石门水库除险加固治理效果评价

姜明君

(盖州市水利事务服务中心，辽宁 盖州 115200)

采用合理有效的综合评价模型科学分析水库加固治理效果，对优化设计加固整治方案和消除水库安全隐患具有重要意义[1]。如，胡江等[2]提出了水库加固决策优化的风险和LQI理论，在此基础上建立定量评估水库加固效益模型和快速估算溃坝损失的公式；王宁等[3]以非线性组合优化问题的求解替代判断矩阵的一致性检验过程，将传统的层次分析法加以优化提出水库加固效果模拟退火评价模型；蔡德所等[4]将多元回归法和灰色模型GM(1,1)相结合，拟合预测了关键段板面堆石坝面板挠度的变形检测数据，运用Matlab软件完成数据的相关分析；刘展志等[5]从水环境影响、经济内部收益率、防洪和灌溉增粮效益等方面，构建水库加固效益多要素多目标评估体系，运用改进的云模型法和划分的评定等级系统分析了水库加固效果；潘翔等[6]从指标时效性的角度构建量化评估大坝加固效果的模型，并对比分析了时效性指标与指标等级、大坝形态变化相互的关系。综上分析，针对每个元素权重的确定现有评价方法大多以定性分析为主，且水库加固效果评价通常存在较强的模糊性和不确定性特征。鉴于此，本文结合水库加固效果评价系统的多层次结构、多因素的特征，将传统的层次分析法利用三标度层次分析法加以改进，从而解决主观决策对权重的影响问题。考虑水库加固治理的模糊性和不确定性特点，运用模糊数学法构建加固效果综合评估模型，进一步验证模型的可行性，并将其应用于石门水库除险加固治理工程。

1 改进的三标度层次分析法确定权重

1.1 评价指标体系的建立

不同地区的水库运行状况和水文地质条件往往存在较大的差异，且水库除险加固治理涉及到的内容多、范围广、工艺复杂，为了更加系统、全面的掌握水库运行情况，应选取真实可靠的数据，从诸多复杂的信息中选取代表性的参数，遵循定量、定性相结合，完备性、层次性和科学性等原则建立评价指标体系。以水库除险加固治理效果(A)为评价目标，总体上从加固设计与施工方案(B1)、康复程度(B2)、综合影响(B3)三个方面选择有价值的数据信息，按照梯阶层次结构搭建评价体系，二级因素与三级因素如表1所示。

表1 水库加固效果评价体系二级因素与三级因素

1.2 权重的计算

1～9标度法为传统的层次分析法构造判断矩阵的重要依据，因标度分级过于细化、等级较多增加了估算难度，同时难以掌握不同标度的比较尺度，从而使得判断矩阵的精准度有所下降。专家判断每个元素的重要度时利用三标度层次分析法比较容易实现，该方法可以省去复杂的检验过程，有效解决传统的1～9标度法存在的运算量大、偏差大且主观性强等问题。因此，针对各个元素的重要度排序问题引入专家很容易判断的三标度层次分析法，即将每个元素权重运用改进的代表度层次分析法求解[7-8]。

2 模糊综合评价模型

根据各元素隶属于不同评价等级的程度构成模糊关系映射矩阵，该过程属于多层次、多因素的复杂性系统问题，其中模糊关系的合成运算为综合评价的核心，考虑待评价事物所有元素的隶属等级输出最终的综合评价值，所以可选用模糊数学法，其详细步骤为：

(1)构造因子集U。依据不同层次的评价元素构造因子集U，如集成了工程投资、技术适用性、社会发展影响、运行管理等因素的集合U={u1,u2,…,um}，其中ui为单元素,i=1,2，…，m。

(2)确定评语集V。根据水库除险加固整治目标要求及其实际运行状况，针对不同评价等级构成相应的评语集V={v1,v2,…,vn}，其中vj为评价等级,j=1，2，…，n。

(3)单要素模糊评价。设ui为因子集中的第i项元素，关于评价等级vj该元素的隶属度为rij，利用所有单要素的隶属度构造模糊评价矩阵R。

(4)综合评价水库加固效果。依据单因素ui隶属于不同等级的程度，建立单因子模糊权重子集W={ω1,ω2,…,ωn}，采用合成算子对矩阵R与W作模糊处理，从而确定水库加固效果的综合评判集B，如公式(1)所示：

