莊河市朱隈水庫(kù)大壩安全綜合評(píng)價(jià)

劉桐渤

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116400)

為提高大壩安全評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度和可靠性，最大限度的發(fā)揮灰色分析法、模糊判斷法和物元法等優(yōu)勢(shì)，考慮將物元模型與改進(jìn)DHGF算法相耦合評(píng)價(jià)分析大壩安全水平。其中，綜合集成了模糊評(píng)判法、AHP層次分析法、改進(jìn)Delphi法和灰色關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)法的模型即為DHGF四元評(píng)價(jià)法。對(duì)大壩安全評(píng)價(jià)的不確定因素利用改進(jìn)DHGF-物元模型描述，由此提升安全評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度和可靠性。

1 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

結(jié)合水庫(kù)大壩運(yùn)行實(shí)際狀況和安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則有關(guān)要求，運(yùn)用Delphi方法構(gòu)建包含因素層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的大壩安全性態(tài)評(píng)價(jià)體系，如表1。其中，大壩安全性態(tài)評(píng)價(jià)為第一層目標(biāo)層的內(nèi)容，工程質(zhì)量評(píng)價(jià)、運(yùn)行管理評(píng)價(jià)、防洪標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)、滲流安全評(píng)價(jià)、金屬結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)、抗震安全評(píng)價(jià)為第二層準(zhǔn)則層有關(guān)參數(shù)；第三層共涉及24項(xiàng)代表性元素。采用兩層評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)組成的整個(gè)體系，可實(shí)現(xiàn)元素層對(duì)目標(biāo)層以及大壩安全的綜合評(píng)價(jià)。

表1 水庫(kù)大壩安全性態(tài)評(píng)價(jià)體系

將大壩安全評(píng)價(jià)按照導(dǎo)則要求劃分為V1、V2、V3級(jí)，其中V1代表A級(jí)安全、V2代表B級(jí)基本安全、V3代表C級(jí)不安全，從而構(gòu)成評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)集V={V1,V2,V3}。

2 水庫(kù)大壩安全物元評(píng)價(jià)模型

2.1 評(píng)價(jià)量樣本矩陣

結(jié)合水庫(kù)大壩運(yùn)行實(shí)際狀況和工程建設(shè)目標(biāo)要求，邀請(qǐng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)和安全評(píng)估領(lǐng)域的專家對(duì)各項(xiàng)參評(píng)因子賦予相應(yīng)的評(píng)分(表1)，依據(jù)專家評(píng)分值構(gòu)造待評(píng)樣本矩陣。通過(guò)對(duì)每個(gè)物理量觀測(cè)資料的綜合分析，由一定資質(zhì)的評(píng)價(jià)單位按照大壩實(shí)際運(yùn)行情況給予準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)和判斷，該過(guò)程屬于大壩安全評(píng)價(jià)的重要組成內(nèi)容[1]。

設(shè)參與水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)數(shù)和專家數(shù)為n、h，引入dij為關(guān)于評(píng)價(jià)因子j參評(píng)專家i給予的評(píng)價(jià)量樣本，其中i=1，2，…，h；j=1，2，…，n；由此，構(gòu)造的評(píng)價(jià)量樣本矩陣D即為每個(gè)專家對(duì)所有參評(píng)因子的評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，其表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

2.2 物元模型

一般情況下，物元方法運(yùn)用特征量值U、特征值S和事物名稱N構(gòu)成基本物元，其表達(dá)式為：M=(N,S,U)。

水庫(kù)大壩運(yùn)行受運(yùn)行管理措施、庫(kù)盤地質(zhì)形態(tài)、大壩環(huán)境條件和施工質(zhì)量等諸多因素的影響，對(duì)其安全評(píng)價(jià)屬于一項(xiàng)涉及多領(lǐng)域、多要素的復(fù)雜問(wèn)題，針對(duì)此類問(wèn)題可選用物元模型構(gòu)造多因子、多特征矩陣如式(2)所示：

(2)

2.3 物元評(píng)價(jià)模型

將水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)的物元模型與灰色-模糊理論、改進(jìn)DHGF算法相結(jié)合，從而構(gòu)建綜合評(píng)估模型如式(3)所示：

(3)

由于不同要素對(duì)安全評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)率存在一定差異，由此構(gòu)造的模糊判斷矩陣如式(4)所示：

T=W·M=(t1,t2,t3)

(4)

式中：t1、t2、t3為模糊判斷矩陣T中的元素。然后采用歸一化公式處理判斷矩陣T，最終獲取大壩安全性態(tài)模糊綜合評(píng)價(jià)值Z，其計(jì)算如式(5)所示：

Z=T·VT

(5)

Z值越大則大壩的安全運(yùn)行性態(tài)越好，安全評(píng)價(jià)等級(jí)越高。然而實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，水庫(kù)大壩通常存在許多的安全隱患，為了能夠及時(shí)準(zhǔn)確的排除這些隱患還要進(jìn)一步評(píng)估準(zhǔn)則層各要素狀況，從整體的角度系統(tǒng)評(píng)估大壩運(yùn)行情況，從而為降低大壩運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和排除安全隱患提供科學(xué)依據(jù)。

3 物元模型實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.1 確定權(quán)重

選用熵權(quán)法改進(jìn)DHGF算法中的權(quán)重，將主、客觀權(quán)重系數(shù)利用變異系數(shù)法求解，從而確定各個(gè)因子的綜合權(quán)重。

采用變異系數(shù)法求解組合權(quán)重的表達(dá)式如式(6)、式(7)所示：

(6)

(7)

