某水利工程布置方案的模糊綜合評價研究

李嘉陵

(廣東華迪工程管理有限公司，廣州 510000)

1 工程背景

某水利樞紐及輸水工程主要由水利樞紐、輸水管線以及凈水廠3部分組成，工程的主要任務(wù)是為城市供水，兼有發(fā)電和防洪等其他功能。壩址以上控制流域面積5 869 km2，設(shè)計(jì)庫容量2.35×108m3，工程建成之后可以有效提升當(dāng)?shù)厮Y源的利用效率，緩解下游城市的生產(chǎn)生活用水緊張狀況。在水利工程規(guī)劃建設(shè)過程中，選擇合理的位置和最佳的布局具有十分重要的意義和作用[1]。其中，樞紐的布局應(yīng)該確保不同功能建筑物位于各自的位置，并能夠相互協(xié)調(diào)地完成相應(yīng)的工作任務(wù)；同時還要盡量減小工程成本和項(xiàng)目占地，以減少投資[2]?；诖?，本文利用模糊綜合評價法，對背景工程的壩型、筑壩材料、閘門形式以及生態(tài)流量泄流形式等布置方案進(jìn)行優(yōu)化研究，以期為工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供支持和借鑒。

2 模糊綜合評價法

2.1 方法原理與特點(diǎn)

模糊綜合評價法來源于學(xué)習(xí)和研究對象的模糊性，其基本原理是將模糊對象以及反映這些對象的模糊概念當(dāng)成一定的模糊集合，然后建立適當(dāng)?shù)哪：`屬函數(shù)，通過模糊集合論的相關(guān)運(yùn)算與變換，對研究對象本身進(jìn)行定量化的分析[3]。模糊綜合評價法可以進(jìn)行多層次評價，且評價過程本身屬于不斷循環(huán)的過程。具體而言，前一過程的綜合評價結(jié)果可以為后面過程的綜合評價提供必要的數(shù)據(jù)依據(jù)[4]。因此，針對較為復(fù)雜的評價對象，可以進(jìn)行單級模糊綜合評價與多級模糊綜合評價。

2.2 評價步驟

在利用模糊綜合評價方法對研究對象進(jìn)行評價時，需要按照如下步驟進(jìn)行：

1) 確定評價對象的具體評價指標(biāo)，所有的評價指標(biāo)組成評價指標(biāo)集。

2) 確定評價對象的評語等級域，也就是評判集，每一個等級對應(yīng)一個模糊子集。

3) 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣。在模糊子集建立完成之后，需要對所選取的評判對象的每一個因素逐步進(jìn)行量化，也就是確定評價對象的模糊子集的隸屬矩陣，并獲取評價對象的模糊關(guān)系矩陣[5]。

4) 確定評價因素的權(quán)向量。利用層次分析法獲取評價指標(biāo)之間的相對重要性排序，確定權(quán)重系數(shù)，并在合成之前實(shí)現(xiàn)歸一化。

5) 合成評判結(jié)果向量。利用合適的權(quán)重集將評價因素權(quán)向量和相應(yīng)的隸屬矩陣進(jìn)行合并，獲取評價對象的評判結(jié)果向量。

6) 評判結(jié)果向量分析。在實(shí)際評價過程中，一般采用隸屬度最大的原則進(jìn)行分析和處理。此次研究中為了避免信息損失過多，采用加權(quán)平均求隸屬度等級的方式，對評判對象進(jìn)行等級位置排序，并計(jì)算出相應(yīng)的得分。

3 模糊綜合評價結(jié)果與分析

3.1 壩型方案

結(jié)合背景工程的實(shí)際情況，選擇重力壩、土石壩和拱壩3種常用的壩型進(jìn)行模糊綜合評價[6]。顯然，上述3種壩型各有優(yōu)劣，難以簡單評判出最佳壩型。研究中利用模糊綜合評價法，通過發(fā)放調(diào)查問卷的方式咨詢該領(lǐng)域的專家，選擇施工工藝、技術(shù)難度、運(yùn)行管理、地質(zhì)條件、防滲效果、生態(tài)影響等6個指標(biāo)對3種不同壩型進(jìn)行打分，最終的打分結(jié)果見表1。

表1 各壩型打分情況

續(xù)表1

通過專家賦權(quán)的指標(biāo)權(quán)重，將施工工藝、技術(shù)難度、運(yùn)行管理、地質(zhì)條件、防滲效果、生態(tài)影響等6個指標(biāo)分別表示為a1、a2、a3、a4、a5、a6，然后利用層次分析法計(jì)算獲取模糊一致判斷矩陣，結(jié)果見表2。

表2 壩型評價指標(biāo)模糊一致判斷矩陣

計(jì)算指標(biāo)權(quán)重為(0.124 44、0.164 44、0.172 25、0.194 44、0.178 88、0.204 44)。將打分區(qū)間分為A、B、C、D、E共5個等級，分別對應(yīng)最佳、較佳、一般、較差和最差。最后，利用專家打分結(jié)果代入Matlab程序中，利用加權(quán)平均法計(jì)算隸屬度，隸屬度模糊矩陣的5個數(shù)字分別對應(yīng)A、B、C、D、E這5個等級。計(jì)算結(jié)果為重力壩(0.432 78、0.988 97、0.244 30、0.037 26、0.000 00)；土石壩(0.276 78、0.829 77、0.876 23、0.325 44、0.072 33)；拱壩(0.275 31、0.532 85、0.572 26、0.588 76、0.028 86)。根據(jù)隸屬度最高的基本原則，重力壩、土石壩和拱壩的等級分別為B級、C級和C級。由此可見，重力壩為最佳壩型，建議在工程設(shè)計(jì)中選用。

