基于AHP-DEMATEL法的高寒水渠安全運(yùn)行診斷

鄧偉杰，李雪統(tǒng)，曾長女，趙順利

(1. 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001)

我國地域遼闊，水資源在地域上的分配很不均衡。長距離引水工程作為我國重要的戰(zhàn)略性工程，為保障地區(qū)生活及生產(chǎn)用水，穩(wěn)定地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了良好的水源條件。許多學(xué)者開展了水渠安全運(yùn)行的評價(jià)研究。王雪冰[1]通過對南水北調(diào)中線工程引水渠保定段沿線區(qū)域開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，結(jié)合相關(guān)區(qū)域資料，完成了研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)。吳夢娟等[2]采用AHP求解各指標(biāo)權(quán)重，利用灰色Euclid理論確定各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度，并對引水明渠安全程度進(jìn)行評價(jià)。靳春玲等[3]以PSR模型為基礎(chǔ)，根據(jù)PSR指標(biāo)及建立的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對引大入秦工程引水明渠進(jìn)行安全評價(jià)。

我國高寒區(qū)冬季氣溫低且凍期較長，晝夜溫差大，渠水易滲漏等問題對長距離引水工程的健康運(yùn)行產(chǎn)生了極大的挑戰(zhàn)。呂平[4]等分析了高寒地區(qū)凍土產(chǎn)生凍脹的原因， 總結(jié)了設(shè)計(jì)施工產(chǎn)生凍脹原因，提出了防治凍害的幾種有效措施；馬棟和[5]等針對寒冷地區(qū)大型渠道凍害防治問題，開展保溫防凍護(hù)坡原型試驗(yàn)，對不同保溫板厚度下基土凍脹特征與保溫防凍機(jī)理及保溫零熱阻進(jìn)行研究。目前針對高寒區(qū)供水渠道的災(zāi)害研究多集中于機(jī)理的闡釋和相關(guān)的防災(zāi)措施，針對具體渠段的健康診斷則相對研究不足。基于此，結(jié)合高寒區(qū)供水渠道的災(zāi)害演化規(guī)律及寒區(qū)特點(diǎn)，以具體工程為依托，構(gòu)建寒區(qū)水渠的安全評價(jià)模型，旨在為高寒區(qū)水渠的安全運(yùn)行，水資源配給的穩(wěn)定以及推動(dòng)水資源高效利用提供理論技術(shù)依據(jù)。

1 評價(jià)指標(biāo)及方法

高寒區(qū)輸水渠道主要破壞形式有：渠道滲漏破壞、暴雨及融雪性洪水入渠潰堤及高邊坡沖蝕破壞、砌板縫脫落破壞、凍脹破壞、凍融破壞、流沙淤積破壞等[6- 7]，其中最典型的破壞形式主要是渠道襯砌凍脹破壞和泥巖段渠道滑坡破壞[8]。而造成這些破壞的因素也是眾多的、復(fù)雜的。溫度、降水、運(yùn)行水溫等會(huì)造成渠周土體的反復(fù)凍融，造成破壞；而水渠自身結(jié)構(gòu)、襯砌的選擇、排水措施的選擇也是影響水渠健康運(yùn)行的重要因素；此外，水渠日常的維護(hù)、渠道破壞的應(yīng)急處理等因素同樣不可忽視[9- 11]。

經(jīng)過咨詢行業(yè)專家，針對高寒區(qū)水渠特點(diǎn)，將影響高寒區(qū)水渠安全運(yùn)行的因素歸結(jié)為三大類，分別為自然因素、自身結(jié)構(gòu)和管理因素。以AHP(層次分析法)法對各影響因素進(jìn)行分析[12- 13]。將自然因素，自身結(jié)構(gòu)和管理因素作為準(zhǔn)則層，其具體影響因素作為指標(biāo)層。影響指標(biāo)如圖1所示。

