改進層次模糊分析法在水庫大壩安全評價中的應用

摘要：近年來，水庫大壩安全事故發生較頻繁，對大壩進行安全評價顯得尤為重要。基于大壩安全運行狀態的代表性指標，建立了綜合評價體系。在確定各指標權重時采用了改進層次分析（AHP）法，可簡化判斷矩陣一致性檢驗過程。在確定各指標因素的隸屬度時，使用修正的正態分布函數作為隸屬度函數，并采用專家評分法確定定性指標量化值，確定了水庫大壩安全模糊綜合評價模型。以某水庫為例，運用模糊綜合評價模型對水庫大壩進行了安全評價，結果為“基本安全”，并分析了大壩存在的安全隱患，提出了改進措施。

關鍵詞：水庫大壩安全評價;AHP法;正態分布函數;模糊綜合評價模型

中圖法分類號：TV698.1

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2020.08.012

我國的水庫大壩在水力發電、防汛抗旱、農業灌溉等方面發揮著重要作用。但是大多數水庫修建年代比較早，受到當時工程技術水平的限制，加上后期監測維修不及時等因素導致工程質量存在缺陷，對周邊環境生態及居民生活造成安全隱患。因此，對水庫大壩的安全及運行狀態進行及時準確、合理全面的評價，對于保障區域生態環境安全、人民生命財產安全及社會經濟穩定發展等具有重要意義[1]。

我國傳統的大壩安全評價主要依據SL258-2000《水庫大壩安全評價導則》[2]（以下簡稱《導則》）。雖然依據《導則》可以規范、全面地對大壩安全進行評價，但是以定性為主的評價方法，難以產生準確的決策結果，在應用過程中存在較大局限性。目前，針對水庫大壩的安全評價方法，眾多學者已進行了大量研究，實際工程中多使用模糊評價法、層次分析法等，應用效果較好。模糊評價法考慮了評價中多因素的不確定性，并用模糊的方式表達輸入和輸出之間的關系[3]。層次分析法[4]在確定各指標權重及排序方面，作為一種輔助手段來確定結果，其本質是將定性問題轉化為定量問題。目前，雖然這兩種方法在水庫大壩安全評價中積累了大量經驗，但在實際應用中，由于研究程度不夠深入，仍然存在很多未解決的問題。對于層次分析法，在確定多個因素的相對重要性時未考慮多種情況，將不確定性及模糊化進行了絕對化，因此往往給出模糊量[5]。同時，該方法在比較判斷矩陣一致性時缺乏整體性。而對于模糊數學理論，在確定隸屬函數時的理論依據不足，使評價結果存在誤差。

本文在《導則》的基礎上，優化了應用層次分析法，簡化了判斷矩陣的一致性檢驗過程;在形成模糊綜合評價矩陣時，采取專家打分法對各定性參數進行定量化計算，有效避免了主觀判斷影響因素隸屬度的問題;為了使評價結果更符合實際情況，實現各因素參數隸屬度定量計算的客觀合理，應用服從正態分布的函數差值法，體現了大壩安全評價的模糊性特征。

1 水庫大壩安全評價指標體系構建

1.1 評價指標層次表構建

多準則、多因素會影響水庫大壩安全綜合評價結果，因此必須綜合考慮安全評價中各因素的影響。本文構建大壩多級模糊評價，選擇《導則》中規定的7項指標為準則層M進行評判。由于該工程缺乏金屬結構資料且不處于抗震設計區，無相關資料，故綜合評價時只考慮5個準則及其下屬因素。通過3個層次對大壩安全進行評價，結構層次見表1。

1.2 影響大壩安全因素權重的確定

1.2.1 比較判斷矩陣的建立

在應用層次分析法時，采用量化的數值來表示所有因素兩兩比較的相對重要性結果。采用1～9標度法[6-7]，用判斷矩陣來表示下屬層次各因素之間的相對重要性。例如，針對水庫大壩安全評價中“滲流安全評價M5”，將其下屬因素“防滲透設施現狀m51”“壩基及壩體滲流m52”“其他建筑物滲流m53”的相對重要性進行兩兩比較，可得表2中的比較判斷矩陣（其中，δij>0，δij=1，δij=1/δji）。

