基于F-ANP法的大坝风险评价与管理技术研究

2021-03-15周志维马秀峰

中国水利 2021年4期

周志维，马秀峰

（1.江西省水利科学院，330029，南昌；2.江西省水工安全工程技术研究中心，330029，南昌）

江西省绝大多数水库管理技术相对单一，许多水库管理人员不参与工程维修工作，导致大坝在针对工程安全隐患进行维修养护或除险加固时主次矛盾不明确、存在盲目性，从而无法合理利用资源，大坝安全得不到可靠保障，险情频出。通过利用风险管理技术识别风险要素、分析风险大小、合理进行排序、最大程度提高工程安全水平是解决大坝风险频出的有效途径。

大坝风险管理实际上是一种决策过程，即以大坝风险为目标函数，风险要素为变量，以有限的资源作为边界条件，寻求最小风险的最优解。然而，分析风险时往往针对单一风险要素进行考虑，或基于相对独立的前提下进行多因素分析，未充分考虑大坝风险要素之间的系统性及复杂性。因此，开展大坝风险分析，需要考虑各构筑物之间、工程与非工程之间的联系，确定各因素之间影响关系也是开展风险排序的关键环节。目前，常用的决策方法包括层次分析法、模糊积分法和网络分析法。其中，层次分析法能将决策问题构建成类似于系谱树的层次结构，基于各元素之间相互独立的前提下，通过两两比较得到判断矩阵，与相互影响的管理属性不相符，影响了决策的可靠性；模糊积分法存在模糊测度难以确定的问题；网络分析法（ANP）是基于层次分析法考虑各属性之间相互依存的多因素评价方法，适用于分析复杂结构且不易量化的评价问题。

针对水库风险要素具有内在关联及模糊属性的特征问题，采用网络分析法确定各因素之间的内在联系，并利用模糊隶属度进行风险判别，建立模糊综合评判和网络分析法于一体的模糊网络分析评价方法（以下简称F-ANP法），该方法已在多领域的决策中得到应用。本文将其应用于水库风险评价中，为开展水库风险评价及管理提供技术手段。

一、风险评价模型

1.基本思想

F-ANP法的核心是基于脆弱度理念采用德尔菲法确定模糊隶属度，构建模糊关系矩阵，确定评语集及因素集，在考虑各因素集的权重时，利用网络分析法，分析各因素之间的相互影响关系，确定相应的权重关系，分析步骤如图1。

2.指标体系构建

水库风险涉及指标较多，内在关联较密切，因此为客观准确反映水库风险现状，在确定指标体系时应遵循如下原则：①代表性原则，应直接或间接体现水库主要的破坏路径；②可量化原则，评价指标的数据获取应简单易懂，可通过现场检查便于收集数据集；③层次性原则，指标体系应具有层次性，能从不同方面、不同层次反映水库风险的实际情况。

大坝风险一般通过建筑分类及破坏的主要模式确定，将指标体系分为两级：一级指标共5个，分为大坝缺陷、溢洪道缺陷、输水建筑物缺陷、金属结构缺陷、管理缺陷，编号分别为A1～A5；二级指标共分为 12 个，编号分别为 B1～B12，具体指标体系见图 2。

3.ANP网络结构

（1）网络关系

网络分析法的结构主要有控制层和网络层两层。控制层主要为大坝综合风险一个准则层，在建立ANP网络图时，仅需考虑网络层。在分析各指标的关联性时，可通过大坝的破坏路径来决策，例如对于如下溃坝路径：洪水→坝体集中渗漏→管涌→人工未干预→大坝溃决，指标的联系包括防洪安全、渗透稳定、安全监测、人员设置等，这些指标处于不同的一级指标下但存在影响关系，通过总结分析这些路径，详细描述大坝各种溃坝模式及溃坝路径。

（2）ANP 法应用过程

层次分析法视为网络分析法的特殊情况，在分析复杂的指标体系时具有一定局限性。该法在分析不同上级指标下各指标之间的相互影响关系时具有独特优势，尤其适用于各元素存在紧密联系的指标，但其计算过程相对复杂，主要步骤如下。

由网络关系可知，网络层有5个元素集A1～A5，每个元素集分别有 2～3个元素子集，ei1，ei2，…，eini。根据确定的网络关系，以存在相互关联的不同元素之间作为准则层，对各元素集下的元素进行两两比较，以ejk为准则下，判别矩阵的表示见表1。

图1 基于F-ANP法的大坝风险评价步骤

图2 大坝风险评价指标体系

表中，mp表示第 p个专家的意见为特征向量。同理，依次选取其他有关系的元素作为准则则获得该元素集下的特征向量矩阵：

同理，对其他元素集下进行计算，最终可获得超矩阵W为：

该超矩阵是非负矩阵，但不是归一化矩阵，需要获取加权系数矩阵A：

将W与A矩阵相乘，得超级加权超矩阵。该矩阵包含各元素相互影响关系，难以直接判断权重大小，需求取极限矩阵，通过不断矩阵相乘及归一形成矩阵收敛，即：

则W∞中各值就表示各指标的权重向量。

根据以上的计算过程，结合大坝风险指标因素的内在关系，通过历史统计法及专家意见后，求得超级矩阵W及加权系数矩阵A，进而求出极限平衡矩阵W∞：

4.模糊评价

（1）评价集

将评价集定为“极低风险、低风险、高风险、极高风险”四级，编号分别为V1、V2、V3、V4。

（2）安全缺陷

安全缺陷指大坝运行过程中可能存在的潜在破坏及可能导致溃坝的工程质量缺陷。安全缺陷可用表示发生事故的容易程度的脆弱度VI表示，主要通过专家经验找出各个隐患，脆弱度值VI计算过程如下。

表1 判别矩阵的表示

式中，VI为脆弱度；CR为不安全等级；C为常数，对于实际缺陷C的取值为10，对于潜在缺陷C的取值为5；S2、S3分别表示指标的关键度和临时风险防控措施有效程度，取值为0或1；SF为受力频率，AEF为年超越频率。S1表示差距的大小，根据达到该指标的标准或设计要求确定，如达到标准或设计要求的70%，则差距为 0.3，若只达到k，则差距为（1-k）。

（3）模糊综合评价

模糊关系矩阵的确定需要通过单因素评价矩阵建立各因素与评价集之间的隶属关系。隶属关系的密度函数、调查统计等方法确定可利用德尔菲法进行脆弱度计算，并根据脆弱度的分布确定模糊关系矩阵。

运用积和模糊算子对关系矩阵进行矩阵计算，按最大隶属度原则确定风险等级评价结论。

二、实例应用

（2）型）和跃进水库（中型）2 座土石坝为例，二者均位于赣江支流章江河水系，座落在大余县东北方向。

1.工程概况

选取大余县所辖油罗口水库（大

2.工程缺陷检查

对水库开展现场检查缺陷检查，现场检查缺陷情况见表2。

3.模糊关系

针对现场检查情况，5名专家通过分析安全差距S1，计算脆弱度大小，并根据脆弱度的大小确定与评语集对应的关系。

4.综合评价

计算结果为B1=（0.45，0.43，0.12，0.00），B2=（0.22，0.37，0.33，0.08）。根据最大隶属性原则，油罗口水库风险评价为极低风险，跃进水库的风险评价均为低风险。从数值的分布来看，油罗口水库的前两项数值之和达到0.88，高于跃进水库的0.59，表明油罗口水库安全性明显好于跃进水库。