基于改進(jìn)層次分析法的水庫清淤方案比選

張榴梅，陳 新

（四川大學(xué)水利水電學(xué)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(qū)的過程中，污染物質(zhì)會(huì)吸附于細(xì)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(zhì)顯著下降。因此，以保障城鎮(zhèn)供水、改善水庫水質(zhì)作為主要任務(wù)的環(huán)保清淤工程開始變得尤為緊迫[1］。

在清淤工程設(shè)計(jì)階段，清淤方案的比選是一個(gè)不可或缺的內(nèi)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(zhì)上是一個(gè)多屬性決策問題。在實(shí)際工程中，僅僅依靠主觀經(jīng)驗(yàn)所確定的比選結(jié)果難免存在一定的偏差。因此本文以GC 水庫為例，采用改進(jìn)層次分析法，并結(jié)合模糊數(shù)學(xué)法和TOPSIS 理論，從施工工期、工程投資、作業(yè)環(huán)保、作業(yè)水深、施工難度、清淤質(zhì)量等方面對(duì)氣動(dòng)式清淤方案和環(huán)保絞吸式清淤方案進(jìn)行比選，選定適合該水庫的清淤方案。

2 比選方法

2.1 改進(jìn)層次分析法

層次分析法[2］是基于客觀與主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的分析方法，通常將復(fù)雜問題逐步分解成幾個(gè)層次，通過將底層評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，來確定底層評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，然后逐層向上計(jì)算權(quán)值，以確定方案權(quán)重值。對(duì)于復(fù)雜客觀事物的判斷通常具有主觀片面性，對(duì)影響因素進(jìn)行兩兩判斷比較時(shí)，決策者的標(biāo)準(zhǔn)思維可能發(fā)生變化，容易得出不同的評(píng)價(jià)，這是造成判斷矩陣出現(xiàn)不一致的主要原因。常規(guī)的層次分析法對(duì)因素的兩兩比較是孤立進(jìn)行的，在導(dǎo)入新元素后可能造成原有元素的權(quán)重值排序發(fā)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(duì)重要程度均采用傳統(tǒng)的1～9 標(biāo)度進(jìn)行賦值，指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)度自身仍可能造成判斷矩陣不一致。

基于以上兩個(gè)判斷矩陣不一致性產(chǎn)生的原因，改進(jìn)指標(biāo)權(quán)重值的確定方法。一是考慮所有元素均存在的條件下對(duì)元素進(jìn)行比較即以元素的兩兩比較為基礎(chǔ)的層次單排序法，二是通過改進(jìn)的標(biāo)度法——指數(shù)標(biāo)度法對(duì)因素重要程度進(jìn)行賦值。

2.2 評(píng)價(jià)矩陣

評(píng)價(jià)矩陣是不同方案對(duì)各影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)的隸屬度矩陣，多屬性決策中評(píng)價(jià)指標(biāo)通常分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)。定性指標(biāo)無法通過具體數(shù)據(jù)進(jìn)行，通常用修飾性的詞匯進(jìn)行描述。一般通過模糊統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行處理，來得到定性指標(biāo)評(píng)價(jià)隸屬度[3］。

定量指標(biāo)一般包含正向指標(biāo)、負(fù)向指標(biāo)以及中間型指標(biāo)三類。正向指標(biāo)數(shù)值越大指標(biāo)性能越佳，負(fù)向指標(biāo)數(shù)值越小越好指標(biāo)性能越佳。中間型指標(biāo)數(shù)值介于一個(gè)合理區(qū)間指標(biāo)性能最優(yōu)。

正向指標(biāo)表示為：

其中max（xij）= xk1xk2xk3…xkn。

逆向指標(biāo)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(shè)5 個(gè)溢流孔，下部設(shè)排砂泄水孔、灌溉管各一個(gè)，最大壩高70 m。水庫承擔(dān)著重要的排水任務(wù)，但在1996 年開啟排砂泄水孔時(shí)遇到故障，故將檢修閘門放下?lián)跛?jīng)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?zèng)]有開啟過。孔壩前泥砂淤積高程已達(dá)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(cè)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(píng)價(jià)為三類壩，計(jì)劃對(duì)其進(jìn)行除險(xiǎn)加固，根據(jù)項(xiàng)目要求，在不放空水庫的情況下，對(duì)壩前淤積進(jìn)行清理，同時(shí)為后續(xù)修補(bǔ)加固施工提供基礎(chǔ)條件。考慮到GC水庫作為附近城鎮(zhèn)居民生活用水的主要來源，需要保證清淤方案滿足作業(yè)污染較小，不影響水庫的水質(zhì)的要求。綜合考慮上述兩個(gè)限制性條件，擬定氣動(dòng)式清淤方案與環(huán)保式清淤方案進(jìn)行比較。

