基于可變模糊評價法的小型水庫運行管理評價研究

張長征,李洪梅

(1.河海大學商學院,江蘇 南京 211100; 2.江蘇省“世界水谷”與水生態文明協同創新中心,江蘇 南京 211100;3.河海大學產業經濟研究所,江蘇 南京 211100)

我國水庫總量約9.8萬座,小型水庫數量為9.3萬座左右,約占總數的95%[1],是我國水利工程的重要組成部分。小型水庫的主要功能是供水、發電、防洪和農田灌溉,在水資源安全、糧食安全和民生安全等方面發揮著舉足輕重的作用[2]。水庫安全事關國運民生,然而水庫安全事故頻發,洪災、垮壩失事等災害事件造成了慘烈的后果,并且相較于大中型水庫,小型水庫的失事概率更高[3]。20世紀70年代,臺風“蓮娜”席卷河南等地,導致小型水庫接連崩塌,經濟損失達百億。究其原因,我國小型水庫的大壩以土石壩為主,且大多數建于20世紀50—70年代,始建標準、防洪標準低,且加固維護資金有限,在運行中又缺乏完善的管理機制,管理責任落實不到位,導致水庫存在嚴重的運行安全隱患,本質功能難以充分發揮。[4]

進入“十四五”時期,“水利工程補短板、水利行業強監管”成為我國水利工作的重心。據統計,我國有病險的小型水庫達9358座,約占小型水庫總量的10%。當前,全球持續變暖、極端氣候頻發,極冷極熱交替、旱澇急轉等現象交替上演,使得水庫等水利工程的不利工況或超標運行時間增加,對工程結構穩定和安全運行影響極大,小型水庫運行管理已經成為水利治理體系中較為薄弱的環節之一。如何在極端天氣、水旱災害多發的情況下,消除病險水庫運行風險隱患,保障小型水庫充分發揮防洪抗旱、保護生態環境等功能是當前亟待解決的問題。基于此,本研究開展小型水庫運行管理評價研究,以期識別小型水庫運行管理短板,為充分保障小型水庫功能發揮提供參考。

1 研究綜述

1.1 小型水庫運行管理模式

2022年2月,中華人民共和國水利部(以下簡稱水利部)印發《小型水庫安全運行監督檢查辦法》,明確指出相關責任主體需嚴格按照問題清單檢查小型水庫的運行管理,在調度運用、運行狀況、安全鑒定、應急管理4方面開展違規檢查,力求加強小型水庫工程運行監管,落實安全運行責任。陳華等[5]指出小型水庫運行管理應堅持公益屬性、“市場+政府”兩手發力、因地制宜分類施策、依靠科技賦能四大原則,并提出區域管理管護模式、單一化管理模式、政府向公眾購買服務3種專業化和集約化的管護模式。針對在小型水庫安全監管難、安全風險高的問題,金有杰等[6]提出了分級監管模式,包含單一性小水庫監管、流域或區域監管、以科研院所為主的托管監管3種模式;還借助云計算、大數據等現代科技搭建了相應的云平臺架構,為有效加強水庫安全監管,降低小型水庫安全風險的提供了信息化監管手段。李連國[7]提出“政府、專業技術單位、水庫安全員”三大責任人管理模式,三大責任人在安全管理、日常管理、養護管理和管理保障各司其職,切實提升了小型水庫的運行管理水平。

1.2 小型水庫的安全風險

在全球84.7萬多座水庫中,小型水庫數量占比約為95%,這一比例與我國小型水庫占比相當。雖然我國已在實踐中探索到了成功的水庫運行管理模式,但是大多數小型水庫建設于20世紀50—70年代,受限于當時的經濟和技術發展水平,水庫工程建設標準低,質量難以把控,且運行時期較長,后期管理維護不到位,這導致小型水庫產生較為顯著的病險特征,阻礙了安全風險識別和預警[5]。與我國相比,發達國家更早地開展了水庫建設和安全風險評估[8]。20世紀80—90年代,美國和澳大利亞等國率先將“風險”與大壩安全管理評價相結合,此后,風險管理理念在水利行業中逐漸盛行,并在全球范圍內得到廣泛應用[9]。

