應急調控

中圖分類號：TV133；X522文獻標識碼：A文章編號：

16721683（2018）04018405

Study on emergency gate control in long distance water transfer project based on AHPGrey fixed weight clustering

LONG Yan1，2，LEI Xiaohui1，XU Guobin2，QUAN Jin1，LI Youming3

（

1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3.BGI Engineering Consultants Ltd，Beijing 100038，China）

Abstract：

[JP+3]For longdistance water transfer projects，we proposed six indexes which affect the effects of gate control in emergency regulation.The six indexes include control time，sphere of pollution after control，peak concentration of pollutants after control，cost of control，difficulty level of control，and impact of control on the project.Then we used the analytic hierarchy process to establish and quantify these indexes，and adopted the gray fixed weight clustering method to conduct gray classification of the gate control modes.We established the triangular whitening weight function so as to determine the gate control mode more accurately.Finally，taking the channel from the start of the emergency section of the main canal of the Middle Route of SouthtoNorth Water Transfer Project to the Xiheishan offtake as a case study，using the AHPgrey fixed weight clustering method，we determined that synchronous gate closure is a more reasonable control mode in emergency regulation of the Middle Route project.

Key words：

long distance water transfer project；analytic hierarchy process；grey fixedweight clustering；whitening weight function；emergency gate control

由于我國水資源時空分布不均勻，使許多地區出現嚴重缺水現象，并且經濟發展也受到制約，因此產生了調水需求[1]。針對此問題，我國已建跨流域輸水工程20余座，如南水北調工程[2]、引灤入津工程、引黃濟青、引松入長等。正是由于這些跨流域工程沿線有眾多輸水建筑物，易導致突發水污染事件發生[34]。目前國內外學者對污染物輸移擴散研究較多，如作者已經分析了同、異步閉閘調控方式下污染物輸移擴散規律[5]，同時也對如何快速預測污染物擴散范圍進行研究[6]，TANG等[7]對南水北調中線工程正常輸水情況下污染物變化規律進行研究；但是一旦發生突發水污染事件，如果不能快速有效的確定閘門的調控方式，將會導致調控方案出現偏差，延誤救援時機。許多學者也針對突發水污染事件提出了一些應急調控決策模型[89]，在這些模型中，閘門的調控方式是重要的組成要素，因此對長距離輸水工程突發水污染事件閘門應急調控方式進行研究[10]，將有利于應急調控及應急處置。

閉閘調控方式的選取主要依賴于閘門調控效果和操作技術。不同輸水工程的沿線建筑物、水力控制等條件不同，所選擇的閘門調控方式的調控效果和操作技術水平相差很大。為了有效控制污染物擴散，減小經濟損失，需根據輸水工程的實際情況選取操作技術容易、調控效果最好的閉閘調控方式[11]。因此為了針對不同的閉閘調控方式的優劣做出客觀、定量的綜合評價，文中引入了灰色白化權函數聚類分析方法。灰色白化權函數聚類又分為灰色變權聚類與灰色定權聚類兩種方法，其中灰色變權聚類適合于指標的意義、量綱皆相同的情況；灰色定權聚類則適合于聚類指標的意義、量綱不同，并且不同指標的樣本值在數量上相差較大的情況[1214]。而層次分析法（AHP）的多級分層結構體系[1517]，將影響閉閘調控效果的多狀態變量轉換為單狀態變量進行評估，使閉閘調控效果定位易于實現，同時能定量給出狀態評估結果。因此，本文將AHP與灰色聚類分析相結合，確定長距離輸水工程應急調控過程中閘門調控方式，并以南水北調中線京石應急段為例驗證了此方法在長距離輸水工程突發水污染事件應急調控過程中的科學有效性。

1模型構建

模型的具體思路是根據決策者的判斷信息，利用AHP確定各指標的權重，然后利用白化權函數進行灰色聚類，最后根據綜合聚類系數，判斷適用于長距離輸水工程的閉閘調控方式。其具體步驟為：

2案例分析

本文選取南水北調中線總干渠京石應急段起點至西黑山分水口之間的渠道為研究對象[25]。具體說明了基于AHP三角白化權函數的灰色聚類綜合評價方法與過程。

（1） 閉閘調控評估體系的確定。

閉閘調控方式分為同步閉閘調控、異步閉閘之“上游先關閉”和異步閉閘之“下游先關閉”，這三種方法為聚類對象，取調控時間、調控后污染范圍、調控后污染物峰值濃度、調控成本、操作難易程度及調控對工程影響為指標；按照好、較好、差三類進行分類。每個聚類對象關于各聚類指標的觀測值矩陣為X=（xij）3×5，應急決策者需要根據觀測值xij對相應的調控方式進行評估、判斷，確定所屬灰類，從而確定閉閘調控方式。影響閘門調控效果的因素很多，而且各因素的影響程度各不相同，因此，指標的選取原則是能直觀地反映閘門調控效果。為了滿足閉閘調控方式評估的需要，本文所建立的評估體系見圖1。

將各個指標得分轉化為百分制，分為好、較好和差3個灰類，通過AHP方法對各項指標進行專家調查得到閉閘調控評估判斷矩陣A，通過和法對矩陣A進行求解得到調控時間、調控后污染范圍、調控后污染物峰值濃度、調控成本、操作難易程度及調控對工程影響的權重分別為03536，00636，01944，01645，01201，01038。

（2） 評價矩陣的建立。

本文假設南水北調中線總干渠京石應急段起點至西黑山分水口段發生突發水污染事件，事件發生后閘門進行緊急調控，對這3種閉閘調控方式進行評價研究，評分標準見表1；其各指標實現值見表2。

從表4中可以看出，在長距離輸水工程中，同步閉閘調控屬于“好”灰類，異步閉閘之“上游先關閉”屬于“較好”灰類，而異步閉閘之“下游先關閉”屬于“差”灰類，說明在長距離輸水工程應急調控中需同時關閉上下游節制閘。從實際情況來看，對于多渠段的明渠輸水工程，異步閉閘可有效降低水位波動對渠道岸邊的破壞，但是閉閘調控的總時間過長，這樣一旦發生重大污染事故，不利于污染物的控制；并且同步閉閘調控較異步閉閘調控更能有效控制污染范圍。因此，在長距離輸水工程應急調控過程中，較為合理的閘門調控方式為同步閉閘，這一結論與練繼建[3]等人提出的突發水污染事件下，長距離明渠輸水工程中控制污染范圍的應急調控方式為同步閉閘調控方式是一致的。

3結論

在長距離輸水工程應急調控過程中，考慮閘門調控方式對調控效果的影響，提出了調控時間、調控后污染范圍、調控后污染物峰值濃度、調控成本、操作難易程度及調控對工程影響等影響因素。利用AHP建立閉閘調控評估體系，并通過構建三角白化權函數確定閘門的調控方式，最后以南水北調中線京石應急段為例，通過AHP灰色聚類分析，得到在應急調控中需同時關閉上下游節制閘；同時，可將該閘門調控方法直接應用于調控系統中，這樣可以有效的控制污染物擴散，降低污染事故影響。

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