3.2 實(shí)現(xiàn)步驟

水庫(kù)大壩安全性態(tài)利用改進(jìn)DHGF算法的物元模型評(píng)價(jià)的主要流程如下：

步驟一：結(jié)合評(píng)價(jià)單位對(duì)參評(píng)因子的模糊評(píng)分和表1建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系求解相應(yīng)的權(quán)重，將模糊數(shù)學(xué)理論與灰色分析法結(jié)合確定權(quán)矩陣R。

步驟二：考慮水庫(kù)大壩的工程特征構(gòu)造物元矩陣，為簡(jiǎn)要說(shuō)明模型的結(jié)構(gòu)形式，以準(zhǔn)則層B3為例其模型如式(8)：

(8)

其中，R13為準(zhǔn)則層中的模糊權(quán)矩陣；然后利用公式T=W·M和構(gòu)造的物元模型得到相應(yīng)的判斷矩陣T，以此類推構(gòu)造準(zhǔn)則層中各元素組成的判斷矩陣T1，即：T1=(T11,T12,T13,T14,T15,T16,T17)。

步驟三：根據(jù)以上運(yùn)算結(jié)果建立大壩安全評(píng)價(jià)綜合物元模型M2，在此基礎(chǔ)上完成模糊判斷矩陣T1的求解。如式(9)

(9)

步驟四：將綜合評(píng)價(jià)值和第一層評(píng)價(jià)結(jié)果相結(jié)合，通過(guò)分層逐項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各項(xiàng)元素，最終實(shí)現(xiàn)大壩安全性態(tài)和安全等級(jí)的結(jié)果輸出。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 工程概況

朱隈水庫(kù)是一座集供水、排澇、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、發(fā)電和旅游等功能于一體的大(2)型水利工程。水庫(kù)控制面積260.1 km2，多年平均入庫(kù)徑流量9886萬(wàn)m3，校核和設(shè)計(jì)洪水為2000 a一遇、100 a一遇，最大和興利庫(kù)容16 562萬(wàn)m3、11 166萬(wàn)m3。水庫(kù)現(xiàn)已服役運(yùn)行60多年，水庫(kù)大壩存在許多安全隱患。為充分發(fā)揮工程效益、確保水庫(kù)工程安全及保障下游區(qū)域人民生命財(cái)產(chǎn)安全，有必要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)考察情況和大壩運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)大壩安全形態(tài)，從而為太平水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)及方案優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐[2-3]。

4.2 權(quán)重的計(jì)算

將熵權(quán)法計(jì)算結(jié)果與評(píng)價(jià)單位評(píng)分相結(jié)合，利用文中所述變異系數(shù)計(jì)算公式得到每個(gè)因子的組合權(quán)重如式(10)：

W11=(0.280,0.647,0.073)；

W12=(0.086,0.244,0.770)；

W13=(0.333,0.333,0.333)；

W14=(0.396,0.396,0.092,0.078,0.038)；

(10)

W15=(0.660,0.274,0.066)；

W16=(0.638,0.259,0.103)；

W17=(0.635,0.230,0.088,0.047)；

W2=(0.291,0.046,0.138,0.290,0.072,0.026,0.136)

4.3 灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)和模糊權(quán)矩陣

根據(jù)評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)構(gòu)造的白化權(quán)函數(shù)，可確定大壩安全評(píng)價(jià)的模糊權(quán)矩陣R如式(11):

(11)

4.4 結(jié)果分析

根據(jù)求解的物元模型和模糊權(quán)矩陣，確定大壩安全評(píng)價(jià)第一層結(jié)果如式(12)：

(12)

結(jié)合以上運(yùn)算值可獲取大壩安全評(píng)價(jià)第二層值為：T2=W2M2=W2T1=(0.420，0.527，0.054)；最終可計(jì)算確定Z2=6.105。依據(jù)劃分的評(píng)價(jià)等級(jí)和Z2=6.105，可判定為該水庫(kù)大壩達(dá)到B級(jí)基本安全水平。通過(guò)對(duì)向量Z1運(yùn)算結(jié)果的分析，安全性較好的有B1、B4、B5、B7因素，這幾項(xiàng)評(píng)判因子可以達(dá)到良好水平滿足安全性要求，因此除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮此類要素影響；而準(zhǔn)則層中B2、B3、B6因素達(dá)到一般水平，同時(shí)這些因子存在向下一等級(jí)轉(zhuǎn)變的可能，為降低水庫(kù)向病險(xiǎn)狀態(tài)的發(fā)展應(yīng)加強(qiáng)日常巡查和監(jiān)控。

5 結(jié) 論

(1)綜合考慮物元方法和灰色模糊方法的優(yōu)點(diǎn)，將物元方法與改進(jìn)DHGF法相結(jié)合用于水庫(kù)大壩安全形態(tài)的評(píng)價(jià)，從而保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確度；物元分析與改進(jìn)DHGF相耦合的評(píng)價(jià)模型較傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法存在運(yùn)算簡(jiǎn)單、結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)。該方法可分層逐級(jí)評(píng)價(jià)多目標(biāo)復(fù)雜問(wèn)題，通過(guò)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層因素和綜合分析大壩整體安全水平，為改善大壩運(yùn)行管理措施及合理的評(píng)價(jià)大壩運(yùn)行狀態(tài)提供參考。

(2)水庫(kù)大壩運(yùn)行涉及到的范圍廣、因素多，且不同要素存在隨機(jī)性和不可控性特征，為進(jìn)一步提升評(píng)價(jià)結(jié)果的真實(shí)可靠度，要將定量評(píng)價(jià)與定性分析相結(jié)合系統(tǒng)評(píng)價(jià)大壩安全水平。