基于組合賦權(quán)法的水庫大壩安全性評價(jià)

付志君

（1. 廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司水利科學(xué)研究所,廣東 廣州 510530；2. 清華大學(xué)土木水利學(xué)院,北京 100084）

0 引言

水庫大壩作為重要的水利工程建筑物,對下游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展起到了不可替代的作用。它為下游地區(qū)提供清潔的水源和可靠的能源保障,在防洪、灌溉、供水和發(fā)電等方面產(chǎn)生了巨大的效益,并成為我國防洪保安工程體系中不可或缺的組成部分[1-2]。雖然,水庫大壩是儲存和調(diào)節(jié)水資源的關(guān)鍵設(shè)施,如果大壩安全性不達(dá)標(biāo),一旦發(fā)生事故將造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,可能給周邊地區(qū)帶來嚴(yán)重的破壞,還有可能對整個(gè)流域的生態(tài)環(huán)境造成長期的影響。通過對大壩的安全性進(jìn)行評估,可以及時(shí)識別潛在的風(fēng)險(xiǎn)和問題,采取相應(yīng)的措施保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全,同時(shí)可以及早發(fā)現(xiàn)潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),并采取預(yù)防措施確保水庫大壩的安全運(yùn)行,從而保護(hù)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展[3-6]。

對于水庫大壩的安全性評估,國內(nèi)外學(xué)者開展了許多研究。季利等[7]通過現(xiàn)場安全檢查、檢測和觀測資料分析等,根據(jù)相關(guān)規(guī)范對故縣水庫進(jìn)行綜合評價(jià),評價(jià)從工程質(zhì)量、運(yùn)行管理、防洪能力、大壩結(jié)構(gòu)與滲流安全性、金屬結(jié)構(gòu)安全等多個(gè)方面展開。評價(jià)結(jié)果顯示,該水庫大壩的工程質(zhì)量合格,運(yùn)行管理良好,具備較好的防洪能力,并且大壩結(jié)構(gòu)與滲流安全性以及金屬結(jié)構(gòu)安全均符合要求。綜合評定為“一類壩”。由于現(xiàn)有的水庫大壩安全評估方法FMECA 存在主觀性,且忽略各安全隱患之間的相互影響,陳泳江等[8]提出將FMECA-模糊層次分析法應(yīng)用于水庫大壩安全性分析。該方法建立了水庫大壩潛在安全隱患的結(jié)構(gòu)體系,對隱患的發(fā)生頻率和影響嚴(yán)重程度進(jìn)行評分,得出FMECA 評分表。然后,將模糊層次分析法中風(fēng)險(xiǎn)矩陣的權(quán)重計(jì)算方法應(yīng)用于FMECA 評分表的判斷矩陣,對各隱患進(jìn)行權(quán)重分配。最后,通過模糊綜合評判分析水庫大壩的安全性。將該方法應(yīng)用于云南省某水庫,研究結(jié)果顯示該水庫的安全等級為A,與實(shí)際結(jié)果相符。這證明該方法可以用于水庫大壩的安全評估,并彌補(bǔ)了FMECA 方法的不足。為了解決大壩總體安全性評估和安全性預(yù)警指標(biāo)選擇中的不確定性問題,Sang 等[9]提出了一種擴(kuò)展云模型（ECM）與擴(kuò)展層次分析法（EAHP）相結(jié)合的方法。在這種新方法中,反映大壩安全監(jiān)測的不同因素可視為一個(gè)模糊系統(tǒng)。考慮到前向云模型和后向云模型的特點(diǎn),對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了擴(kuò)展,對劃分區(qū)間進(jìn)行了分類,并確定了各自的指標(biāo)。每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重分布采用EAHP 方法來確定。將所建立的模型應(yīng)用于吉林某堆石壩的安全性評價(jià)。仿真結(jié)果表明,該模型除了可用于評估不確定性和安全預(yù)警指標(biāo)外,還能產(chǎn)生可靠的結(jié)果。所提出的模型也比其他方法更靈活、更易于使用。

大壩安全性評價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的問題,因?yàn)樵u價(jià)過程中涉及的指標(biāo)較多,各指標(biāo)之間存在著諸多聯(lián)系,且各指標(biāo)還存在子指標(biāo)。即使可采用實(shí)地調(diào)查,依據(jù)規(guī)范對各指標(biāo)值進(jìn)行確定,但是各指標(biāo)所占權(quán)重依然是水庫大壩安全性評價(jià)所面臨的另一個(gè)重要難題。基于此,本文提出一種組合賦權(quán)（Combination weighting,CW）的方法對水庫大壩進(jìn)行安全性評價(jià),該方法以常用的賦權(quán)法如層次分析法、CRITIC 法等為基礎(chǔ),通過進(jìn)一步組合加權(quán)并得到最終的權(quán)重,結(jié)合各指標(biāo)的實(shí)際評價(jià)值,對水庫大壩進(jìn)行安全性評價(jià)。該方法能夠有效考慮各指標(biāo)之間的相關(guān)性,同時(shí)兼顧主客觀賦權(quán)法的優(yōu)勢,使評價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確,基于該方法得出的評價(jià)結(jié)果,可為水庫大壩的除險(xiǎn)加固提供依據(jù)。

