石門水庫除險加固治理效果評價

姜明君

(蓋州市水利事務服務中心，遼寧 蓋州 115200)

采用合理有效的綜合評價模型科學分析水庫加固治理效果，對優化設計加固整治方案和消除水庫安全隱患具有重要意義[1]。如，胡江等[2]提出了水庫加固決策優化的風險和LQI理論，在此基礎上建立定量評估水庫加固效益模型和快速估算潰壩損失的公式；王寧等[3]以非線性組合優化問題的求解替代判斷矩陣的一致性檢驗過程，將傳統的層次分析法加以優化提出水庫加固效果模擬退火評價模型；蔡德所等[4]將多元回歸法和灰色模型GM(1,1)相結合，擬合預測了關鍵段板面堆石壩面板撓度的變形檢測數據，運用Matlab軟件完成數據的相關分析；劉展志等[5]從水環境影響、經濟內部收益率、防洪和灌溉增糧效益等方面，構建水庫加固效益多要素多目標評估體系，運用改進的云模型法和劃分的評定等級系統分析了水庫加固效果；潘翔等[6]從指標時效性的角度構建量化評估大壩加固效果的模型，并對比分析了時效性指標與指標等級、大壩形態變化相互的關系。綜上分析，針對每個元素權重的確定現有評價方法大多以定性分析為主，且水庫加固效果評價通常存在較強的模糊性和不確定性特征。鑒于此，本文結合水庫加固效果評價系統的多層次結構、多因素的特征，將傳統的層次分析法利用三標度層次分析法加以改進，從而解決主觀決策對權重的影響問題。考慮水庫加固治理的模糊性和不確定性特點，運用模糊數學法構建加固效果綜合評估模型，進一步驗證模型的可行性，并將其應用于石門水庫除險加固治理工程。

1 改進的三標度層次分析法確定權重

1.1 評價指標體系的建立

不同地區的水庫運行狀況和水文地質條件往往存在較大的差異，且水庫除險加固治理涉及到的內容多、范圍廣、工藝復雜，為了更加系統、全面的掌握水庫運行情況，應選取真實可靠的數據，從諸多復雜的信息中選取代表性的參數，遵循定量、定性相結合，完備性、層次性和科學性等原則建立評價指標體系。以水庫除險加固治理效果(A)為評價目標，總體上從加固設計與施工方案(B1)、康復程度(B2)、綜合影響(B3)三個方面選擇有價值的數據信息，按照梯階層次結構搭建評價體系，二級因素與三級因素如表1所示。

表1 水庫加固效果評價體系二級因素與三級因素

1.2 權重的計算

1～9標度法為傳統的層次分析法構造判斷矩陣的重要依據，因標度分級過于細化、等級較多增加了估算難度，同時難以掌握不同標度的比較尺度，從而使得判斷矩陣的精準度有所下降。專家判斷每個元素的重要度時利用三標度層次分析法比較容易實現，該方法可以省去復雜的檢驗過程，有效解決傳統的1～9標度法存在的運算量大、偏差大且主觀性強等問題。因此，針對各個元素的重要度排序問題引入專家很容易判斷的三標度層次分析法，即將每個元素權重運用改進的代表度層次分析法求解[7-8]。

2 模糊綜合評價模型

根據各元素隸屬于不同評價等級的程度構成模糊關系映射矩陣，該過程屬于多層次、多因素的復雜性系統問題，其中模糊關系的合成運算為綜合評價的核心，考慮待評價事物所有元素的隸屬等級輸出最終的綜合評價值，所以可選用模糊數學法，其詳細步驟為：

(1)構造因子集U。依據不同層次的評價元素構造因子集U，如集成了工程投資、技術適用性、社會發展影響、運行管理等因素的集合U={u1,u2,…,um}，其中ui為單元素,i=1,2，…，m。

(2)確定評語集V。根據水庫除險加固整治目標要求及其實際運行狀況，針對不同評價等級構成相應的評語集V={v1,v2,…,vn}，其中vj為評價等級,j=1，2，…，n。

(3)單要素模糊評價。設ui為因子集中的第i項元素，關于評價等級vj該元素的隸屬度為rij，利用所有單要素的隸屬度構造模糊評價矩陣R。

(4)綜合評價水庫加固效果。依據單因素ui隸屬于不同等級的程度，建立單因子模糊權重子集W={ω1,ω2,…,ωn}，采用合成算子對矩陣R與W作模糊處理，從而確定水庫加固效果的綜合評判集B，如公式(1)所示：