在國外風險管理理念的驅使下,2000年水利部出臺SL258-2000《水庫大壩安全評價導則》,較為系統地構建了水庫風險評價指標體系。喻蔚然[10]將灰色理論和隨機概率分析方法相結合,量化了水庫運行風險的不確定性,有利于彌補水庫安全定性分析的不足。在小型水庫資料欠缺,歷史信息難以考證的困境下,Feng等[11]采用改進的灰色關聯分析法,將風險因子的異質性數據視為隨機變量并記為序列,通過測量序列之間的信息熵和條件熵來分析風險因子之間的關聯度,借助該方法,歷史資料欠缺的小型水庫也能夠進行安全風險識別。張可等[12]采用更適用于小樣本識別的“支持向量機”機器學習方法作為基礎算法,通過層層訓練和測試,得到了最佳的安全風險等級評估模型,并通過實例分析,驗證了該模型對于發揮小型水庫的山洪預警作用具有重要意義。

1.3 小型水庫運行管理評價

隨著水利工程管理規范化、標準化、精細化以及信息化進程的推進,國家和地方相繼出臺了一系列水庫運行管理的相關政策法規。2003年水利部印發《水利工程管理考核辦法(試行)》及其考核標準,并執行《水庫工程管理考核標準》,從組織管理、安全管理、運行管理以及經濟管理4個方面出發,對水庫運行管理過程中涉及的34項指標進行考核。2018年浙江省水利廳印發《浙江省水利工程標準化管理驗收辦法》,2019年江西省水利廳印發了《江西省小型水庫工程管理考核辦法(試行)》,各地都相繼在水利部考核標準的基礎上,結合地方水庫的實際特點,出臺水庫工程考核管理辦法。圍繞水庫工程的運行管理評價問題,國內外學者也展開了相關研究。Yu等[13]從經濟、安全、科學、綠色4個方面出發,建立水庫管理評價指標體系,并采用模糊層次分析法進行評價。高玉琴等[14]基于水庫管理現代化的內涵和要求,從規范化管理、設施設備管理、信息化管理等5個方面出發,建立了水庫管理現代化的評價指標體系。王雪等[15]提出了水庫標準化管理水平的因素集、權重集及評價集,并基于模糊理論對浙江省水庫標準化管理水平進行綜合評價。梁文娟等[16]構建了包含組織管理、安全管理、運行管理、環境保護、保障措施5個方面的小型水庫運行管理標準化評價指標體系。

1.4 文獻述評

學界對小型水庫的運行管理模式、運行安全風險、和運行管理評價具有較高的關注度,同時也構建了一系列的評價指標體系和評價模型,取得了較好的評價效果。但影響小型水庫運行管理評價的因素眾多,且大多數的指標屬于定性指標,缺少明確的界限,常規的模糊評價方法難以對各個級別指標的中間過渡性進行很好的描述[17]。可變模糊評價方法引入了相對差異函數,用以衡量指標對各級別的相對隸屬度,對數據信息的考慮更加全面[18],并在水利工程領域的模糊性問題評價中得到廣泛的應用[19-20],但在水庫運行管理評價領域的應用仍較少。

為此,本研究以小型水庫為研究對象,從管理基礎、管理內容以及管理效果3個維度出發,構建包括管理投入、管理保障、安全管理、工程運行管理、信息化管理、服務功能以及環境保護7層共計24個指標的小型水庫運行管理評價指標體系。在評價方法上,本研究采用序關系法確定各指標權重,建立基于可變模糊評價方法的小型水庫運行管理評價模型,最后以福建某小型水庫為例進行實例分析,以期為國內小型水庫的運行管理評價提供一定的參考。

2 小型水庫運行管理評價指標體系

2.1 小型水庫運行管理層次結構

水庫運行管理指水庫管理單位在一定的管理基礎上,通過一系列措施對水庫運行過程進行管理,并輔以相應的保障措施,進而實現管理目標的過程。水庫運行管理過程涉及管理對象、管理基礎、管理內容、管理目標等諸多要素,各要素間相互作用,共同組成了水庫運行管理模式[21]。當前,國家和地方針對小型水庫運行管理出臺了一系列的考核標準和考核辦法,在總結相關政策文件和參考學界已有研究的基礎上,綜合考慮水庫運行管理的內涵、特點以及目標,同時結合小型水庫運行管理的痛點,從管理基礎、管理內容以及管理效果3個方面出發,剖析小型水庫運行管理的層次結構,如圖1所示。

