基于网络层次分析法的水闸退役评估

刘志麟,苏子辰,孙刚

基于网络层次分析法的水闸退役评估

刘志麟1,苏子辰2,孙刚1

1. 日照职业技术学院, 山东 日照 276826 2. 福州大学, 福建 福州 350108

为建立科学合理的退役水闸评估方法，本文以某挡潮闸为例，从利益、成本、风险三个维度采用网络层次分析法，并经矩阵计算，对维持现状、维修加固、降标运用、退役四个备选方案比较分析，从而制定水闸退役与否的结论并为善后处置方案的制定提供指导。该方法与现有退役评估方案相比较，能够在保证评估过程经济合理、简单易行的情况下，定量描述出备选方案的优势度以及具有更强的针对性。

网络层次分析法; 水闸; 退役评估

工程退役是指在工程目标完成、功能失效、设计寿命完结、危害生态环境、或人为原因、不可抗力等致使工程终止运行的情况下，对工程的处置过程[1]。水闸退役受众多因素的影响，如何对水闸进行科学的退役评估，国内外尚无成熟、科学和广泛适用的评价体系。针对水闸退役，我国当前的法规仅从功能或安全等单一方面进行考虑，存在片面性。虽然有些学者已开始从综合评估的技术角度研究如何更加有效的进行水闸退役评估，但这些研究存在一定的不足，如没有对决策的关键步骤——备选方案的选择与评价进行讨论[2]，将研究对象局限于病险水闸[3]，忽略指标间相互影响的关系，导致指标权重的可信度降低[4]。在实践中，水管部门对于有退役需求的水闸或直接参照水库的报废标准，或通过水闸安全鉴定，从病险水闸的角度进行报废，或耗费大量的成本进行水闸报废论证，这些实践工作存在针对性不强、评估片面、成本高等问题，并且仅局限于对水闸退役的必要性进行论证，论证过程未考虑其他处置方案和退役水闸的善后处置措施。鉴于此，本文基于网络层次分析法（Analytic Network Process ANP）构建了水闸退役评估模型对某挡潮闸进行退役评估，该模型一方面具有ANP定性评价、定量计算的传统优势，采用统一的赋值标准，将专家的经验转化为不同影响因素间的定量描述，另一方面，ANP中繁杂的矩阵计算可以通过超级决策软件（Super Decision SD）实现，增加了评价模型的灵活性并且降低了使用门槛，因而在实践中具有较强的可操作性。并且通过对计算结果的分析，还可以为善后处置方案的制定提供参考。

1 项目概况

某挡潮闸建成于上世纪70年代，位于某河流入海口，共16孔，每孔净宽4 m，包括引桥，总宽96 m，闸底高程-2.5 m，上游正常蓄水位3.2 m，洪水标准为20年一遇，设计洪峰流量为974 m3/s，是一座集防洪、挡潮、蓄水、交通为一体的中型水闸。

挡潮闸建成初期，极大的促进了当地的生产生活，其主要作用有：保护上游603 hm2耕地不受海水影响；蓄水解决上游348.4 hm2农田灌溉和下游两岸6个行政村的人口饮用水；保证某工厂日供水3000 t；交通桥作为主要过河通道。此外，水闸蓄水使得上游常年能够保持一定淡水水面，对两岸湿地有利。但随着运行时间的增加，水闸已成为病险水闸；上游部分农田改成淡水养殖，农业供水由最初设计的348.4 hm2缩小至134 hm2；工业供水每年产生的20万元收益随着工厂的破产而消亡。