B={bj}=W×R

(1)

式中：bj為水庫加固治理效果模糊綜合評價值。最后，依據最大隸屬度原則評估水庫加固效果的等級，綜合考慮多方面元素的模糊數學法有效解決了效果評價的模糊性和隨機性問題。

3 實例應用

石門水庫位于遼寧省蓋州市大清河上游，是一座以工農業供水為主，兼具水產養殖、水力發電以及防洪排澇等功能的綜合型水庫。水庫最大庫容1.022億m3。水庫下游區域主要涉及11個鄉鎮的20多萬人和1.33萬hm2耕地，另外還有國家級重點防護的運輸干線、輸油管線等設施[9-10]。結合水庫運行過程中發現的問題和安全鑒定有關結論，充分考慮安全鑒定意見、工程加固設計標準和相關規范，采取的加固整治措施有：加固處理壩體結構、翻建擴建溢洪道、翻修背水坡、依據規范增設大壩安全檢測設施，修建防汛公路、完善管理及通訊設施等[11-21]。

3.1 改進的三標度層次分析法求解權重

步驟1：邀請熟悉工程現場的技術人員和行業內的專家，按照三標度準則評判每個元素的重要度構造比較矩陣C。為簡要說明權重求解過程，以一級因素加固設計方案C1為例，構造的比較矩陣CC1如式(2)：

(2)

步驟2：根據比較矩陣CC1，考慮專家意見構造各三級指標的判斷矩陣A如式(3)：

(3)

步驟3：由權重公式求解水庫加固效果三級元素的權重，經標準化處理最終輸出各元素權重集為：w11=(0.2855,0.1432,0.5713)。

步驟4：按照步驟1～3依次求解出各層級中每個元素的權重。

3.2 加固治理效果評價

(1)搭建評語集。借鑒水庫大壩安全評定標準和現有研究資料，形成水庫加固效果評語集V={很好,好,一般,較差,很差}，然后按照五級制將等級標準劃分，不同等級下的評分區間如表2。

表2 評價等級分值指標

依據水庫大壩安全評價導則、全國重要水庫的安全鑒定指導意見、水利水電工程等級劃分和洪水標準等資料，利用等級打分方案由9名熟悉工程現場的技術人員和專家給予評分，統計整理石門水庫除險加固工程28項元素的專家評判等級，如表3。

表3 三級指標專家評判等級

(2)隸屬度的確定。根據工程技術人員和專家評定的每個指標等級，運用隸屬度求解公式構造二級因素的隸屬度矩陣，如式(4)：

……

(4)

(3)一級層次的模糊評價。采用公式(1)綜合處理隸屬度矩陣r11和C1的權重集w11=(0.2855,0.1432,0.5713)，從而確定水庫加固效果的評判集BC1=(0.2852，0.5716，0.1422，0，0)。

(4)同理，根據以上步驟和相關公式依次確定其它一級、二級、三級元素的效果評判集，水庫除險加固效果的三級元素評估值如式(5)：

BA=w31·r31=[0.5716 0.2850 0.1422]·

(5)

3.3 評價結果分析

結合BA評判結果和最大隸屬度原則，隸屬于“好”等級的值最大為0.6288，由此表明石門水庫工程的除險加固效果達到“好”等級，水庫加固整治項目的實施改善了水利工程病險狀態，加固后的工程效果達到設計要求和預期目標。所以，綜合應用模糊數學法和三標度改進的層次分析法能夠較為客觀、真實的體現水庫加固整治效果，評價結果與工程驗收、加固后運行情況基本一致。

4 結 論

本文綜合考慮水庫大壩安全評價導則和工程安全鑒定指導意見，參考相關規范構建多要素多目標綜合評估體系，針對每個元素的權重運用三標度層次分析法確定，有效解決了主觀決策對評價結果的影響。為解決水庫加固效果評價存在的模糊性和不確定性問題引入模糊數學法，通過設定評語集、因素集和隸屬度矩陣計算，科學分析了三層次評價指標體系。

采用模糊數學法評價石門水庫加固整治效果，結果發現加固整治工程達到預期的設計目標，效果評價屬于“好”等級，該模型滿足科學合理性要求，能夠較為客觀、準確的反映水庫加固整治后的真實狀況，為水庫加固效果評價和方案設計提供科學依據。