基于廣義集對分析法的潰壩環境影響評價

李宗坤 李娟娟 葛巍 李巍

摘要：針對集對分析法存在的同、異、反評語粗略問題，對其進行改進，聯系度由3級推廣到5級，進而建立了基于廣義集對分析法的潰壩環境影響評價模型。將該模型用于沙河集水庫的潰壩環境影響評價，與傳統的集對分析法、模糊數學理論模型評價結果進行比較，表明基于廣義集對分析法的評價結果更為合理，更貼近研究對象的實際情況，為水庫大壩潰壩環境影響評價提供了一種更為可靠且操作簡單的方法，具有良好的工程應用價值。

關鍵詞：潰壩;環境影響;聯系度;廣義集對分析;評價模型

中圖分類號：TV698.2+37

文獻標志碼：A

doi：10. 3969/j .issn. 1000- 1379.2019.05.022

隨著社會經濟的快速發展，水庫大壩下游用于改善環境及公共事業的投資不斷增加，預警和應急能力得到提升，同時大壩一旦失事造成的潰壩環境影響后果愈加顯著，社會將更加難以承受[1-3]。因此，在“以人為本”“構建和諧社會”的背景下，開展潰壩環境影響評價研究非常必要。有關學者[4-6]對潰壩環境影響評價進行了初步探討，但已開展的研究多是將社會、環境影響作為一個整體進行評價。潰壩環境評價是一個涉及眾多影響因素且存在大量不確定性因素的系統，而集對分析方法是一種處理不確定性問題的系統分析方法，目前已在眾多領域得到廣泛應用，并取得了良好的效果[7-10]，因此可以將集對分析方法用于潰壩環境影響評價。但是，傳統集對分析方法存在同、異、反評語粗略問題和評價結果失真問題，為此，本研究利用原創聯系度可拓展性并引入廣義集對勢理論對其進行改進，以提高評價結果的精確度，并用于水庫大壩潰壩環境影響評價。

1 傳統集對分析原理

集對分析理論由我國學者趙克勤[11]首次提出，其核心思想是首先對具有一定聯系的兩個集合構建集對，進而對集對的特性進行同一、差異、對立的系統分析，然后用同、異、反聯系度μ表達式定量刻畫兩集合的聯系程度。對于兩個給定的集合組成的集對H=（A，B），在某個具體問題背景下，對集對H的N個特性展開分析，其中：有S個特性為集合A和B共同具有的，有P個特性為兩個集合對立的，其余的F=N-S-P個特性既不相互對立又不共同具有。聯系度表達式為式中：μ為聯系度，可以全面、系統地刻畫兩個集合之間的同、異、反聯系，故也稱為同、異、反聯系度;a、b、c稱為聯系度系數，分別表示集對分析的同一度、差異度和對立度，a、b、c取值范圍為[0，1]且滿足約束條件a+b+c=1，a、c相對確定，b相對不確定;i為差異標記符號或相應系數，i∈[ -1，l];j為對立標記符號或相應系數，j=一1。

2 基于廣義集對分析方法的評價模型

2.1 傳統集對分析方法的改進

建立評價模型的關鍵是確定集對的聯系度。傳統集對分析法的基本思想是：若評價樣本落人某評價等級則體現同一度，聯系度取值為1：落人與其相隔等級則體現對立度，聯系度為-1;落人與其相鄰等級則體現差異度。當評價樣本落人相鄰等級時，可能在評價等級優越一邊，也可能在評價等級劣差一邊，兩種評價結果有較大差異，這使得傳統集對分析的評語不夠細化，給細致準確判定評價樣本帶來了困難。為此，利用原創聯系度可拓展性對傳統集對分析方法進行改進，即對差異度、對立度系數作更深層次的刻畫，建立5級聯系度表達式。

2.2 聯系度的確定

本研究采用距離貼近度的方法來確定聯系度系數a、b1、b2、c1、c2的值[12]。若指標值處于評價等級，則a=1，其他系數均為0;若指標值處于評價等級的相鄰等級，則越靠近評價等級標準值。越大，反之b1、b2、c1、C2越大，且若在評價等級優越一邊，則越靠近相鄰等級標準a越大、b1越小，反之則a越小、b1越大;若指標值處于相鄰的等級且在評價等級劣差一邊，則越靠近相鄰等級標準a越大、b2越小，反之則a越小、b2越大;若指標值處于評價等級的相隔等級，且在評價等級優越一邊，則越靠近評價等級標準a、b1越大，c1越小;若指標值處于評價等級的相隔等級，且在評價等級劣差一邊，則越靠近評價等級標準a、b2越大，c2越小。

根據以上改進，評價指標對應的5個評價等級的聯系度計算方法如下：

式（9）在實際應用中存在以下問題：①集對勢無法處理c=0的情況，在實際應用中存在一定的局限性：②判定結果可能出現與集對勢分級相矛盾的失真現象。如：有兩個系統，聯系度分別為μ1=0. 10+0. 89i+0. Olj與μ2= 0.88+O.Oli+0. llj，根據集對勢定義按式（9）計算，可得SHI（μ1）=10> SH/（μ2）=8，即1的同勢程度要大于2的同勢程度，而根據集對勢等級表可知，1屬于同勢四級微同勢，2屬于同勢二級強同勢，即1的同勢程度小于2的同勢程度，兩種判定方法結果完全相反[13]。