针对水闸现状，当地管理部门开始考虑是否拆除水闸。支持拆除水闸的观点认为：①水闸拆除后可以使河流下游河段完全连通，一方面可以减慢河道淤积速度，另一方面能够加强河流的自净能力，同时河道下游会形成一个微咸海水区，对近海生物有益。②挡潮闸建成后，当地的土地盐碱化问题并未消失。通过利用拆除水闸形成的微咸海水区，将农田改建为淡咸水养殖，每年养殖户能够有760万到1020万元收益。③拆除水闸每年可节省管理费30万元。④水闸目前为病险水闸，闸顶高程已经低于高潮水位0.2 m，水闸拆除后，在两岸修建河堤可显著提高抵抗洪水潮水的能力。反对拆除水闸的观点认为：①水闸目前仍保护上游234.5 hm2耕地。②水闸交通桥是当地主要通行道路。③水闸当前仍承担着6个行政村人口的生活供水以及134 hm2农田的农业供水，水闸拆除后需通过修筑水渠和打井的方式解决水源问题。④水闸蓄水有利于调节局部小气候。

对于水闸的处置，除退役方案外还有：维持现状、维修加固、降标运用。维修加固是指修理或加强水闸及其附属设施以达到一个可以接受的安全和效益水平。降标运用是在保障水闸安全的前提下适当降低运用标准，以便水闸继续发挥尽可能大的工程效益。该水闸退评估既是一个涉及到环境、经济等的多准则决策，也是是一个包含利益分析、成本管理和风险控制的多维度决策，符合网络层次分析法的适用条件，因此，采用网络层次分析法，对该水闸进行多维度、多准则的退役评估。

2 模型构建

2.1 模型框架

使用网络层次分析法评估水闸退役构建的ANP/BCR模型如图1所示。该工程评估的对象是已建水闸而非新建水闸，不存在机会问题，所以从利益、成本和风险3个维度去进行评估。在退役决策的过程中，利益、成本和风险的重要程度是不同的，借鉴宋鑫[6]对工程人工物运行和退役的相关研究成果并结合工程实践和该水闸的特点，选取经济价值、社会价值、环境价值作为战略准则，为3个维度的重要性提供判断标准。

注：括号内为第1类指标和第2类指标的评价标准和对应的单位

利益、成本和风险三个维度都有对应的决策目标，分别是确定利益最大、成本最大和风险最大的方案。这三个目标控制着每个维度内指标集合的选取，并作为指标集合之间权重的判断标准，指标集合控制着决策指标的识别以及指标间权重评价标准。在决策目标的控制下，比较四个备选方案对相应决策指标的影响程度，通过矩阵计算得到各备选方案的优势度。

在得到了不同维度、不同指标集合和集合内决策指标的权重后，便可以对每个决策指标下备选方案的优势度进行集成，得到最终优势度，从而进行决策。

2.2 决策指标的识别

在决策目标的控制下，通过水闸报废实例、参考水库工程退役并根据某挡潮闸的特点，筛选出相应的指标集合和集合内的决策指标。

在利益维度，修建水闸的根本目的是为人类带来效益[7]，某挡潮闸除引蓄水外，其交通桥是当地的主要道路。水闸作为河道上的拦水建筑物，在发挥效益的同时会改变水系的物理连通性，影响河流水质[8]。水系的连通性和水质会直接影响生物栖息地的形成、营养物质的交换和运输、生物体的生长、产卵、繁殖和成熟等生物过程[9]。因此，利益子网络选取物理环境、生态环境、社会效益、水闸收益四个方面作为指标集合。其中，物理环境集合中的指标为河流连通性、河道淤积和水质。生态环境集合中指标为滨水植物、动物。社会效益集合中包括农渔业收益、通行权利两个指标。水闸收益集合包括生活供水效益、农业供水效益和工业供水效益3个指标。

在成本维度，与利益维度相对应，选取物理环境、生态环境、运行成本和社会成本四个指标集合。物理环境集合包含河流联通、水质两个指标。生态环境集合包含滨水植物、动物两个指标。运行成本集合包含直接成本、运行和维护费用两个指标。社会成本集合包含灌溉权利、饮水权利和通行权利3个指标。

在风险维度，水闸通过拦蓄水流或与河道上其他水闸、水库的联合调度可以削减洪峰，避免海潮倒灌，保护上下游安全[10]。但水闸一旦发生漫堤、溃闸，会给当地公众的安全与社会稳定造成严重的负面影响。因此风险子网络选取洪潮水一个指标集合，包含潮水倒灌风险、溃闸风险两个指标。