B={bj}=W×R

(1)

式中：bj为水库加固治理效果模糊综合评价值。最后，依据最大隶属度原则评估水库加固效果的等级，综合考虑多方面元素的模糊数学法有效解决了效果评价的模糊性和随机性问题。

3 实例应用

石门水库位于辽宁省盖州市大清河上游，是一座以工农业供水为主，兼具水产养殖、水力发电以及防洪排涝等功能的综合型水库。水库最大库容1.022亿m3。水库下游区域主要涉及11个乡镇的20多万人和1.33万hm2耕地，另外还有国家级重点防护的运输干线、输油管线等设施[9-10]。结合水库运行过程中发现的问题和安全鉴定有关结论，充分考虑安全鉴定意见、工程加固设计标准和相关规范，采取的加固整治措施有：加固处理坝体结构、翻建扩建溢洪道、翻修背水坡、依据规范增设大坝安全检测设施，修建防汛公路、完善管理及通讯设施等[11-21]。

3.1 改进的三标度层次分析法求解权重

步骤1：邀请熟悉工程现场的技术人员和行业内的专家，按照三标度准则评判每个元素的重要度构造比较矩阵C。为简要说明权重求解过程，以一级因素加固设计方案C1为例，构造的比较矩阵CC1如式(2)：

(2)

步骤2：根据比较矩阵CC1，考虑专家意见构造各三级指标的判断矩阵A如式(3)：

(3)

步骤3：由权重公式求解水库加固效果三级元素的权重，经标准化处理最终输出各元素权重集为：w11=(0.2855,0.1432,0.5713)。

步骤4：按照步骤1～3依次求解出各层级中每个元素的权重。

3.2 加固治理效果评价

(1)搭建评语集。借鉴水库大坝安全评定标准和现有研究资料，形成水库加固效果评语集V={很好,好,一般,较差,很差}，然后按照五级制将等级标准划分，不同等级下的评分区间如表2。

表2 评价等级分值指标

依据水库大坝安全评价导则、全国重要水库的安全鉴定指导意见、水利水电工程等级划分和洪水标准等资料，利用等级打分方案由9名熟悉工程现场的技术人员和专家给予评分，统计整理石门水库除险加固工程28项元素的专家评判等级，如表3。

表3 三级指标专家评判等级

(2)隶属度的确定。根据工程技术人员和专家评定的每个指标等级，运用隶属度求解公式构造二级因素的隶属度矩阵，如式(4)：

……

(4)

(3)一级层次的模糊评价。采用公式(1)综合处理隶属度矩阵r11和C1的权重集w11=(0.2855,0.1432,0.5713)，从而确定水库加固效果的评判集BC1=(0.2852，0.5716，0.1422，0，0)。

(4)同理，根据以上步骤和相关公式依次确定其它一级、二级、三级元素的效果评判集，水库除险加固效果的三级元素评估值如式(5)：

BA=w31·r31=[0.5716 0.2850 0.1422]·

(5)

3.3 评价结果分析

结合BA评判结果和最大隶属度原则，隶属于“好”等级的值最大为0.6288，由此表明石门水库工程的除险加固效果达到“好”等级，水库加固整治项目的实施改善了水利工程病险状态，加固后的工程效果达到设计要求和预期目标。所以，综合应用模糊数学法和三标度改进的层次分析法能够较为客观、真实的体现水库加固整治效果，评价结果与工程验收、加固后运行情况基本一致。

4 结 论

本文综合考虑水库大坝安全评价导则和工程安全鉴定指导意见，参考相关规范构建多要素多目标综合评估体系，针对每个元素的权重运用三标度层次分析法确定，有效解决了主观决策对评价结果的影响。为解决水库加固效果评价存在的模糊性和不确定性问题引入模糊数学法，通过设定评语集、因素集和隶属度矩阵计算，科学分析了三层次评价指标体系。

采用模糊数学法评价石门水库加固整治效果，结果发现加固整治工程达到预期的设计目标，效果评价属于“好”等级，该模型满足科学合理性要求，能够较为客观、准确的反映水库加固整治后的真实状况，为水库加固效果评价和方案设计提供科学依据。