遼東南地區中小河流防洪安全綜合評估指標體系構建及應用

高 萌

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

當前中小河流暴雨洪水受極端氣候變化影響呈現易發多發的態勢，已成為當前防汛的工作重點[1]。對中小河流防洪安全進行綜合評估，利于中小河流防洪安全的有效保障[2]。當前對于大型河流防洪安全綜合評估已取得一定的研究成果[3-8]，但由于中小河流洪水特點，對中小河流防洪安全綜合評估的研究還較少，尤其是對于遼東地區而言，由于區域內山區較多，中小河流發生較大程度洪水的頻次都要高于遼寧省其他區域，屬于遼寧省的暴雨洪水易發區，近些年來，遼東地區中小河流通過防洪工程治理，中小河流的防洪安全總體得到一定程度的提升，但由于缺乏有效的中小河流防洪安全綜合評估體系，其防洪安全很難得到有效評估。為對遼東地區中小河流進行防洪安全的綜合評估，從中小河流工程和非工程措施建立綜合評估指標體系，結合當前在國內大型河流防洪安全綜合評估應用較為成熟的熵權云組合模型[9-15]，對遼東地區典型中小河流防洪安全進行綜合評估，研究成果對于中小河流防洪安全風險評估具有重要參考價值。

1 綜合評估方法

熵權云組合模型通過建立中小河流防洪安全評估指標體系熵權值方法對其各指標的隸屬度進行綜合計算：

(1)

式中，μ(x)—評估模型各指標體系的邊際分布云函數；EX—各指標體系數據系列的期望值；En—模型評估的各指標的隸屬度值。

模型首先按照綜合評估指標體系各變量進行邊界分布函數的建立：

En=N(En，He2)

(2)

式中，En—隨機樣本數據系列的期望計算值；He—隨機樣本數據系列的均值。

對構建的樣本指標系列進行正態分布計算：

x～N(Ex，En2)

(3)

式中，Ex—正態樣本指標數據系列的期望計算值。

在指標正態分布期望計算的基礎上采用云模型對評估指標的隸屬度進行計算，結合隸屬度計算值分期各評估指標權重和特征值，并結合熵權方法對指標判定矩陣進行計算：

R=(rij)m×n

(4)

式中，R—各指標判定矩陣計算值；r—指標判定值；i—評估指標；j—判定指標；m—評估指標總數；n—判定指標的總數。

對各指標熵權值在判定矩陣分析基礎上進行計算：

(5)

式中，Hj—評估指標的計算熵權值。

在此基礎上對判定指標熵權值進行計算：

(6)

對各評估指標的熵權進行綜合計算：

(7)

2 綜合評估計算步驟

(1)分別對集合矩陣u={u1，u2，.…un}和評價矩陣為v={v1，v2，…vm}進行建立；

(2)各評估指標的熵權值進行綜合計算，建立指標熵權計算矩陣W={w1，w2，…wn}；

(3)按照單要素評價方法對各評估指標綜合熵權值進行計算，建立不同評估等級下的評估指標綜合熵權矩陣R，并對各評估指標的隸屬度進行正態分布樣本和隨機分布樣本數據系列期望值的計算：

(8)

(9)

按照不同評估等級對各評估指標的隸屬度進行矩陣計算，確定隸屬度綜合計算矩陣Z=(zij)n×m，其計算方程為：

(10)

式中，N和K—模型迭代次數和評估指標的總數。

3 實例應用

3.1 綜合評估指標體系

以遼東南地區本溪、丹東、鞍山、大連、鐵嶺、撫順地區為研究實例，遼東南地區為中小河流堤防為10～20年一遇防洪標準，從防洪工程和非工程措施選取12個指標構建遼東南地區中小河流防洪安全綜合評估指標體系，區域內各中小河流防洪安全綜合評估指標體系結合區域實際情況進行指標屬性值的計算，區域各指標屬性均值見表1。

