即墨區岔河灌區渠道防滲優化研究

摘 要：針對夏季汛期暴雨導致的雨水集中、內澇以及灌區渠道防滲效果不佳的問題，本文利用模糊綜合評判法對即墨區岔河灌區的渠道防滲工程進行優化研究。結果表明，通過評估不同防滲方案，發現采用一側有擋土板的形式是最優方案，最差的方案是砌石漿砌形式。本研究的創新之處是應用模糊數學處理不確定性，提高了評價的準確性。研究結果為灌區防滲工程提供了科學優化方法，便于提高農業灌溉效率，保護生態，為同類工程的渠道防滲優化措施提供了一定的參考價值。

關鍵詞：渠道防滲；層次分析法；模糊綜合評判

中圖分類號：TV 22" 文獻標志碼：A

我國一些城市在夏季的主汛期間容易出現澇災等災害，而建立灌區是主要的解決方法之一。張夢嬌[1]主要對華北平原區防滲渠道進行優化，采用SQP算法對不同形式防滲渠道的橫斷面進行優化。徐淑琴等[2]基于黑龍江省大型灌區項目工程，利用模糊綜合判別法對該工程試驗方案優越性進行判定，總結了適合在寒區運行的渠道防滲工程優化模式。趙多明[3]主要針對高寒區渠道防滲工程中，新舊防滲體連接和防滲體極易破損等問題進行研究，最終得出適合在高寒區渠道防滲工程中適用的連接膠及應用場景。鄧升等[4]基于蘇北平原區渠道防滲工程，采用熵權模糊方法對4種不同的渠道防滲方案進行評估，并根據評估結果綜合選出最佳的渠道防滲方案。喬永梅等[5]依托實際工程對灌區節水改造中防滲渠道進行優化，發現選擇弧形坡腳的梯形斷面形式可以使灌區防滲渠道達到最佳效果。王俊發[6]將理論分析與實際工程相結合，采用有限元仿真軟件對渠道防滲主要材料物理力學特性進行分析，為實現機械化鋪膜提供了理論支持。

1 工程概況

即墨區位于山東半島西南部，在青島市所屬的縣級市，南距青島市中心約30km，素有“青島后院”之稱。總面積1780km2，耕地面積為733.33km2，是青島市主要的糧、油生產基地，也是青島市的蔬菜生產基地。

即墨區岔河灌區建于1959年，后經續建配套，至20世紀70年代，有效灌溉面積達到39.33km2，灌區內耕地集中，土壤肥沃，農業生產自然條件優越，是即墨區的糧食主產區之一，對當地農業生產發展起到了很大作用，曾帶動水稻種植業和其他種植業發展，從根本上改變了洼區低產落后面貌，促進了農村經濟發展。但限于修建時經濟、社會、技術等條件，灌區工程建設標準低，施工質量差，出現主渠淤積坍塌嚴重、部分堤段堤防被破壞、渠道局部滲漏嚴重等問題，全灌區實灌面積僅有24km2，占有效灌溉面積的61%，灌區整體效益發揮受到嚴重影響，制約了即墨區經濟社會發展。因此，實施岔河灌區節水配套改造，有利于改善灌區農業生產條件，提高灌區農田抗御旱澇災害的能力和當地農業特別是糧食綜合生產能力，對促進灌區農業及農村經濟社會可持續發展，推動社會主義新農村建設和構建和諧社會具有重大意義。

2 渠道防滲工程主要方案

渠道防滲工程形式多種多樣，不同的方案所適用的場景也有差別。在選擇渠道防滲工程中，應注意以下幾個方面。1）選擇的渠道防滲工程應符合當地的水文地質條件和工程技術標準，保證工程的可行性和長期穩定性。2）材料選擇：根據具體情況選擇合適的防滲材料，考慮其密封性能、抗老化性能和環境適應性等因素。3）考慮渠道防滲工程的投資成本，包括材料、施工和維護等方面，并權衡其與預期效益的關系。4）評估渠道防滲工程對周圍環境的影響，包括對土壤、地下水和生態系統的影響，以保護環境和生態平衡。5）考慮渠道防滲工程的維護需求和周期，保證工程長期有效運行并避免發生滲漏問題。選擇合適的渠道防滲工程需要綜合考慮上述因素，保證工程的可靠性、經濟性和環境友好性。防滲優化方案評價體系如圖1所示。

