基于改進云模型的河道管護效果評價方法

黃顯峰，陳 雪，劉永強

(河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

河道管護市場化是優化水利工程管護單位職能、促進管養單位轉型發展的重大舉措。但市場化的推行無法直接從考核的結果來評定市場化推行的正確性、合理性和實踐性。因此，亟待建立完整的河道管護市場化項目后評估體系，科學分析市場化的運行效果，開展河道管護市場化行業標準的研究，樹立市場化運行的標準，制定市場化培育指導意見，規范河道管護市場化運作，更好地發揮市場化管護的優勢[1]。

許多學者利用科學理論方法開展了水利工程設施后評價相關研究。武博慶[2]基于多年的引灤工程項目后評價實踐理論和經驗，從評價內容到實際計算提出了許多建議和方法。張秀亭[3]采用邏輯框架法對水利工程項目進行垂直和水平的邏輯關系檢驗，并將該法運用于山東省某縣的水利工程中做定性后評價。楊永東[4]結合國內外經驗根據水電工程特點將評價內容分為五類，并建立完善的評價體系，用系統綜合評判法對各項目進行單指標和綜合評價。王萍[5]根據水利工程項目的特征構建評價指標體系，明確各個方面的評價內容，據此構建了浙江水利項目后評價指標體系。陳艷等[6]首先將后評價內容分為4個方面，即過程后評價、經濟后評價、影響后評價和持續性分析，再將定量分析與定性分析相結合確定指標體系。曾露等[7]采用模糊多目標層次分析法建立水利工程多指標模型，從社會、經濟、環境等多方面對水利工程設施進行后評價。肖宜等[8]根據多目標決策理論構建綜合指標體系，并用灰色關聯投影分析評價模型對湖南省“四水”流域治理工程進行評價分析。蔡久順[9]針對水利工程項目評價的模糊性，采用集對分析法對水利工程項目進行定性和定量相結合的評價分析。

關于河道管護效果的評判較為模糊，不利于得到客觀的評價結果。云模型[10]是一種同時具有隨機性和模糊性的定性和定量相互轉換的模型，能夠用于計算指標等級，故本文采用云模型的評價方法對河道管護效果進行評價。為使河道管護效果的評價結果更為客觀合理且具有參考性，本文對主觀權重和客觀權重進行組合計算，據此對各評價指標賦權。主觀權重的計算采用云模型計算云權重，客觀權重的計算采用投影尋蹤法。將改進的云模型評價方法運用于昆山市周莊鎮河道管護效果評價中，評價結果驗證了改進云模型評價的合理性和可行性。

1 河道管護評價指標體系

1.1 指標體系的建立

河道是水資源的載體，為保證國民經濟的順利發展，城市和人民的生命健康安全，河道需要具有行洪排澇功能、蓄水灌溉能力、內河航運功能、漁業養殖功能、旅游景觀功能、生態系統功能和文化傳承功能。為保證河道的安全運行，充分發揮其各方面功能，需對河道進行有效管護。依據《中華人民共和國河道管理條例》等相關規程，河道管護主要包括堤防護岸管護、堤防綠化、河道保潔、河道整治、河道生態修復、河道附屬設施管護等方面的內容，故本文從這6個方面衡量河道管護情況。

經實地考察調研，結合河道管護的實際情況，遵循以上河道管護要求，綜合分析河道管護影響因素，最終將評價指標從河道管護效果的角度分為6個二級指標，17個三級指標，各評價指標如圖1所示。

圖1 河道管護效果后評價指標體系

1.2 河道管護效果評價等級的劃分

本文將河道管護效果分為5個等級：優秀、良好、一般、合格、不合格，對應的評分區間分別為[90,100]、[80,90)、[70,80)、[60,70)、[0,60)。邀請多位專家實地考察每條河道，根據評價指標體系的每個細則對每條河道的管護效果打分，取每個指標對應的平均得分值作為評價的初始評分值。

2 改進云模型評價方法

本文采用改進云模型的評價方法對河道設施管護效果進行后評價。改進云模型的評價方法即改變云模型中權重的計算方法，對主客觀權重進行組合計算得到綜合權重，再將綜合權重與云模型相結合對河道管護效果進行后評價。

2.1 權重計算

計算各評價指標權重即要衡量各指標在整個評價體系中的影響程度，以及各指標之間的關聯性、影響性和重要性。主觀權重由專家的主觀判斷決定，計算結果受人為因素影響較大，客觀權重側重于數據間的遠近關系而忽略了河道實際管護情況。故本文將二者結合，用云模型計算的云權重作為主觀權重，投影尋蹤法計算客觀權重，再將兩者進行組合計算得出各個評價指標的綜合權重。

2.1.1云模型確定主觀權重

云模型的特點是可以兼容評價對象的隨機性和模糊性，利用云發生器計算樣本的特征值期望Ex、熵En和超熵He并對其進行定量與定性的相互轉換，通過利用樣本點的隨機性產生大量數據，分析各個樣本間的相互關系計算得到最佳結果。