参考类似工程中的评价方法[11]，本文将指标分成3类，第1类是具有明确物理意义，且可精确测量的指标。该类指标包括利益子网络：河流连通性、滨水植物与湿地、动物、生活供水效益、农渔业收益。成本子网络：直接成本、运行和维护费用。风险子网络：海水倒灌风险、溃闸风险。第2类是本身可量化，但由于缺少测量工具或条件而无法进行精确测量的指标。该类指标包括利益子网络：动物。成本子网络：滨水植物与湿地、动物。第3类是无明确物理意义，难以建立标度的指标。该类指标包括利益子网络：河道淤积、水质。居民通行权利。成本子网络：河流连通状况、水质、灌溉权利、饮水权利、通行权利。

针对第1类和第2类指标，通过定量的描述为不同指标下方案优先权的判断矩阵提供评价标准。第3类指标通过定性的描述为矩阵提供评价标准。各指标之间的关系与第1类和第2类评价标准见图1水闸退役决策的ANP/BCR模型，指标的定量与定性描述见本文第1节项目概况。

3 结果与分析

模型框架建立后，依据水闸现状与评价标准，邀请专家通过经验去分析判断，采用1-9标度法对相关矩阵进行赋值或评级，借助SD软件进行计算，最后得到结果。

3.1 超矩阵赋值与计算

得到了指标下备选方案的比较矩阵、指标集合对目标重要性的判断矩阵、指标对目标重要性的判断矩阵，在SD软件中建立与图1相同的ANP模型（图2(a)使用SD构建的战略准则、图2(b)使用SD构建的利益子网络、图2(c)使用SD构建的成本子网络、图2(d)使用SD构建的风险子网络），然后输入评分值，软件即可完成相关计算，输出利益、成本和风险子网络下备选方案优势度的排序（表1）。

图 2 基于SD构建的子网络

表 1 方案优势度

3.2 方案复合权重集成

在得到战略准则对各维度的重要性评级后，软件便可以计算出利益、成本和风险三个维度对于目标的权重（表2），通过公式进行复合权重的集成。对于水闸退役，利益最大、成本最低、风险最小的方案优势度最高。本文采用总量公式[5]：bB-cC-rR对标准化和归一化的子网络优势度值进行复合权重的集成，得到方案最终优势度（表3）。结果表明，无论是标准值总量还是归一值总量，退役方案的优势度都是最高。

表 2 子网络对决策目标权重

表 3 方案最终优势度

3.3 灵敏度分析

对利益、成本和风险3个维度进行灵敏度分析（图3）。结果表明，只有在利益权重大于0.6后，降标方案的优势度才略微超过退役方案。由此可知最优方案对于利益、成本和风险权重的变化并不敏感。

图3 灵敏度分析

4 讨 论

相比于传统的水闸退役评估，使用ANP/BCR所进行的水闸退役评估具有以下优势：可接纳任何人的建议；可以将定性分析与定量计算整合到退役评估中，在保证评估的科学性、系统性和完整性的同时，使其兼具灵活适用性；借助SD软件对相关参数进行计算，大大降低了该方法的使用门槛和成本，并提高了工作效率；能够量化不同方案之间优势度的差距，而非仅得出“是”或“否”两种结果；评估结果可以为善后处置方案的制定提供指导。

通过表1方案优势度可以看出，退役方案在保证成本（优势度0.2888）和风险（优势度0.1444）最低的情况下能够产生较大的利益（优势度0.9647）。退役方案在利益维度下的优势度并不是最高，这是因为水闸的退役会严重侵害到居民通行的权利，对此当地政府可以考虑新建一座桥梁。

本文所评估的某挡潮闸案例具有典型性：该水闸是病险老化、原有功能部分丧失和经济效益衰退等多重因素驱动的退役问题；是涉及环境、经济和社会的多准则决策问题。我国70%以上的水闸建于20世纪80年代以前[12]，随着经济社会发展，部分水闸原设计功能退化，却仍需投入资金进行维护，已成为工程管理的一大难题。使用网络层次分析法对这些水闸进行评估，采取相应的处置措施，不但可以尽快补齐“短板”，而且可以节省大量人力及资金成本。