3.2 清淤方案

氣動(dòng)式清淤方案與環(huán)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(qū)別在于系統(tǒng)采用的清淤方法與工藝不同[4］。氣動(dòng)式清淤方案選用氣動(dòng)式清淤機(jī)作為主疏浚設(shè)備，最大作業(yè)水深120 m，可疏浚粒徑小于350 mm 以內(nèi)的各種淤積物，清淤機(jī)布置在拼裝式水面作業(yè)平臺(tái)上，便于進(jìn)行作業(yè)位置的移動(dòng)與固定。拼裝式水面作業(yè)平臺(tái)由小型模塊化的浮箱現(xiàn)場(chǎng)拼裝而成，可滿足公路運(yùn)輸要求，克服船進(jìn)入庫區(qū)的困難。

環(huán)保絞吸式清淤方案采用功率為200 m3／h 的環(huán)保絞吸式挖泥船，該挖泥船最大清淤深度可達(dá)50 m，挖泥船及水上清淤設(shè)備通過臨時(shí)碼頭吊裝進(jìn)入庫區(qū)。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

清淤方案評(píng)價(jià)指標(biāo)一般包括施工工期、工程投資、作業(yè)環(huán)保、作業(yè)水深、施工難度、清淤質(zhì)量等方面。基于GC 水庫清淤現(xiàn)狀下的兩種方案評(píng)價(jià)指標(biāo)比較見表1。

表1 兩種清淤方案評(píng)價(jià)指標(biāo)比較

3.4 清淤方案比選層次模型

結(jié)合清淤方案比選前人研究成果和GC 水庫清淤工程實(shí)際情況，建立如圖1 所示清淤方案比選層次結(jié)構(gòu)。

圖1 清淤方案層次模型

3.5 比選層次模型求解

3.5.1 評(píng)級(jí)指標(biāo)主觀權(quán)重求解

根據(jù)方案比選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，向行業(yè)專家發(fā)放調(diào)查表。去掉樣本中數(shù)據(jù)明顯不合理的調(diào)查表后，采用改進(jìn)層次分析法解出各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重，隨后對(duì)不同專家的權(quán)重結(jié)果進(jìn)行匯總和歸一化處理，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重表，具體結(jié)果見表2。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重表

3.5.2評(píng)價(jià)矩陣求解

對(duì)于施工工期、工程投資這兩個(gè)定量指標(biāo)按照上述隸屬度函數(shù)進(jìn)行處理得出相關(guān)指標(biāo)的隸屬度。將GC 水庫的基本資料、評(píng)價(jià)指標(biāo)的初步分析情況、定性指標(biāo)隸屬度調(diào)查表發(fā)給行業(yè)專家，去掉樣本中數(shù)據(jù)明顯不合理的調(diào)查表后，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)法來確定指標(biāo)的隸屬度，最后將得到的定性指標(biāo)隸屬度和定量指標(biāo)隸屬度向量組合在一起，即得到評(píng)價(jià)矩陣見表3。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度

根據(jù)已經(jīng)計(jì)算出的組合權(quán)重和構(gòu)建的評(píng)價(jià)矩陣，構(gòu)造加權(quán)評(píng)價(jià)矩陣，采用基于TOPSIS 理論的綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)上述模型進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果為：P1（0.543）＆gt; P2（0.457）。因此，GC水庫清淤方案比選結(jié)果優(yōu)劣情況的排序?yàn)椋簹鈩?dòng)式清淤方案＆gt;環(huán)保絞吸式清淤方案。

4 總結(jié)

本文結(jié)合氣動(dòng)式清淤方案與環(huán)保絞吸式清淤方案的基本情況，從施工工期、工程投資、作業(yè)環(huán)保、作業(yè)水深、施工難度、施工質(zhì)量這6 個(gè)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，建立水庫清淤方案比選層次模型。分別針對(duì)定性與定量指標(biāo)采用不同方法計(jì)算后建立評(píng)價(jià)矩陣，通過改進(jìn)層次分析法進(jìn)行賦權(quán)，并采用TOPSIS 法進(jìn)行方案優(yōu)劣排序，得出GC 水庫氣動(dòng)式清淤方案綜合性能優(yōu)于環(huán)保絞吸式清淤方案。