以影響指標(biāo)作為評價(jià)構(gòu)建判斷矩陣，以AHP法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計(jì)算。通過咨詢業(yè)內(nèi)有經(jīng)驗(yàn)的專家對準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的影響指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，按照重要程度進(jìn)行打分。各影響指標(biāo)之間又是相互聯(lián)系，相互影響的[14]。比如自然因素中的氣溫和降水之間存在著相互影響和聯(lián)系。DEMATEL(決策與實(shí)驗(yàn)室分析法)能夠計(jì)算出每個(gè)影響指標(biāo)對其它影響指標(biāo)的影響度以及被影響度，從眾多復(fù)雜的影響指標(biāo)中得到每一個(gè)指標(biāo)的影響權(quán)重。請專家對兩兩指標(biāo)之間的相互影響度打分，利用DEMATEL法對各影響指標(biāo)進(jìn)行分析，構(gòu)建影響關(guān)系矩陣，以此解決各因素之間不相互獨(dú)立的問題[15- 16]。最后根據(jù)檢測及評價(jià)結(jié)果對渠道的健康狀況進(jìn)行診斷。圖2為評價(jià)及診斷診斷路線。

圖1 影響指標(biāo)

圖2 評價(jià)及診斷路線

2 基于AHP-DEMATEL法影響指標(biāo)權(quán)重分析

2.1 AHP法指標(biāo)權(quán)重分析

將指標(biāo)重要程度劃分為10個(gè)等級，并進(jìn)行兩兩比較。10級表示該指標(biāo)較另一指標(biāo)非常重要；1表示兩個(gè)指標(biāo)的重要程度相同；相對不重要?jiǎng)t采取倒數(shù)的的取值方式比如1/10表示該指標(biāo)較另一指標(biāo)非常不重要。為了便于數(shù)學(xué)處理，將指標(biāo)以矩陣的形式排列，建立指標(biāo)判斷矩陣Aij。采用專家打分的形式對指標(biāo)兩兩比較，根據(jù)重要程度打分，得到初始判斷矩陣。計(jì)算每一行元素的乘積：

(1)

式中，Mi—第i行個(gè)元素的乘積；n—矩陣的階數(shù)。

計(jì)算Mi的n次方根

(2)

式中，Wi—第i行個(gè)元素乘積的n次方根。

對向量進(jìn)行歸一化處理：

(3)

經(jīng)過式(1)—(3)計(jì)算得到指標(biāo)初始權(quán)重，但判斷矩陣必須通過一致性檢驗(yàn)才有意義。利用特征根法進(jìn)行了一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果均小于0.01，表明判斷矩陣符合要求。一致性檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 一致性檢驗(yàn)結(jié)果

表2 指標(biāo)綜合權(quán)重

2.2 DEMATEL法指標(biāo)影響度分析

將指標(biāo)間影響度強(qiáng)弱分為0～5個(gè)6等級，5表示兩指標(biāo)之間影響非常強(qiáng)烈，0表示兩指標(biāo)之間互無影響。為了便于數(shù)學(xué)處理，將指標(biāo)以矩陣的形式排列，根據(jù)專家對指標(biāo)兩兩分析判斷，建立直接影響矩陣Rd。

將直接影響矩陣Rd各行元素求和并取最大值d。將直接影響矩陣進(jìn)行歸一化處理，即

R=Rd/d

(4)

式中，R—?dú)w一化的直接影響矩陣。

按下式計(jì)算得到綜合影響矩陣T：

T=R(1-R)-1

(5)

計(jì)算矩陣T中各行元素之和pi和各列元素之和qi。各指標(biāo)的影響度為：

Si=pi×qi

(6)

式中，Si—指標(biāo)影響度。

將結(jié)果歸一化處理，得到影響度權(quán)重W2：

(7)