3 渠道防滲優化方法

模糊現象是沒有準確的信息去描述的一種現象。模糊數學是一種用來處理不確定性和模糊性問題的數學工具和方法。它的核心思想是引入模糊集合和模糊邏輯，更好地描述和處理無法明確劃分為真或假、具有不確定性或模糊性的現象和概念。

模糊綜合評判是模糊數學的一種應用技術，用來確定事物或方案的綜合評價。在傳統的綜合評判中，通常基于明確的準則和權重來進行判斷和決策。然而，在現實生活中，很多情況下準則和權重是模糊的、不確定的或主觀的。模糊綜合評判將模糊集合、模糊關系和模糊邏輯引入評價過程中，能夠更好地處理這類問題。模糊綜合評判的應用非常廣泛，它可以用于決策支持系統、人工智能、控制系統、模式識別、風險評估、工程管理等領域。例如，在決策支持系統中，模糊綜合評判可以幫助確定最佳的決策方案，考慮到各種模糊的因素和限制條件。在控制系統中，模糊綜合評判能夠處理模糊輸入和模糊輸出，提高系統對不確定性和變化的適應性。在模式識別中，模糊綜合評判可以用于處理模糊和不完整的信息，提高識別的準確性和魯棒性。總之，模糊綜合評判在許多領域中都能夠更好地處理不確定性和模糊性問題，做出更準確和可靠的決策，步驟如下。1）定義評判準則：確定評判問題的準則體系，并對每個準則進行定義和量化。2）確定權重：權重值反映了各個評價指標在決策過程中的重要性。可以使用專家判斷、層次分析法等方法來確定權重。3）建立模糊評判矩陣：根據評判準則和評判指標，建立模糊評判矩陣。模糊評判矩陣的元素是模糊數，表示每個評判指標在每個準則下的模糊評價。4）模糊評判矩陣轉化：將模糊評判矩陣轉化為數值評判矩陣，可以使用模糊數的降階法、對模糊數求期望值、模糊設置法等方法進行轉化。5）模糊綜合評判：將轉化后的數值評判矩陣進行綜合評判，可以使用加權平均法、熵權法等方法進行綜合。6）結果分析與決策：對綜合評判結果進行分析，根據評判目標確定決策方案。7）敏感性分析：對評判準則的權重進行敏感性分析，分析權重變化對評判結果的影響。

4 渠道防滲優化分析

4.1 確定模型評價因子

需要確定模糊綜合評判模型的評價因子。當確定評價因子時，需要考慮渠道防滲的關鍵因素，根據實際情況選擇適合的評價因子，保證評價因子能夠全面、準確地反映渠道防滲的性能和效果。明確評價的對象，即灌區的渠道防滲工程。這包括對現有渠道的滲漏問題、地質條件、氣候特征等進行詳細分析。基于評價對象的分析結果，選擇一系列能夠反映渠道防滲性能的指標。這些指標可能包括投資成本、使用壽命、施工方法、抗凍性、技術先進性、適用性和維修管理等。同時，還要根據渠道防滲的具體要求和目標來確定評價因子的權重，保證評價結果的準確性，使評價過程中各個指標的重要性得到合理分配。主要考慮防滲效果、渠道材料投資、渠道材料使用壽命、施工方案、耐水壓性、渠道先進性、渠道適用性7個方面作為評價因子。因此評價對象：A={a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7}={防滲效果、渠道材料投資、渠道材料使用壽命、施工方案、耐水壓性、渠道先進性、渠道適用性}。對灌區渠道防滲段各種防滲方案進行模糊打分，采用0～1打分法。灌區渠道防滲段各評價因子分值見表1。

4.2 確定權重值

使用層次分析法（AHP）確定每個評價指標的權重。層次分析法（AHP）是一種結構化的決策支持工具，它將復雜的決策問題分解為更小、更易于管理的部分，采用定量和定性相結合的方式，對這些部分進行比較和排序，確定最終的決策方案。它的優點是能夠將主觀判斷與客觀分析相結合，使決策過程更加系統化和科學化。在渠道防滲優化模式研究中，層次分析法可以幫助研究者確定不同評價指標的相對重要性，為選擇最合適的防滲方案提供依據。將渠道材料的使用壽命作為基準，確定其他各評價因子的權重值，各評價因子權重值見表2。