首先根據各評價指標的初始權重值，用云模型的逆向云發生器求得特征值期望Ex、熵En和超熵He，再在正向云發生器中反復計算多次補充云滴生成大量數據取均值求得各指標權重。具體計算過程如下：

a.根據專家的初始評分權重，先用逆向云發生器計算出各評價指標的特征值：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：xi為樣本值；n為樣本數；S2為樣本方差。

E′n=randn(1)He+En

(5)

E′x=randn(1)E′n+Ex

(6)

c.計算權重的確定度

(7)

2.1.2投影尋蹤法確定客觀權重

本文采用投影尋蹤法計算客觀權重。投影尋蹤法是先把高維的數據經過一些組合運算后投影到低維的子空間中，再根據極大或極小化的某個投影指標，找到可以體現高維數據結構或特征的投影，最后在低維空間上對數據結構進行分析。故其可以用于計算最優投影方向，得到的最優個體即為所需權重。計算步驟如下所示：

a.規范化處理評價指標數據得到初始矩陣R=(xij)m×n，其中xij為第i個評價對象在第j個評價指標下對應的標準值，m為樣本數目，n為評價指標數目。

(8)

(9)

R=0.1S(a)

(10)

rij=|Zi-Zj|

(11)

(12)

故可得投影函數：

Q(a)=S(a)d(a)

(13)

c.構造適應度函數來優化投影函數。

maxQ(a)=S(a)d(a)

(14)

(15)

再利用加速遺傳算法求解，重復計算50次，可得出各代最優個體的平均值即為所求權重值。

2.1.3綜合權值計算

主觀權重受人為因素影響較大，而客觀權重只顧數據間的相關性又忽視了專家意見，因此本文將二者結合進行組合計算來確定河道管護評價指標的綜合權重φ=(φ1,φ2,…,φm)。綜合權重計算公式是：

(16)

2.2 隸屬度計算

云模型中的云發生器有3種：正向云發生器、逆向云發生器和條件云發生器。條件云發生器屬于特殊的正向云發生器，即已知期望、熵和超熵，同時已知特定條件的X或Y來產生隸屬度，計算各個評價指標對應的等級隸屬度[15]。

各河道管護效果評價指標等級主要是由X條件云發生器計算得到，其具體計算步驟如下所示：

a.首先明確各個評價指標值X和評價指標的等級標準S。

b.隨后計算出3個特征值，并且要依據正反向評價指標求解出各個評價指標在各等級下的隸屬度。

(17)

式中:Sijmax為第i個評價指標在第j個等級中的上限值；Sijmin為第i個評價指標在第j個等級中的下限值；Exij為第i個評價指標在j評價等級中的期望值；Enij為第i個評價指標在j評價等級中的熵值；He為超熵，反映變量的不確定程度，通常根據試驗或者經驗取值，本文取為0.2，取云滴數m=1 000。

用X條件云發生器生成云滴重復計算各評價指標值1 000次可以得到較為精確的各評價等級隸屬度值和隸屬度矩陣M。

2.3 綜合評價

將上面計算所得綜合權重值φ與等級隸屬度矩陣M進行轉換計算，即可得出綜合評價子集B。由最大隸屬度原則可知，隸屬度最大值對應的評價等級就是河道設施第三方管護效果后評價的評價級別。

B=φM=(b1,b2,…,bn)

(18)

3 實例驗證

3.1 昆山市周莊鎮河道基本概況

周莊鎮隸屬于昆山市，位于昆山市西南部，總面積38.96 km2，其中水域面積占比為46.6%。周莊鎮地處太湖流域沖積平原東部，水系屬太湖流域淀泖水系，周莊鎮現狀河網由市級河道、鎮級河道、村級河道3個級別河道組成。市級河道為昆山市境內區域性河道、湖蕩的骨干河道，鎮內為則同港，連接長白蕩與急水港；鎮級外河是片區河網框架的組成部分，與市級河道一起，形成與區域河、湖水量交換的通道，有長牽路港、西澤港、朱村浦港、云亭港、東坨東河等；村級外河是片區河網框架的補充，河道長度一般在1 km以內，河線彎曲、斷頭浜多；圩內河道是圩區的排水及調蓄河道，面廣量大，河線曲折多變，斷頭浜多。

周莊鎮的河道堤防等水利工程設施眾多，管護工作復雜。為貫徹落實省、市關于河道管護第三方服務的相關要求，提升河道的管理水平，落實“管養分離”，推動河道標準化、精細化管護，昆山市試點先行，在各鎮分步推行，穩步推進河道管護第三方服務。現對昆山市周莊鎮的河道管護效果進行后評價研究。