1 組合賦權(quán)法

大壩是一個(gè)復(fù)雜的多參數(shù)系統(tǒng),受到許多因素的影響。包括但不限于壩體和基巖材料的性質(zhì)復(fù)雜多樣,壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化、運(yùn)行管理的措施以及工程質(zhì)量等等都可能在工程過程中或后期運(yùn)行中發(fā)生隨機(jī)變化。隨著時(shí)間的推移和自然荷載的作用,土石壩可能出現(xiàn)大量的病害,這嚴(yán)重威脅到水庫大壩的安全運(yùn)行。因此,安全評價(jià)旨在確保土石壩系統(tǒng)的安全性。雖然可以按照規(guī)范等對各參數(shù)進(jìn)行評價(jià),但是對于各參數(shù)所占的權(quán)重,各學(xué)者之間仍存在較多爭議,進(jìn)而導(dǎo)致水庫大壩整體安全性評價(jià)仍面臨許多困難[10-11]。為了能夠準(zhǔn)確評價(jià)水庫大壩的安全性,本文提出了一種組合賦權(quán)的評價(jià)方法,構(gòu)建該方法的數(shù)學(xué)模型,其表達(dá)式如下：

式中：M 為水庫大壩的得分；mi為第個(gè)指標(biāo)的值；wi為第個(gè)指標(biāo)的平均權(quán)重,可以用下式表示：

式中：Pi,l為采用方法得到的第個(gè)指標(biāo)所占的初始權(quán)重；Wi,l,a為方法所占的平均權(quán)重,其計(jì)算如下：

式中：Wi,l為根據(jù)方法得到的第個(gè)指標(biāo)所占的二次分配權(quán)重。

需要注意的是,初始權(quán)重可采用常用的專家判斷法、層次分析分析法、熵權(quán)法和CRITIC 法等[12,13]。關(guān)于這些方法可參考相關(guān)研究,本文不再重述。

2 水庫大壩安全評價(jià)

本文以五座水庫為例,說明本文提出方法的實(shí)現(xiàn)過程,其中,胖某溝水庫是一座中型水庫,主要用途是防洪和灌溉,碾某溝水庫是一座兼灌溉、防洪和養(yǎng)育等功能的中型水庫,高某水庫是一座小（2）型水庫,兼顧防洪、灌溉和養(yǎng)魚等功能。新某水庫是一座集灌溉、防洪等功能于一體的中型水庫,小某河水庫屬于小（1）型水庫,兼顧供水、防洪等功能。根據(jù)《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》（SL 258-2017）[14]及相關(guān)研究[15],確定了水庫大壩安全評價(jià)層次結(jié)構(gòu)圖,見圖1,同時(shí),結(jié)合該研究,給出了水庫大壩安全等級評價(jià)表和水庫大壩各指標(biāo)的評分,見表1 和表2。下面將采用2 種不同的方法對五座水庫進(jìn)行評價(jià),即本文提出的方法和規(guī)范法,其中規(guī)范法則是用于驗(yàn)證本文提出的方法的可行性。需要注意的是,為簡化案例分析,初始權(quán)重確定時(shí)采用了常用的層次分析法（即AHP法）和CRITIC 法,它們分別代表了主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。

表1 水庫大壩安全等級評價(jià)表

表2 水庫評分表

圖1 大壩安全評價(jià)層次結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)AHP 法的計(jì)算步驟,分別計(jì)算權(quán)重。根據(jù)表2 給出的水庫大壩的評分及本文介紹的CRITIC 法,分別求出各評價(jià)層的權(quán)重,然后計(jì)算各準(zhǔn)則層的得分,進(jìn)而計(jì)算準(zhǔn)則層的權(quán)重。AHP法和CRITIC法計(jì)算得出的準(zhǔn)則層權(quán)重和評價(jià)層權(quán)重,見表3。由表可知,對于準(zhǔn)則層,兩種方法得到的權(quán)重各不相同。例如,兩種方法得出的結(jié)果中差異最大的是準(zhǔn)則層A1,基于CRITIC 法的權(quán)重比AHP 法增加了114.6%。對于評價(jià)層,兩種方法得出的權(quán)重也各不相同。例如,兩種方法得出的結(jié)果中差異最大的是評價(jià)層A37,基于AHP 法的權(quán)重比CRITIC法增加了165.3%。這些結(jié)果也表明,采用單一方法計(jì)算權(quán)重是不可靠的。