表1 遼東南地區中小河流防洪安全綜合評估指標體系

3.2 不同防洪標準下評估指標熵權值

按照區域10年一遇和20年一遇中小河流防洪堤防標準結合熵權分析方法對其防洪安全綜合評估指標的熵權中進行計算，結果見表2—3。

表2 10年一遇防洪標準下遼東南地區中小河流防洪安全綜合評估指標熵權值

表3 20年一遇防洪標準下遼東南地區中小河流防洪安全綜合評估指標熵權值

從10年一遇和20年一遇防洪標準下各指標熵權值可看出，不同防洪標準下的評估指標的熵權值具有一致性，在各指標中，人均GDP和單位面積人口兩項指標的熵權值要高于其他指標，這也是區域中小河流防洪安全影響的兩項重要因素。水政法規體系在不同防洪安全下其熵權值相對較低，對于區域中小河流防洪安全總體影響程度較低。通過對比分析，區域各防洪安全綜合評估指標體系的熵權值總體計算結果較為合理，和區域中小河流防洪安全影響實際情況吻合度較高。

3.3 標準化下各指標計算值

考慮到各指標屬性差異性較大，為統一對各指標進行綜合評估，采用正態云模型對各評估指標進行標準化計算，不同防洪標準下區域不同等級下評估指標的標準化計算值分別見表4—5。

表4 10年一遇防洪標準下遼東南地區中小河流防洪安全綜合評估指標各標準值

表5 20年一遇防洪標準下遼東南地區中小河流防洪安全綜合評估指標各標準值

3.4 評估指標隸屬度計算

在采用正態云模型對區域評估指標標準化計算基礎上，按照10000次對模型樣本進行訓練計算，對不同評估指標的隸屬度按照正向標準化進行計算，10年一遇和20年一遇防洪標準下遼東南地區防洪安全評估指標的隸屬度計算結果見表6—7。

表6 10年一遇防洪標準下遼東南地區中小河流防洪安全綜合評估指標隸屬度

表7 20年一遇防洪標準下遼東南地區中小河流防洪安全綜合評估指標隸屬度

從10年一遇和20年一遇遼東南地區防洪標準下遼東南地區中小河流防洪安全綜合評估指標隸屬度呈現正態標準分布，這主要是因為不同防洪標準下區域中小河流防洪安全評估各指標采用正態云模型進行標準化計算，使得各評估指標隸屬度呈現標準正態分布，降低了各評估指標之間的非線性和隨機性，通過多層次樣本數據序列后其各指標的隸屬度也逐步趨于穩定變化。

3.5 防洪安全綜合評估

結合熵權云模型在各評估指標隸屬度計算基礎上對不同防洪標準下遼東南各分區的防洪安全進行綜合評估，結果見表8—9所示。

表8 10年一遇防洪標準下遼東南地區中小河流防洪安全綜合評價結果

表9 20年一遇防洪標準下遼東南地區中小河流防洪安全綜合評價結果

結合遼寧地區中小河流防洪安全實際情況，當綜合評估值在(0，0，0.10)之間時為不安全，在(0.11，0.15]之間時為較不安全，在(0.16，0.20]之間時較安全，在(0.21，0.25]之間時為安全，在(0.26，0.30]之間時非常安全，在10年一遇防洪標準下本溪地區綜合評估值為0.27842，處于非常安全等級，而在20年一遇防洪標準下其評估值為0.13477，處于較不安全等級，通過分析主要是因為本溪地區中小河流20年一遇防洪標準達標率總體不是很高，使得其20年一遇防洪安全總體為較不安全。丹東、鞍山、大連地區在20年一遇和10年一遇防洪標準下其評估結果均為較安全。鐵嶺地區在10年一遇防洪標準下其防洪安全綜合等級為安全，而在20年一遇防洪標準下其防洪安全綜合等級為較安全，這主要是因為20年一遇下鐵嶺地區中小河流堤防達標率總體不是很高影響所致。撫順地區中小河流防洪安全經過評估總體為不安全。綜合分析遼東南地區總體在0.16～0.20之間，處于較安全程度。

4 結語

(1)在進行評估指標隸屬度計算時，當樣本訓練計算次數達到10000次以上時，各評估指標隸屬度總體可處于標準正態分布，此時計算的各評估指標隸屬度逐步趨于穩定變化。

(2)在進行非工程措施指標賦值時，主要采用專家賦分方式對其進行賦值計算，如防洪工程體系、水情測報系統兩項指標，通過專家評估方式按照0～100對其進行賦分，再結合標準化方式對其指標進行標準化計算，解決不同指標屬性差異較大的問題。

(3)本文未對評估等級范圍進行合理性分析，在后期的研究中應重點對各評估等級的取值范圍進行合理性分析，進一步提高其綜合評估的客觀性。