表2 各評價因子權重值

ai/a2 a1/a2 a2/a2 a3/a2 a4/a2 a5/a2 a6/a2 a7/a2

Ai2 4 1 1 2 1 2 3

由表2可知，Ai2={4，1，1，2，1，2，3}，不同因素的權重值具體表現如圖2所示。

可以看出在專家指標評測過程中，專家對防滲效果最為看重，其次是渠道方案適用性。其他的指標權重值大致在同一區間內。

4.3 建立隸屬度矩陣

根據每個評價指標在不同防滲方案下的表現，建立隸屬度矩陣。建立隸屬度矩陣的過程是為了在模糊綜合評價中量化評價指標，將定性的評價轉化為定量的數據。根據收集的數據，將每個評價對象在每個評價指標上的表現與設定的評價標準進行比較，確定其在各個評價等級上的隸屬度。隸屬度表示評價對象屬于某個等級的可能性。最終確定最優指標集=x*{0.8，.06，25，0.7，0.7，0.7，0.7}，將所有評價對象在各個評價指標上的隸屬度整理成一個矩陣。這個矩陣的每一行代表一個評價對象，每一列代表一個評價等級，矩陣中的元素是對應評價對象在該等級上的隸屬度。根據表1數據確定隸屬度矩陣E，如公式（1）所示。

（1）

為了保證隸屬度矩陣的一致性和可比性，對矩陣E進行歸一化處理得到矩陣E1，如公式（2）所示。

（2）

利用灰色理論中的灰色關聯度分析方法，計算各防滲方案與最優方案之間的關聯度。代入公式（3），計算灰色關聯系數。

（3）

式中：minjmini|x*（i）-x（i）|為x（i）與x*（i）最小絕對值之差；maxjmaxi|x*（i）-x（i）|為x*（i）與x（i）最大絕對值之差。一般ρ=0.5。最終確定關系矩陣R如公式（4）所示。

（4）

4.4 計算優化模式結果

將權重值與隸屬度矩陣相結合，通過模糊綜合評價公式計算各防滲方案的綜合評價值。這個步驟可以量化所有評價指標的綜合效果，為最終的決策提供依據。用權重值乘以關系矩陣得到最終的模糊綜合評判值B，如公式（5）所示。

（5）

最終根據模糊綜合評價的結果，選擇關聯度最高、綜合評價值最優的防滲方案，將其作為灌區渠道防滲的優化模式。根據模糊綜合評判的結果可知，對灌區渠道防滲段來說，最差的防滲方案是砌石漿砌形式，最好的防滲方案是采用一側有擋土板形式，其次是埋鋪膜料形式。

本文公式主要用于描述模糊綜合評判的過程、權重值計算以及灰色關聯度分析。這些公式相互關聯，共同構成一個完整的決策支持系統。確定權重值的公式可以保證評價指標的合理性，而模糊綜合評判的公式（隸屬函數和模糊合成規則）則用于綜合這些權重值，得出最終的評價結果。在實際應用中，用這些公式和方法研究灌區的渠道防滲優化。通過建立評價指標體系，確定權重值，應用模糊綜合評判，研究者能夠評估不同防滲材料和技術方案的性能，從而為實際工程提供科學合理的決策依據。

5 結論

本文對即墨區岔河灌區渠道防滲優化進行研究分析，首先，該研究簡單介紹了該灌區的工程概況，對目前主要使用的渠道防滲方案進行總結，其次，通過模糊綜合評判模型對該灌區渠道防滲方式進行優化研究，最后，得出以下結論。1）不同的評價因子指標會影響最終模糊評判模型的結果，對不同的實際工程的渠道防滲段來說，考察的評價因子不同，因此計算的優化模式結果也不同。2）根據最終灌區防滲渠道的模糊綜合評判模型結果可知，對該工程渠道防滲段來說，最優的防滲方案是采用一側有擋土板形式，最差的方案是砌石漿砌形式。

參考文獻

[1]張夢嬌. 華北平原區防滲渠道優化設計研究[D].天津：天津農學院，2020.

[2]徐淑琴，王麗學，宋軍.寒區渠道防滲工程優化模式研究[J].灌溉排水學報，2004（4）：67-70.

[3]趙多明.高寒區渠道新舊防滲體連接材料的優化選擇[J].工程建設與設計，2022（14）：186-188.

[4]鄧升，邵光成，卜昊，等.蘇北平原區渠道防滲工程評價和方案優選方法[J].排灌機械工程學報，2014，32（3）：225-230.

[5]喬永梅，趙健.灌區節水改造中防滲渠道斷面的優化設計[J].江蘇建材，2022（5）：33-34，61.

[6]王俊發. 渠道塑膜防滲理論與機械化鋪膜的關鍵技術研究[D].長春：吉林大學，2006.