水库大坝综合评价时效性指标的量化模型

陈 明 邱娟娟 徐力群 潘 翔

(1. 信阳市泼河水库管理局， 河南 信阳 465426； 2.信阳市淮河管理处， 河南 信阳 465426； 3. 河海大学 水利水电学院， 南京 210098)

根据《全国病险水库除险加固专项计划》统计，我国共有病险水库30 413座，占水库总数的36.3%[1]．病险水库如同一颗定时炸弹，对下游人民群众生命和财产安全有严重的威胁．因此，对病险水库进行除险加固势在必行[2]．在国务院全国病险水库除险加固专项计划实施后，我国一大批的病险水库得到了加固，发挥了工程效益．病险水库的加固治理是一项系统工程，如何对加固以后的效果进行综合评价是一个亟待解决的重要问题[3-5]．

采用定量的指标对工程加固效果进行客观的评价，是科学衡量加固效果的核心问题．专家权重是群决策中的一个重要问题，许多学者对于该问题都进行了深入的研究，万树平[6-8]基于Vague集的多属性群体的专家权重确定问题研究，避免了专家权重的人为给定而带来的主观性问题，也给出了不同积分算子在群决策中的应用．万俊[9]提出了采用专家个体决策结果与群体决策结果的偏差量并结合熵理论来求得专家的客观权重．周伟[10]提出了仅靠非犹豫度来对不同专家和决策者的区分方法来确定专家权值．在群决策中，专家权重不同的算法来自适应调整计算，也是该方向的研究热点[11-15]．

河南省地跨淮河、长江、黄河、海河四大流域，2007年对河南省水库进行了全面安全普查．通过普查、评价、鉴定，全省共有1 843座水库存在病险问题．截至2015年，河南省全省已建各类水库2 650座，其中大中型水库148座，列入全国大中型病险水库除险加固规划123座，其中107座已完成了除险加固任务，尚有9座水库正在除险加固建设过程中，7座正在准备实施．水库的除险加固有效降低了水库的病险率，消除了其安全隐患，保障了水库下游人民群众的生命财产安全，大大增强了水资源调控和抗御干旱灾害的能力．尽管水库除险加固工作消除了一些隐患，但也应看到，目前我国水库除险加固技术及除险加固效果，在实际工程应用中还存在不完善和不合理的地方．本文结合河南省病险水库除险加固实际情况，提出了水库大坝综合评价时效性指标量化评价模型，用以对病险水库除险加固效果进行客观评价．

1 时效性指标除险加固前后安全程度评分

水库大坝时效性指标指的是防洪能力康复程度、渗流安全康复程度、结构安全康复程度、抗震安全康复程度、金属结构安全康复程度、运行管理康复程度．其评价值的确定不仅涉及除险加固后该指标的安全程度，还与除险加固前后该指标安全程度的提高息息相关，这就需要对除险加固前后该指标的状态分别进行评价，即两次评价．

对于时效性指标，需要进行两次评价，对除险加固前后的安全程度分别做出评价．而时效性指标除险加固前(或除险加固后)的安全程度本质上属于非时效性指标，此时，需将时效性指标除险加固前、后的安全状态作为两非时效性指标分别进行评价．可将大坝的安全程度划分为5个等级：非常安全、基本安全、不安全、很不安全、极不安全，各时效性指标除险加固前、后安全程度评分标准见表1．

表1 时效性指标除险加固前、后安全程度评分标准

对定量化指标除险加固前(或除险加固后)安全程度进行评分时，须以最不利于大坝安全的参数为控制参数进行计算．首先根据评分标准确定指标处于哪个安全等级，然后以最不利于大坝安全的参数为控制参数进行具体评分．定量指标可分为两类，一类是效益型指标，这类指标的实际值越大，其安全程度评分越高；另一类是成本型指标，这类指标的实际值越小，其安全程度评分越高．

1.1 效益型指标

基于上述分析，效益型指标除险加固前(或除险加固后)安全程度评分按(1)式计算．

(1)

式中：若t<0，则按t=0计算；x为指标除险加固前(或除险加固后)安全程度评分；t为指标除险加固前(或除险加固后)的安全参数与该指标对应规范规定值的比值；a、b为该双曲线函数的参数，建议取a=1/165，b=1/100，也可根据除险加固工程或评价指标的实际情况适当调整．

1.2 成本型指标

成本型指标与效益型指标相反，如果将效益型指标当作正指标，则成本性指标为逆指标．为使综合评价过程中评价结果具有一致性，需要将两类指标同向化处理．一般方法是利用倒数法将逆指标(成本型指标)转化为正指标(效益型指标)．