圖1 小型水庫運行管理層次結構

a.管理基礎。管理基礎分為管理投入和管理保障,側重于描述水庫管理主體單位在人力、物力、財力等方面對小型水庫的運行、保障措施等方面的投入,這是確保水庫運行管理順利開展的前提。

b.管理內容。管理內容分為管理的流程、內容以及技術部分,是小型水庫運行管理的重要環節,主要包括了安全管理、工程運行管理以及信息化管理3個維度。

c.管理效果。管理效果反映對水庫進行管理后發電、防洪、灌溉等功能的完成情況。此外,由于小型水庫管理方式比較粗放,缺少有效的監管措施,以經濟效益為主的調度方式忽略了水庫以及下游河道生態的需水要求,引發了一系列的生態環境問題,因此管理效果還需要體現環境保護需求。

2.2 評價指標體系構建

科學合理的運行管理評價指標體系是實現小型水庫運行管理評價的基礎,本研究結合小型水庫運行管理的層次結構,參考2003年水利部實施的《水庫工程管理考核標準》、2019年《水利部關于修訂印發水利工程管理考核辦法及其考核標準的通知》,以及各省發布的小型水庫運行管理規程,并咨詢相關專家意見,構建了由目標層(A)、準則層(B)以及指標層(C)3個層次組成的小型水庫運行管理評價指標體系,如圖2所示。其中目標層為小型水庫運行管理水平;準則層從管理基礎、管理內容以及管理效果3個方面出發,包括了管理投入、管理保障、安全管理、工程運行管理、信息化管理、環境保護和服務功能7個子目標;指標層共有24項指標,能夠較為全面地表征小型水庫運行管理的各個方面。

圖2 小型水庫運行管理評價指標體系

2.3 評價等級與評價標準確定

為了便于開展小型水庫運行管理評價,本研究對各指標進行標準化處理,并劃分為優秀、良好、中等、合格和不合格5個等級。結合2003年《水庫工程管理考核標準》和《水利部關于修訂印發水利工程管理考核辦法及其考核標準的通知》,并參考相關研究成果[20,22-23],綜合考慮小型水庫運行管理的特點,建立如表1所示的評價標準。

表1 各指標分級評價標準

3 基于可變模糊評價的小型水庫運行管理評價步驟

3.1 序關系法確定指標權重

由于建立的小型水庫運行管理指標體系中存在大量的定性指標,而以往水庫運行管理不規范,可考證的資料有限,導致部分定性指標缺少足夠的數據支撐,客觀賦權法難以實施。考慮到數據的可獲取性、科學性和準確性,采用序關系法,通過建立指標間的序關系,反映各指標間的重要性標度,進而確定指標權重。序關系法計算簡單、可操作性強,且無需進行一致性檢驗,是一種有效的權重確定方法,具有很好的實用性[23],具體計算步驟如下:

步驟1按照各級指標的重要性程度進行排序,確定指標間的序關系。

若指標Ci的重要性程度不小于Cj,則以“>”描述兩者之間的關系,記Ci>Cj,依此類推,可確定各級評價指標間的序關系。

步驟2確定各級指標的重要性標度。

以序關系列表中相鄰評價指標Ck與Ck-1的重要性程度之比,作為各指標的重要性標度,記為hk。

(1)

式中:wk-1、wk分別為指標Ck-1和Ck的權重;n為指標的數量。hk∈[1.0,2.0),且hk越大,表示Ck相對于Ck-1越重要。

步驟3根據各指標間的重要性標度,計算指標權重:

(2)

3.2 可變模糊評價

小型水庫運行管理本質上是個復雜的動態系統,本研究構建的小型水庫運行管理評價體系中同時包含了定性指標和定量指標,且大多數為定性指標,指標之間存在一定程度的模糊性。學術界常用的模糊綜合評價方法雖然可以反映小型水庫運行管理的整體水平,但難以有效識別各級指標之間的中間過渡性和隸屬度。可變模糊評價方法引入了相對差異函數,通過構建隸屬函數和模糊關系矩陣,有效解決了評價指標間的模糊性問題,評價結果更為客觀和真實[24]。因此采用可變模糊評價的方法對小型水庫運行管理評價的具體步驟如下:

步驟1根據小型水庫運行管理評價等級與評價標準,如下建立指標標準值矩陣X:

(3)

式中:m為指標體系中的指標個數;n為待評樣本個數。

步驟2計算第i個指標對于各個級別的相對隸屬度。

假定第i個指標的特征值xi∈(aik,ai(k+1)],按照可變模糊集理論,區間(aik,ai(k+1)]為可變集合的吸引域,而其相鄰的兩個區間(ai(k-1),aik]和區間(ai(k+1),ai(k+2)]為可變集合的排斥域。xi僅對吸引域和排斥域存在相對隸屬度,而對于其他區間的隸屬度為0。

即xi相對于等級k-1、k、k+1的隸屬度按式(4)計算,對于其余等級的隸屬度取為0。

(4)

式中Dij為xi對等級j的相對差異函數,Di(k-1)、Dik、Di(k+1)的計算公式分別為

(5)

(6)

(7)

式中Mk為區間(aik,ai(k+1)]中使得Dik=1的點,對于等級1和等級5,取值分別為0和1,對于其他區間,取值為區間中值。

步驟3計算待評對象u對于各級別k的相對隸屬度vuk:

(8)

式中:wi為指標i的權重,可通過序關系法計算得到;α、ρ分別為模型優化準則參數和距離參數,取值一般取1或2。α=1為最小一乘方準則,α=2為最小二乘方準則;ρ=1為海明距離,ρ=2為歐氏距離。根據參數的不同,通常有4種組合,分別為α=1,ρ=1;α=1,ρ=2;α=2,ρ=1;α=2,ρ=2。

步驟4確定待評對象u的級別特征值Ku。

(9)

Ku用于反映小型水庫運行管理的水平,Ku越大,表明管理水平越高。其判斷準則[11]如下:

4 實例分析

4.1 評價指標值確定

在“水利工程補短板、水利行業強監管”的新時代水利改革發展的大背景下,福建省一大批中小型水庫工程開展了安全運行專項檢查工作,并逐步落實一系列現代化管理措施。本研究以福建省A小型水庫為例進行分析,評估其運行管理成效,并識別水路運行管理現狀中的短板問題。

對于定性指標,邀請10位水利行業專家根據2020年、2021年的水庫運行管理工作報告、安全檢查報告以及現場調研情況,結合2003年水利部實施的《水庫工程管理考核標準》,進行等級評定,并計算指標隸屬于各等級下的頻率,按式(10)得到各指標的打分值。對于定量指標,由水庫設計的相關報告以及現場調研采集得到。

(10)

式中:Ii為定性指標i的打分值;rik為定性指標i隸屬于等級k的頻率;Lik為定性指標i在等級k下的典型值,并以區間中值作為典型值。

以定性指標機構設置的合理性C2為例,10位專家有7位打分優秀,3位打分良好,則該指標的打分結果為0.7×0.9+0.3×0.7=0.84。又如定性指標工程觀測情況C16,10位專家有5位打分優秀,4位打分良好,1位打分中等,則該指標的打分結果為0.5×0.9+0.4×0.7+0.1×0.5=0.78。

此外,A水庫以供水為主,同時兼顧防洪任務,因此主要功能實現率C23以供水保證率計算,取值為0.85;次要功能完成率C24以防洪達標率計算,2021年通過水庫的調蓄,成功應對多次超標準洪水過程,有效保障了下游河道的防洪安全,取值為1。水庫運行管理評價的各個指標計算結果如表2所示。

表2 水庫運行管理評價指標體系各指標的現狀值和權重

4.2 序關系法確定指標權重

參考《水利工程考核標準》和《水利部關于修訂印發水利工程管理考核辦法及其考核標準的通知》,結合專家意見,先確定準則層之間的序關系,再確定各個準則層下的指標層之間的序關系,共建立8組序關系,然后按照式(1)和式(2)確定各層指標權重,結果如表2所示。

4.3 可變模糊評價結果分析

基于可變模糊評價方法,參照表1構建標準值矩陣,以序關系法計算各指標權重,按照式(5)、式(6)和式(7)計算水庫運行管理標體系各指標對于優秀、合格、中等、合格以及不合格5個等級的相對隸屬度,結果如表3所示。