1.2.2 計算權向量

目前，有很多方法計算權重向量W，本文采用較簡單的“根法”[8]，具體過程如下。

計算判斷矩陣的每一行元素乘積：

2 綜合評價體系的建立

2.1 確定隸屬度

《導則》將水庫大壩安全情況分為4個等級，其評語等級集合為V={v1，V2，v3，v4}_{安全，基本安全，不安全，很不安全}。一般情況下，采用定性因素和定量因素描述準則層各下屬因素。由數值結果體現定量因素，隸屬度可通過在隸屬函數中代人定量因素值確定。目前，在綜合評價大壩安全方面，計算隸屬度的方法比較少。因此，本文借用多專家的主觀經驗即專家打分的方式計算各指標隸屬度[10]。

單因素影響因子在大壩安全評價體系中定性稱為離散型指標，為便于構建隸屬函數，應量化處理定性因素和在區間內進行等級劃分。在對單因素進行評價的過程中，相應的隸屬函數應通過劃定不同的評分區間來確定。由于主觀性特征的存在，不同專家意見也會存在差異性，因此，確定各參數評分時需要將多位專家的意見綜合考慮。結合《導則》標準，組成小組進行可靠、科學的打分。根據相關要求，確定分數依次為80～100分、60～ 80分、50～ 60分、30～ 50分的I～Ⅳ級評價標準量化值區間。大壩安全綜合評價的關鍵環節為確定隸屬函數，對于各區間內因素評分值，體現靠近區間中點的幅度與評價等級的隸屬程度;反之，則該評價結果隸屬越模糊。大壩安全各評價等級的隸屬度采用服從正態分布的函數確定，即

3 應用實例

某水庫總庫容9 740萬m3，主要功能是城市生活及工業供水和水力發電。工程包括大壩、溢洪道、導流泄洪洞及壩后發電站。水庫大壩壩型為均質土壩，最大壩高62.60 m，壩頂長539.00 m，壩頂寬10.00 m。正常蓄水位1027 m。上游壩面設400.00 mm厚干砌石護坡，下游壩坡設混凝土塊護坡。大壩壩頭左端緊靠供水發電洞，由洞長為72.91 m的有壓隧洞和洞長為144.50 m的無壓隧洞組成，其中，引渠段長17.00 m，進口閘室段長10.00 m。岸坡距離大壩左岸40.00 m處為導流泄洪洞，洞長452.50 m，由洞徑5.50 m的圓形有壓隧洞段和底寬6.00 m、直墻高7.00 m的無壓隧洞段組成。溢洪道位于大壩左岸約186 m的山體內，凈寬40.00 m，總長152.50 m，堰頂高程為1 021.00 m，為平底寬頂堰。其中，引渠段長12.0 m。引渠段后的控制段由寬頂堰及閘門進行控制，以下為泄槽段，出口采用挑流消能。

水電站位于壩后左岸，通過直徑為2.60 m的供水發電洞引水發電，發電站設計流量為2.60 m3/S，發電站的尾水進入供水管道前的集水池。

3.1 確定各因素權重

在采用層次分析法判斷一致性的檢驗過程中，根據5個因素兩兩重要性比較，建立比較判斷矩陣，見表4。

顯然，得到B。B cB*，即式（6）成立，滿足一致性要求，不需要進行一致性檢驗。然后按照式（1）、式（2）進行計算可得準則層權重向量：

W（2）= （2.1411 0.4066 1.0845 2.0913 0.5065）

對上述結果歸一化處理，得到權重向量：

W（2）=（ 0.344 0.065 0.174 0.336 0.081）

計算因素層權重方法同上，綜合計算結果見表5。

3.2 計算隸屬度

邀請專家對影響水庫大壩安全的各因素進行打分，按照上述隸屬度計算方法對不同評價等級下各單因素的隸屬度進行計算（見表6）。

3.3 模糊綜合評價結果分析

采用文中所述方法計算一級綜合模糊評價矩陣Rt：

用二級模糊綜合評價公式計算得到水庫大壩隸屬于不同評價等級的程度：A（2）=W（2）。 A（1）=[ 0.127 0.348 0.111 0.020]。根據最大隸屬度原則，該水庫大壩的模糊綜合評價等級為Ⅱ級，即處于“基本安全”狀態，評價結果與水庫大壩安全鑒定報告基本一致，說明本文構建的綜合評價模型具有一定的合理性。