针对当前我国水闸的退役工作，国家应尽快出台相关规范进行指导。水管部门对水闸的管理维护应从工程的全寿命周期进行考虑，避免重建轻管。除安全鉴定外，也应定期进行水闸的退役评估，而不是在水闸状况已恶化到危及群众的生命财产安全、出现严重的生态环境问题、管护资金远超水闸的运行效益后再被动的开展退役工作。

5 结 论

基于以上对某挡潮闸的退役决策和我国水闸现状的讨论，得到了以下结论：

（1）本文基于ANP/BCR进行的水闸退役评估是合理、规范和高效的，并且评估过程简单易行、可操作性强；

（2）本文得出的评估结果能够为善后处置方案的制定提供指导。水闸的退役不是简单的关闭或拆除水闸，要对退役可能产生的消极影响制定必要的善后处置方案；

（3）对水闸进行退役评估和相关处置，符合可持续发展理念，能够进一步促进水闸管理工作合理规范的开展；

（4）国家相关部门应尽快颁布水闸退役的相关规范和技术文件，水闸的管理过程也应引入全寿命的理念，从而进一步保障水闸管理工作合理、规范和高效的开展。

[1] 范春萍.工程退役问题[J].工程研究-跨学科视野中的工程,2014,6(4):399-411

[2] 吴为民.水闸报废熵值模糊综合评价方法研究[J].福建水力发电,2018,64(2):4-7

[3] 程会旗.病险水闸服役状态分析研究[D].扬州:扬州大学,2015

[4] 孙利娟,邢小军,周德群.熵值赋权法的改进[J].统计与决策,2010(21):153-154

[5] Saaty TL.网络层次分析法原理及其应用[M].鞠彦兵,刘建昌译.北京:北京理工大学出版社,2015:83-84,87-88

[6] 宋鑫.工程人工物运行与退役的知识论研究[D].西安:西安建筑科技大学,2020:43

[7] 王晶,张静,肖慧芳,等.水闸基础知识与案例分析[M].北京:中国水利水电出版社,2018

[8] 张永勇,夏军,程绪水等.多闸坝流域水文环境效应研究及应用[M].北京:中国水利水电出版社,2011:154-155,198-199

[9] Poff NL, Allan JD, Bain MB,. The natural flow regime: A paradigm for river conservation and restoration [J]. BioScience, 1997,47(11):769-784

[10] 陈明洪,方红卫,刘军梅.多闸坝分汊河流的洪水实时模拟和调度[J].水利水电科技进展,2011,31(2):11-15,27

[11] 杨孟.水库大坝退役的多准则决策研究[D].南京:南京大学,2011:36-37

[12] 朴哲浩,宋力.我国病险水闸成因及除险加固工程措施分析[J].水利建设与管理,2011,31(1):71-72,61

Assessment on Waterlocks Retirement by the Analytic Network Process

LIU Zhi-lin1, SU Zi-chen2, SUN Gang1

1.276826,2.350108,

To establish a scientific and reasonable method for evaluating the retired sluices, this paper took a tidal gate as an example, from three dimensions benefit, cost and risk with the Analytic Network Process (ANP), and the matrix calculation, to maintain the status quo, maintenance, reduced the use, retired four alternatives comparison analysis, to formulate retired or not the conclusion of the gate and to provide guidance for the establishment of aftermath disposal scheme. Compared with the existing decommissioning evaluation schemes, this method could quantitatively describe the superiority of alternative schemes and had stronger pertinence under the condition that the evaluation process was economical, reasonable, simple and feasible.

Analytic Network Process; waterlock; retirement assessment

TV66

A

1000-2324(2022)04-0613-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.017

2021-07-23

2021-09-12

日照职业技术学院卓越教师培育工程(日职办发(2021)5号)

刘志麟(1967-),女,硕士,教授,主要从事土木工程管理与教育教学研究. E-mail:liuzhilinhappy@163.com