表3 各指標的相對隸屬度結果

從表3可以看出,在該水庫運行管理評價的24個指標中,有10個指標隸屬于“良好”,有11個指標隸屬于“優秀”,表明整體上該水庫運行管理效果良好。具體來看,準則層管理投入B1有4個指標,其中僅有經費落實情況C4一項指標的等級較低,隸屬于“中等”。這可能是由于地方財政困難,該水庫日常運行管理缺少穩定的經費來源。目前環境保護是該水庫運行管理中的短板,在準則層環境保護B6的3個指標中,物種多樣性指數C20和庫區植被覆蓋率C22隸屬于“中等”。

為了直觀表示該水庫的運行管理水平,通過式(8)將各指標的相對隸屬度轉化為級別特征值。其中準則參數α和距離參數ρ可取1或2,共構成4種組合方式,在每一種組合方式下,進行可變模糊評價,并以各組合下的級別特征值的均值作為最終的水庫運行管理水平,結果如表4所示。

表4 可變模糊評價結果

5 結論與建議

小型水庫在我國水庫總量中占比龐大,是我國乃至全球各國水利基礎設施中的重要組成部分。近年來我國水庫安全風險事故頻發,造成了人員傷亡、財產損失和生態破壞。本研究以小型水庫為研究對象,從我國小型水庫運行管理中存在的現實痛點出發,構建較為系統的評價指標體系和評價標準,并采用序關系法確立各級指標權重,該方法兼顧了專家意見和客觀現實情況,具有實操性和可靠性。使用可變模糊評價方法對小型水庫運行管理進行評價并以福建省A小型水庫為例對模型的實用性進行檢驗。主要研究結論如下:

a.從管理基礎、管理內容以及管理效果3個方面出發,解析小型水庫運行管理的層次結構,構建了包括管理投入、管理保障、安全管理、工程運行管理、信息化管理、環境保護和服務功能7層,共計24個指標的小型水庫運行管理評價體系。在此基礎上,結合當前我國水庫運行管理的相關政策法規和小型水庫運行管理的痛點和難點,確定了各指標的評價標準,包括優秀、良好、中等、合格和不合格5個等級。

b.采用序關系法確定各層指標的權重,并基于可變模型評價方法對小型水庫運行管理水平進行評價。以福建A小型水庫為例進行分析,結果表明:該水庫2021年運行管理水平總體上良好,且有向優秀轉化的趨勢,評價結果與實際現狀較為相符。但不可忽視的是,在對福建某小型水庫運行管理的單指標評價中,經費落實情況、物種多樣性和植被覆蓋率水平不佳,其余指標的等級均較好。

c.將序關系分析法和可變模糊集評價法相結合,對福建省A小型水庫的現實運行管理進行評價,結果與實際情況較為相符,說明該方法可因地制宜,推廣應用至其他省份地區的小型水庫運行管理評價。

針對福建A小型水庫運行管理評價中出現的相對短板之處,為有類似情況的其他水庫及預防此類問題重現,提出以下建議:

a.健全經費保障機制。建議各省水利廳及有關部門充分發揮政府在小型水庫運行管理中的主導作用,一方面,利用國家財政劃撥的水利發展資金,對省內小型水庫日常管護提供充足的財政資金保障,彌補資金缺口;另一方面,可設立小型水庫運行管理專項資金,實行水庫產權和經營權分離制度,撬動社會資本參與到小型水庫運行管理中來,強化小型水利運行的資金保障。

b.加強庫區生態環境建設。環境保護是該水庫運行中的相對短板,有關部門應利用大數據,開展常態化生態多樣性調查、評估與監測,結合對水庫生態環境的科學評估,制定相應的整治方案,加強對生物多樣性的保護。其次,提升植被覆蓋率不僅有利于保持水土、降低邊坡裸露對水庫的危害,且對水質修復也有重要意義,應持續推進水庫岸線整治修復,恢復和增加水庫周邊綠色植被覆蓋。

c.落實監督管理責任制度。針對水庫運行管理中存在的安全風險問題,有關水利部門責無旁貸,可利用信息化監測平臺常態監測、稽查、巡查等多種方式結合,加強對水庫運行管理的監督。針對已有問題,及時建立問題清單,逐一制定個性化的解決方案。同時,對于重點環節,落實責任人制度,切實做到“人按職責干,事按制度辦”。