2.3 AHP-DEMATEL法計(jì)算結(jié)果

經(jīng)以上計(jì)算得到初始權(quán)重W1與影響權(quán)重W2。將W1、W2按照下式計(jì)算得到基于AHP-DEMATEL的綜合權(quán)重W：

W=W1×W2

(8)

將得到的綜合權(quán)重進(jìn)行歸一化處理，得到見表2的考慮指標(biāo)影響關(guān)系的指標(biāo)綜合權(quán)重。

3 高寒水渠健康評價(jià)體系的構(gòu)建

指標(biāo)權(quán)重考慮了指標(biāo)對渠道健康運(yùn)行的影響權(quán)重。而作為長距離的引水渠道工程，各渠段自然、水文、地質(zhì)、人文環(huán)境等條件都不盡相同。為了能夠針對性的對某一渠段進(jìn)行安全評價(jià)，需要建立該區(qū)段的影響指標(biāo)健康等級隸屬度。隸屬度為0～1之間，越大表明該指標(biāo)對應(yīng)的健康級別隸屬度就越大。

以下針對高寒區(qū)水渠的某一渠段進(jìn)行研究，研究中涉及的天氣、地質(zhì)、水文等資料皆由實(shí)地監(jiān)測考察得到，經(jīng)過專家對考察結(jié)果的分析評價(jià)，得到該渠段的健康等級隸屬度表見表3。

表3 渠段健康等級隸屬度

根據(jù)表3建立指標(biāo)安全等級隸屬度矩陣Rij，將計(jì)算得到影響指標(biāo)綜合權(quán)重W與指標(biāo)安全等級隸屬度矩陣?yán)眉訖?quán)平均算子進(jìn)行合成，得到了該渠段的健康診斷隸屬度矩陣，即

Q=W×R

(9)

Q={0.323，0.311，0.274，0.076，0.060}

式中，R—指標(biāo)安全等級隸屬度矩陣；Q—健康診斷隸屬度矩陣。

健康等級將水渠影響指標(biāo)分為5個(gè)健康等級，1.0～0.8為健康、0.8～0.6為基本健康、0.6～0.4為輕度異常、0.4～0.2為異常、0.2～0為重度異常，取平均值為綜合診斷矩陣，健康指數(shù)按式(10)計(jì)算：

D=Q×{0.9，0.7，0.5，0.3，0.1}T

(10)

式中，D—健康指數(shù)。

該水渠最終的診斷結(jié)果見表4。

表4 健康診斷結(jié)果

由表4可以看出，健康與基本健康值之和為0.634，輕度異常、異常以及重度異常指數(shù)之和為0.366；偏健康與偏異常的隸屬度比值約為2∶1，且計(jì)算得到該渠段的健康指數(shù)為0.674，根據(jù)表的健康等級劃分，0.674屬于基本健康，表明水渠可正常運(yùn)行，這與工程實(shí)際的檢測結(jié)果一致。

4 結(jié)語

本文對高寒區(qū)水渠安全運(yùn)行進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)高寒水渠的各渠段安全運(yùn)行檢測結(jié)果，對評價(jià)指標(biāo)健康隸屬度矩陣進(jìn)行賦值，即可得到該渠段的健康指數(shù)，快速高效的了解渠段的運(yùn)行情況并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，保證水渠的供水安全。健康評價(jià)總體分為以下步驟：

(1)針對高寒區(qū)水渠氣候，地理環(huán)境等復(fù)雜的因素，基于AHP-DEMATEL進(jìn)行影響指標(biāo)權(quán)重和分析。

(2)結(jié)合渠段的檢測數(shù)據(jù)，對渠段開展健康等級隸屬度關(guān)系的分析確定，最終得到渠段的健康指數(shù)。

(3)將最終得到的診斷結(jié)果和實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果比較，表明該診斷方法的實(shí)用性及可行性。

(4)診斷方法為高寒區(qū)水渠的健康檢測，運(yùn)行以及維護(hù)提供理論依據(jù)。