3.2 周莊鎮河道管護效果評價過程

3.2.1評價指標權重的計算

首先邀請10位專家對周莊鎮河道管護效果進行現場考核評價并打分，得到各個評價指標的基礎評價權重，根據所得的基礎評價權重構建判斷矩陣，隨后利用云模型計算二級指標權重和各個三級指標在其對應的二級指標系統中所占權重分布如圖2～8所示。

由圖2～8可知，各個評價指標的模擬權重值呈現正態分布，通過計算各指標均值可得各評價指標的具體權重值如表1所示。

圖2 河道管護效果二級指標權重

圖3 堤防護岸管護效果系統下指標權重

圖4 堤防綠化效果系統下指標權重

圖5 河道保潔效果系統下指標權重

圖6 河道整治效果系統下指標權重

圖7 河道生態修復效果系統下指標權重

圖8 河道附屬設施管護效果系統下指標權重

表1 云模型所求指標權重值

各評價指標的客觀權重可由投影尋蹤法算得，將所得客觀權重與上面所求主觀權重進行組合計算可得綜合權重。各評價指標的綜合權重值如表2所示。

表2 河道管護效果評價指標權重值

3.2.2河道管護效果評價等級的計算

根據式(17)可計算出河道管護效果評價指標的3個特征值期望Ex、熵En和超熵He，將周莊鎮河道管護效果對應的各指標基礎評價值輸入到云模型的X條件云發生器中，隨后計算得到各評價指標在各個評價等級下的隸屬度。計算結果如表3所示。

表3 各評價指標對應評價等級隸屬度

按式(18)對評價指標的隸屬度和其對應的綜合權重值進行綜合計算，可以求出河道管護效果評價結果。周莊鎮河道管護效果最終的綜合評價結果如表4所示。由最大隸屬度原則可知良好等級對應的隸屬度值最大，故綜合評價結果是河道管護效果良好。

3.3 評價結果分析

利用基于改進云模型的河道管護效果評價模型對昆山市周莊鎮的河道管護效果進行了全面評價。各指標在對應評價等級下的隸屬度值如表4所示。由表可知，在河道管護效果單指標評價中，只有硬質護岸C1的管護效果是優秀，管護措施做得很棒，后期要定期檢查修繕保證硬質護岸的功能一直完好。水域保潔C6和河道疏浚C8兩個指標對應等級為一般，說明在這兩個方面管護效果還不夠理想，管護力度不夠。要加強對水域的清潔和保護，可以安排工作人員定期巡查清理河道垃圾和淤積物，根據實際情況采取更多有效措施保證河道的清澈和流水的順暢。其余14個指標對應的評價等級均為良好，說明其管護效果不錯但還有進步的空間，后期要針對具體問題進行改善。

表4 基于改進云模型的周莊鎮河道管護效果綜合評價結果

自然護岸的管護要與草坪樹木的管護相結合，充分發揮植被自身生長的特點和規律，利用伸展且發達的植物根系穩定堤防，提高保護堤防和防洪的能力，同時美化河道周邊環境；陸域保潔要做到時常清掃，并呼吁市民共同維護陸域整潔，防止垃圾流入河道；污水廢水排入河道之前一定要經過處理，不能超過河流的自凈能力，保證河道的潔凈和清澈；水生植物的管護要做到及時清理壞死植物并適當補充新植物，同時要防止植物營養輸出過剩導致水體富營養化；河道周圍的護欄表面要保持干凈，保證欄桿的連續、完整、無缺失；木樁、指示牌等設施要埋設堅固，立柱應保持直立，無搖動，無涂層脫落、無損壞和丟失。排水設施要保持完好，排水溝渠、雨水口應保持通順。另外，工作人員的檢查工作應包括經常檢查、定期檢查、特別檢查和安全鑒定，通過有目的性的檢查工作保證河道設施的正常運作。

從表4的評價結果可以看出，周莊鎮河道管護效果的綜合評價為良好，和實際的河道管護情況一致，證明了該模型具有較高的可信度和可行性。基于改進云模型的評價方法不僅可以對管護效果給出了整體評價，同時針對每個指標給出評價，評價結果不僅全面有效，也給后期河道管護工作提供了改善的方向。

4 結 語

考慮到河道管護的復雜性、系統性和可操作性以及對河道管護效果評價的全面性、合理性和有效性，結合河道管護的實際情況，本文建立了河道管護系統的評價指標體系。結合基于改進云模型的河道管護效果評價方法對昆山市周莊鎮的河道管護現狀和效果進行了全面有效的評價，得出了與實際管護情況相符的評價結果，表明基于改進云模型的評價方法在周莊鎮河道管護效果的評價中具有較好的適用性。本文在云模型評價方法的基礎上進行了權重計算的改進，采用主客觀權重相結合的方法，通過組合計算得出綜合權重，既減少了權重計算的主觀性又降低了評價的隨機性，而云模型通過大量的數據模擬增加了計算結果的精確性，使評價結果更加可靠。