基于上述分析，為了解決傳統集對分析方法存在的問題，采用如下廣義集對勢：

可見，置信度準則是從“強”的角度考慮的，即認為越“強”越好，而且“強”的類應占相當大的比例。

3 可靠性驗證

以文獻[6]中沙河集水庫為例，對上述改進模型進行驗證。

3.1 評價因素

水庫潰壩環境影響評價指標是根據水庫潰壩的主要影響特征，選定典型指標反映水庫大壩一旦潰決時產生的環境影響。在水庫潰壩社會及環境影響已有研究成果的基礎上，根據科學、典型、綜合、系統、實用、定性與定量相結合等原則，選取河道形態、水環境、土壤環境、植被覆蓋、生物多樣性、人文生態環境、污染工業等7項指標[4-5]來評價水庫潰壩環境影響。其中：河道形態和植被覆蓋屬于定量指標，河道形態可通過計算單位長度單位寬度的沖刷或淤積量來確定，植被覆蓋可以用土地受損率與重要性進行表征;水環境、土壤環境、生物多樣性、人文生態環境、污染工業這5項指標難以直接定量計算，主要根據損毀規模、損毀程度和損毀對象的相對重要性，由專家進行評判，屬于定性指標。

評價指標中既有定量指標也有定性指標，按潰壩環境影響嚴重程度將各評價指標分為輕微、一般、中等、嚴重和極其嚴重5個等級。結合調查資料和相關文獻[4-6]確定了水庫潰壩環境影響評價指標分級標準，評價指標等級劃分及取值范圍見表1。

3.2 基礎數據

對于定性指標，結合沙河集水庫大壩下游環境的損毀規模、程度和相對重要性等，專家根據表1進行綜合評分：對于定量指標，河道形態通過計算“單位長度單位寬度沖刷或淤積量”得到，植被覆蓋根據“不同土地利用方式的權重及受損面積”綜合計算得到。各評價指標值見表2。

3.3 聯系度計算

將表2中的指標值代人式（3） -式（7），確定評價指標與各評價等級之間的聯系度，見表3。

通過專家打分、構造判斷矩陣、重要性排序和一致性檢驗等，確定各評價指標權重向量為W=[ 0.068，0.260， 0.500， 0.078， 0.052， 0.017， 0.025]。根據式（8），求得綜合聯系度向量為

3.4 評價結果判定

由式（10）計算得到沙河集水庫對應5個等級的廣義集對勢向量，進行歸一化處理，結果見表4。采用置信度準則進行判斷，得到沙河集水庫潰壩環境影響等級為“嚴重”。

為了驗證該模型的有效性，將該模型的評價結果與傳統的集對分析法、文獻[6]中的模糊數學理論評價結果（見表5）進行比較。

（1）按照傳統的集對分析法無法對潰壩環境影響等級進行判斷，原因是傳統集對分析法無法判斷c=0的情況，而評價對象對于評價等級“嚴重”的綜合聯系度向量中出現c1=c2=0的情況，使得評價結果失真。而改進的廣義集對分析法針對這一不足，用廣義集對勢進行改進，使評價結果更加合理，應用范圍更為廣泛。

（2）改進模型的評價結果是“嚴重”，模糊數學理論評價方法的評價結果是“極其嚴重”，相差一個等級，主要原因是模糊數學理論的判斷準則是最大隸屬度原則。如果運用最大隸屬度原則進行評價，本文模型的評價結果也為“極其嚴重”等級，但這兩個等級的隸屬度非常相近，例如本文模型“嚴重”和“極其嚴重”兩等級的評價指標值分別為2.003和2.037，模糊數學理論兩等級的評價指標值分別為0.301和0.379，這在一定程度上影響了評價結果的可靠性，使得管理者難以決策。最大隸屬度原則只能確定對于各評價等級的趨同度，未綜合考慮樣本對各評價等級的聯系程度，可能存在判斷失真的問題。因此，本文模型運用置信度作為最終等級判斷的依據更加客觀、準確，與實際情況更為貼近，在對潰壩環境影響等級判定時有較強的指導性，便于管理者進行風險決策。

4 結論

潰壩環境影響評價對于大壩風險管理具有重要意義。集對分析作為處理不確定問題的系統理論方法適用于潰壩環境影響評價。利用原創聯系度的可拓展性對傳統集對分析方法進行改進，對異、反系數的刻畫更為細致，將聯系度推廣到5級，引入廣義集對勢來判定評價等級，克服了原集對勢定義在實際應用中存在的局限性和判定結果失真問題，并運用置信度準則進行評判，使判定結果更為合理可靠。將本文建立的潰壩環境影響評價模型用于沙河集水庫潰壩環境影響評價，并與其他方法的評價結果進行比較，表明本文方法的評價結果更為合理，更貼近研究對象的實際情況，為水庫大壩潰壩環境影響評價提供了一種更為可靠且操作簡單的方法，具有良好的工程應用價值。

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