表3 基于AHP 法和CRITIC 法的權(quán)重對比

根據(jù)準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重和評價(jià)層指標(biāo)的權(quán)重,計(jì)算評價(jià)層指標(biāo)所占的總權(quán)重,結(jié)果見表4。由表可知,基于AHP 法的權(quán)重與CRITIC 法依然各不相同,而基于本文提出CW 法的權(quán)重則位于前兩種方法中間。例如,與CW 法相比,基于AHP 法和CRITIC 法的權(quán)重相差最大的都是評價(jià)層A12,差異百分比分別為50.9%和51.3%。該結(jié)果進(jìn)一步表明,采用單一方法計(jì)算權(quán)重會進(jìn)一步導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果失真,而結(jié)合兩種方法（即CW 法）,則可對評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重評價(jià)更加合理化。

表4 評價(jià)層指標(biāo)總權(quán)重

根據(jù)表2 水庫大壩評價(jià)層各指標(biāo)的得分、表4 評價(jià)指標(biāo)的總權(quán)重和表1 水庫大壩安全性評價(jià)等級表,對文中研究的五座水庫大壩大進(jìn)行安全性等級評價(jià),結(jié)果見表5。由表可知,除了小某河水庫,采用AHP 法、CRITIC 法和本文提出的CW法得到的水庫大壩安全性等級評價(jià)結(jié)果基本一致。對于小某河水庫,基于AHP 法和CW 法得到的安全性評價(jià)結(jié)果為不安全,而基于CRITIC 法得到的安全性評價(jià)結(jié)果為極不安全。該結(jié)果表明,采用單一方法會出現(xiàn)評估結(jié)果失真的問題。水庫大壩安全關(guān)乎著人們生命和財(cái)產(chǎn)安全,如果出現(xiàn)潰壩等災(zāi)害,將會產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡以及極其惡劣的社會影響。因此,對于大壩安全性等級,務(wù)必采用組合方法對大壩進(jìn)行綜合評價(jià)。

表5 水庫大壩安全性等級評價(jià)表

為了驗(yàn)證本文給出的CW 法的有效性,采用《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》（SL 258-2017）對五座水庫大壩進(jìn)行評價(jià),規(guī)范法和CW 法的評價(jià)結(jié)果見表6。其中,規(guī)范法中涉及了7個(gè)指標(biāo),即文中準(zhǔn)則層的指標(biāo),統(tǒng)計(jì)各指標(biāo)達(dá)到相應(yīng)等級的數(shù)量,即為表中規(guī)范法的結(jié)果。同時(shí),該表也給出了五座水庫大壩的優(yōu)劣性排序。由表6 可知,CW 法的優(yōu)劣性排序與規(guī)范法一致,該結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的CW 法的有效性。

表6 基于規(guī)范法和CW 法大壩安全性對比

3 結(jié)論

本文提出了一種組合賦權(quán)（CW）的水庫大壩安全性評價(jià)方法,以五座水庫為例,對比分析了基于AHP 法、CRITIC 法和CW 法的安全性等級評價(jià)結(jié)果,同時(shí),采用規(guī)范對五座水庫進(jìn)行安全性評價(jià),得出以下主要結(jié)論：

（1）基于AHP 法和CRITIC 法得出的準(zhǔn)則層和評價(jià)層權(quán)重各不相同,對于準(zhǔn)則層,差異最大的是工程質(zhì)量評價(jià),CRITIC 法與AHP 法相差114.6%,對于評價(jià)層,差異最大的是壩基滲流穩(wěn)定,AHP 法與CRITIC 法相差165.3%。

（2）基于AHP 法、CRITIC 法和CW 法的評價(jià)層總權(quán)重各不相同,且基于CW 法的總權(quán)重位于AHP 法和CRITIC 法之間,與CW 法相比,基于AHP 法和CRITIC 法的權(quán)重相差最大的都是連接情況,差異百分比分別為50.9%和51.3%。

（3）基于AHP 法和CRITIC 法的水庫大壩安全性評價(jià)結(jié)果存在細(xì)微差異,但鑒于水庫大壩安全的重要性,務(wù)必采用組合方法即CW 法對水庫大壩進(jìn)行綜合評價(jià)。

（4）基于CW 法的水庫大壩評價(jià)結(jié)果與基于規(guī)范的評價(jià)結(jié)果一致,驗(yàn)證了本文提出的CW 法的可行性和有效性。