仍然使用式(1)作为成本型指标的安全程度评分计算公式，但里面的参数t由原来的指标除险加固前(或除险加固后)的安全参数与该指标对应规范规定值的比值更改为指标对应的规范值与指标除险加固前(或除险加固后)的安全参数的比值．公式中的参数建议取值仍同效益型指标，除非规范有更明确的规定．

2 指标安全度评价模型

获得时效指标除险加固前(或除险加固后)的安全程度评分后，需根据该评分判断指标的安全程度，这就需要对大坝安全程度的变化特性作进一步研究．

现用安全程度系数S来表示大坝各评价指标所处的安全程度，称为安全度；x表示该指标的安全程度评分，则可知x的取值范围是[0，100]，S采用[0，1]标度，且S值越接近于1表示安全程度越高．

基于Logistic1模型，评价指标安全度模型如式(2)所示，模型关键点对应值见表2．

(2)

式中：x为评价指标安全程度评分；S为评价指标安全度．此时，基于Logistic1模型，评价指标安全程度评分为100时的S值为0.988 6．

表2 评价指标安全度模型关键点对应值

根据以上分析，建立了评价指标安全度模型，该模型将呈线性变化的指标安全程度评分转化为更符合实际的非线性连续数值，即时效性指标安全度S，实现了与大坝安全程度变化特性的匹配．

时效性指标加固前、后安全状态的评价用安全度S量化表示，因此，应用前文提出的评价指标安全度模型，分别对时效性指标除险加固前、后的安全程度进行量化评价，即可得到时效性指标除险加固前的指标安全度S1与除险加固后的指标安全度S2．

3 安全等级提升模型

指标的除险加固效果可以分为两个层次，一是在除险加固后指标所处的安全状态，这一层次根据安全度S2判断，S2值与0.988 6越接近，除险加固后时效指标安全程度越高；二是大坝在除险加固前后时效指标安全等级提升状况．安全等级提升系数C可以用下式来计算：

S1，S2∈[0，1]且S2≥S1

(3)

式中：C为指标安全等级提升系数；S1为除险加固前指标安全度；S2为除险加固后指标安全度；Smax为安全度最大值且Smax=0.988 6；Smin为安全度最小值且Smin=0.019 2．因此，安全等级提升系数可以进一步改写成下式：

C∈[0，1]

(4)

式中：C为指标安全等级提升系数；S1同上．

需要指出的是，对指标除险加固进行评价，只有当除险加固后该指标处于安全状态(包括基本安全和非常安全)下，即S2≥0.687 7时，评价其安全等级提升程度才有意义．否则，可以根据除险加固后指标安全度直接判定其加固效果．

4 时效性指标评价值及量化评价模型

获得指标安全度S2和指标安全等级提升系数C后，用下式来计算时效指标评价指标值：

S2≥0.687 7

(5)

式中：C为时效性指标安全等级提升系数；Xmax为S2所在区间范围的最大评价值；Xmin为S2所在区间范围的最小评价值；m=0.750 5，n=1.50．

具体操作方法如下：

1)利用指标安全度评价模型，根据除险加固前、后安全程度评分计算除险加固前、后的指标安全度S1、S2，进而求得该指标除险加固前、后安全等级提升系数C；

2)根据除险加固后安全度S2确定Xmax、Xmin代表的区间范围，对应见表3．

表3 Xmax与Xmin对应表

3)利用式(5)求取时效性指标的评价值．

由此，可以确定由除险加固后安全度S2及安全等级提升系数C确定的指标评价值计算公式为：

(6)

利用该计算公式可确定时效性指标评价值．

综上所述，时效性指标量化评价模型具体评价流程如图1所示．

图1 时效性指标量化值评价流程图

首先，将时效性指标除险加固前、后的安全状态视为两个非时效性指标，根据定性指标和定量指标的特点分别计算其安全程度评分．接着，根据该评分应用式(2)提出的指标安全度评价模型分别计算时效性指标除险加固前、后的安全度S1和S2，带入安全程度提升系数模型即可计算时效指标的安全等级提升系数C．最后，利用提出的评价值计算公式，计算得到时效性指标的量化评价值X．

5 结 论

本文结合河南省病险水库除险加固情况，研究了水库大坝安全综合评价时效性指标的量化分析方法，提出了水库大坝综合评价时效性指标量化评价模型．

通过对水库大坝时效性指标，分别确定除险加固前后的实际值，判断其安全程度，比较了除险加固前后该指标安全程度的提高程度，获得了安全等级提升系数，确定了该时效指标的评价值．从而得到了可对水库除险加固情况进行客观评价分析的量化指标，并用其对水库大坝除险加固效果进行评价．