由一級模糊評價結果可知：防洪標準復核、滲流安全的模糊綜合評價結果處于Ⅲ級“不安全”狀態;工程質量評價、運行管理評價及結構安全評價的模糊綜合評價結果處于Ⅱ級“基本安全”狀態。因此，建議采取以下措施保證大壩的安全運行：

（1）結合洪水復核結果，對溢洪道護砌進行治理完善，確保溢洪道滿足安全調洪泄洪能力要求;為了減少大壩滲流，新建大壩防滲帷幕，采用新型防滲措施及材料整治及返修大壩防滲設施。

（2）對該工程進行全方位清理整治，加強大壩結構及安全監測，完善大壩變形及水庫位移監測等制度，為大壩安全運行提供數據支撐。

4 結語

本文主要研究水庫大壩安全的評價方法，首先在遵循科學性、可行性原則的基礎上，選擇了17項代表水庫大壩安全運行的評價指標建立了評價體系。利用改進層次分析法對各級因素權重進行計算，在傳統方法的基礎上簡化了判斷矩陣一致性的過程，準確度較高。然后，邀請大壩安全評價領域多位專家對影響大壩安全的各因素進行打分，采用服從正態分布的隸屬函數進行模糊數學處理，構建了模糊綜合評價模型。最后，將該模型應用于某水庫大壩的綜合安全評價中，驗證了模型的可行性，為水庫大壩安全評價提供了一種簡單可行的方法。

參考文獻：

[1]徐竹青，酈能惠.土石壩安全監測分析評價預報系統[J].水利與建筑工程學報，2003， 1（4）：9-12.

[2] SL258-2000水庫大壩安全評價導則[S].

[3]劉云，王亮，申林方，等，大壩安全風險評價的模糊層次綜合模型[J].水科學與工程技術，2007， 23（1）：19-22.

[4] 郭金玉，張忠彬，孫慶云.層次分析法在安全科學研究中的應用[J].中國安全生產科學技術，2008，4（2）：69-73.

[5] 陳建球，唐濤，基于改進FAHP方法的列車運行控制系統仿真可信度研究[J].鐵道學報，2014， 36（3）： 59-66.

[6]LONC Y， XU G B，MA C，et al.Emergency control sys-tem based on the analytical hierarchy process and coordi-nated development degree model for sudden water pollu-tion accidents in the Middle Route of the South-to-NorthWater Transfer Project in China[J]. Environmental Sci-ence and Pollution Research， 2016， 23 （12）： 12332 -12342.

[7]Anane M， Bouziri L，Limam A， et al.Ranking suitablesites for irrigation with reclaimed water in the Na-beul-Hammamet region （Tunisia） using GIS andAHP-multicriteria decision analysis[Jl. Resources，Conservation and Recycling， 2012， 65： 36-46.

[8]張健，陳兵，劉寧.城市軌道交通工程建設項目施工社會風險評價分析一以青島軌道交通工程13號線為例[J].水利與建筑工程學報，2016， 14（6）：174-178， 189.

[9] 陳水利，李敬功，王向公.模糊集理論及其應用[M].北京：科學出版社，2005.

[10] 劉世豪，劉志剛.地鐵安全性能模糊綜合評價模型及其應用研究[J].鐵道工程學報，2011，28（3）：100-104.

（編輯：李慧）

作者簡介：郭維維，女，工程師，碩士，主要從事水工結構及水環境方面的工作。E-mail：412012196@qq.com