3.2 筑壩材料方案

結(jié)合背景工程的實(shí)際情況，選擇常態(tài)混凝土、碾壓混凝土和漿砌石3種常用的筑壩材料進(jìn)行模糊綜合評價[7]。研究中利用模糊綜合評價法，通過發(fā)放調(diào)查問卷的方式咨詢該領(lǐng)域的專家，選擇施工工藝、施工效率、技術(shù)難度、材料強(qiáng)度、后期維護(hù)、生態(tài)影響等6個指標(biāo)對3種不同筑壩材料進(jìn)行打分，最終的打分結(jié)果見表3。

表3 各筑壩材料打分情況

續(xù)表3

通過專家賦權(quán)的指標(biāo)權(quán)重，將施工工藝、施工效率、技術(shù)難度、材料強(qiáng)度、后期維護(hù)、生態(tài)影響等6個指標(biāo)分別表示為a1、a2、a3、a4、a5、a6，然后利用層次分析法計(jì)算獲取模糊一致判斷矩陣，結(jié)果見表4。

表4 筑壩材料評價指標(biāo)模糊一致判斷矩陣

計(jì)算指標(biāo)權(quán)重為(0.113 22、0.118 87、0.146 88、0.189 82、0.232 54、0.229 68)。將打分區(qū)間分為A、B、C、D、E共5個等級，分別對應(yīng)最佳、較佳、一般、較差和最差。最后，利用專家打分結(jié)果代入Matlab程序中，利用加權(quán)平均法計(jì)算隸屬度，隸屬度模糊矩陣的5個數(shù)字分別對應(yīng)A、B、C、D、E這5個等級。計(jì)算結(jié)果為碾壓混凝土(0.202 21、0.848 60、0.887 52、0.192 24、0.045 68)；常態(tài)混凝土(0.222 87、0.915 43、0.392 97、0.088 76、0.042 33)；漿砌石(0.220 98、0.616 34、0.757 76、0.982 98、0.078 87)。根據(jù)隸屬度最高的基本原則，碾壓混凝土、常態(tài)混凝土和漿砌石的等級分別為C級、B級和D級。由此可見，常態(tài)混凝土為最佳材料，建議在工程設(shè)計(jì)中選用。

3.3 泄洪閘門形式

結(jié)合背景工程的實(shí)際情況，選擇弧形鋼閘門和平面鋼閘門兩種常用的閘門形式進(jìn)行模糊綜合評價[8]。研究中利用模糊綜合評價法，通過發(fā)放調(diào)查問卷的方式咨詢該領(lǐng)域的專家，選擇施工工藝、施工干擾、抗震能力、泄流能力、后期維護(hù)等5個指標(biāo)對不同閘門形式進(jìn)行打分，最終的打分結(jié)果見表5。

表5 不同閘門形式打分情況

通過專家賦權(quán)的指標(biāo)權(quán)重，將施工工藝、施工干擾、抗震能力、泄流能力、后期維護(hù)等5個指標(biāo)分別表示為a1、a2、a3、a4、a5，然后利用層次分析法計(jì)算獲取模糊一致判斷矩陣，結(jié)果見表6。

表6 不同閘門形式評價指標(biāo)模糊一致判斷矩陣

計(jì)算指標(biāo)權(quán)重為(0.143 35、0.192 27、0.198 97、0.245 53、0.239 88)。將打分區(qū)間分為A、B、C、D、E共5個等級，分別對應(yīng)最佳、較佳、一般、較差和最差。最后，利用專家打分結(jié)果代入Matlab程序中，利用加權(quán)平均法計(jì)算隸屬度，隸屬度模糊矩陣的5個數(shù)字分別對應(yīng)A、B、C、D、E這5個等級。計(jì)算結(jié)果為弧形鋼閘門(0.482 97、0.749 26、0.369 94、0.236 67、0.000 00)；平面鋼閘門(0.217 63、0.887 54、0.532 12、0.310 47、0.000 00)。根據(jù)隸屬度最高的基本原則，兩種閘門都屬于B級別，均為最優(yōu)選擇級。鑒于平面鋼閘門的工程投資相對較小，因此推薦使用平面鋼閘門。

4 結(jié) 語

水利樞紐設(shè)計(jì)的合理性主要來自于樞紐方案的布置，需要對多種不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評價，最終獲取最佳的樞紐布置方案。此次研究以某水利樞紐工程為例，利用基于Matlab的模糊綜合評價法，對大壩和泄洪閘進(jìn)行綜合評價，并獲取最優(yōu)布置方案。建議在工程設(shè)計(jì)中，采用常態(tài)混凝土重力壩壩型，采用平面鋼閘門，可以在保證工程設(shè)計(jì)參數(shù)的同時節(jié)省工程投資。