基于改進層次分析法的水庫清淤方案比選

張榴梅，陳 新

（四川大學水利水電學院，四川 成都 610065）

1 引言

水庫通過上游徑流將泥沙輸移至下游庫區的過程中，污染物質會吸附于細小徑流攜帶顆粒的表面并隨之不斷地沉積在庫底，造成水庫水質顯著下降。因此，以保障城鎮供水、改善水庫水質作為主要任務的環保清淤工程開始變得尤為緊迫[1］。

在清淤工程設計階段，清淤方案的比選是一個不可或缺的內容，清淤方案選擇的合理性將直接影響到工程效益與水庫供水安全。由于清淤方案比選的影響因素通常較多，本質上是一個多屬性決策問題。在實際工程中，僅僅依靠主觀經驗所確定的比選結果難免存在一定的偏差。因此本文以GC 水庫為例，采用改進層次分析法，并結合模糊數學法和TOPSIS 理論，從施工工期、工程投資、作業環保、作業水深、施工難度、清淤質量等方面對氣動式清淤方案和環保絞吸式清淤方案進行比選，選定適合該水庫的清淤方案。

2 比選方法

2.1 改進層次分析法

層次分析法[2］是基于客觀與主觀評價相結合的分析方法，通常將復雜問題逐步分解成幾個層次，通過將底層評價指標進行兩兩比較，來確定底層評價指標的權重，然后逐層向上計算權值，以確定方案權重值。對于復雜客觀事物的判斷通常具有主觀片面性，對影響因素進行兩兩判斷比較時，決策者的標準思維可能發生變化，容易得出不同的評價，這是造成判斷矩陣出現不一致的主要原因。常規的層次分析法對因素的兩兩比較是孤立進行的，在導入新元素后可能造成原有元素的權重值排序發生改變。另一方面，即使在解決了元素孤立比較的問題后，元素間的相對重要程度均采用傳統的1～9 標度進行賦值，指標評價標度自身仍可能造成判斷矩陣不一致。

基于以上兩個判斷矩陣不一致性產生的原因，改進指標權重值的確定方法。一是考慮所有元素均存在的條件下對元素進行比較即以元素的兩兩比較為基礎的層次單排序法，二是通過改進的標度法——指數標度法對因素重要程度進行賦值。

2.2 評價矩陣

評價矩陣是不同方案對各影響因素進行評價的隸屬度矩陣，多屬性決策中評價指標通常分為定性指標和定量指標。定性指標無法通過具體數據進行，通常用修飾性的詞匯進行描述。一般通過模糊統計法進行處理，來得到定性指標評價隸屬度[3］。

定量指標一般包含正向指標、負向指標以及中間型指標三類。正向指標數值越大指標性能越佳，負向指標數值越小越好指標性能越佳。中間型指標數值介于一個合理區間指標性能最優。

正向指標表示為：

其中max（xij）= xk1xk2xk3…xkn。

逆向指標表示為：

其中min（xij）= xk1xk2xk3…xkn。

3 水庫清淤方案比選

3.1 工程概況

GC 水庫壩型為混凝土雙曲拱壩，壩頂設5 個溢流孔，下部設排砂泄水孔、灌溉管各一個，最大壩高70 m。水庫承擔著重要的排水任務，但在1996 年開啟排砂泄水孔時遇到故障，故將檢修閘門放下擋水，經維修后工作門得以放下，自此排砂泄水孔工作門與檢修門再沒有開啟過。孔壩前泥砂淤積高程已達575.0 m，高于排砂泄水孔頂1 m，庫底高程565.0 m，排沙泄水孔底淤積厚度約3 m，至庫底淤積厚度10 m，主要淤積物為泥沙，推測含有一定量的塊石、樹枝等雜物。排砂泄水孔功能喪失，無法啟閉。

GC 水庫大壩安全綜合評價為三類壩，計劃對其進行除險加固，根據項目要求，在不放空水庫的情況下，對壩前淤積進行清理，同時為后續修補加固施工提供基礎條件。考慮到GC水庫作為附近城鎮居民生活用水的主要來源，需要保證清淤方案滿足作業污染較小，不影響水庫的水質的要求。綜合考慮上述兩個限制性條件，擬定氣動式清淤方案與環保式清淤方案進行比較。

3.2 清淤方案

氣動式清淤方案與環保絞吸式清淤方案的前期處理與后期處理方案一致，主要區別在于系統采用的清淤方法與工藝不同[4］。氣動式清淤方案選用氣動式清淤機作為主疏浚設備，最大作業水深120 m，可疏浚粒徑小于350 mm 以內的各種淤積物，清淤機布置在拼裝式水面作業平臺上，便于進行作業位置的移動與固定。拼裝式水面作業平臺由小型模塊化的浮箱現場拼裝而成，可滿足公路運輸要求，克服船進入庫區的困難。

環保絞吸式清淤方案采用功率為200 m3／h 的環保絞吸式挖泥船，該挖泥船最大清淤深度可達50 m，挖泥船及水上清淤設備通過臨時碼頭吊裝進入庫區。

3.3 評價指標

清淤方案評價指標一般包括施工工期、工程投資、作業環保、作業水深、施工難度、清淤質量等方面。基于GC 水庫清淤現狀下的兩種方案評價指標比較見表1。

表1 兩種清淤方案評價指標比較

3.4 清淤方案比選層次模型

結合清淤方案比選前人研究成果和GC 水庫清淤工程實際情況，建立如圖1 所示清淤方案比選層次結構。

圖1 清淤方案層次模型

3.5 比選層次模型求解

3.5.1 評級指標主觀權重求解

根據方案比選評價指標體系，向行業專家發放調查表。去掉樣本中數據明顯不合理的調查表后，采用改進層次分析法解出各個評價指標的主觀權重，隨后對不同專家的權重結果進行匯總和歸一化處理，得出評價指標主觀權重表，具體結果見表2。

表2 評價指標主觀權重表

3.5.2評價矩陣求解

對于施工工期、工程投資這兩個定量指標按照上述隸屬度函數進行處理得出相關指標的隸屬度。將GC 水庫的基本資料、評價指標的初步分析情況、定性指標隸屬度調查表發給行業專家，去掉樣本中數據明顯不合理的調查表后，根據模糊數學法來確定指標的隸屬度，最后將得到的定性指標隸屬度和定量指標隸屬度向量組合在一起，即得到評價矩陣見表3。

表3 評價指標隸屬度

根據已經計算出的組合權重和構建的評價矩陣，構造加權評價矩陣，采用基于TOPSIS 理論的綜合評價方法對上述模型進行計算，得出結果為：P1（0.543）＆gt; P2（0.457）。因此，GC水庫清淤方案比選結果優劣情況的排序為：氣動式清淤方案＆gt;環保絞吸式清淤方案。

4 總結

本文結合氣動式清淤方案與環保絞吸式清淤方案的基本情況，從施工工期、工程投資、作業環保、作業水深、施工難度、施工質量這6 個方案評價指標進行分析，建立水庫清淤方案比選層次模型。分別針對定性與定量指標采用不同方法計算后建立評價矩陣，通過改進層次分析法進行賦權，并采用TOPSIS 法進行方案優劣排序，得出GC 水庫氣動式清淤方案綜合性能優于環保絞吸式清淤方案。