基于可变模糊评价法的小型水库运行管理评价研究

张长征,李洪梅

(1.河海大学商学院,江苏 南京 211100; 2.江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心,江苏 南京 211100;3.河海大学产业经济研究所,江苏 南京 211100)

我国水库总量约9.8万座,小型水库数量为9.3万座左右,约占总数的95%[1],是我国水利工程的重要组成部分。小型水库的主要功能是供水、发电、防洪和农田灌溉,在水资源安全、粮食安全和民生安全等方面发挥着举足轻重的作用[2]。水库安全事关国运民生,然而水库安全事故频发,洪灾、垮坝失事等灾害事件造成了惨烈的后果,并且相较于大中型水库,小型水库的失事概率更高[3]。20世纪70年代,台风“莲娜”席卷河南等地,导致小型水库接连崩塌,经济损失达百亿。究其原因,我国小型水库的大坝以土石坝为主,且大多数建于20世纪50—70年代,始建标准、防洪标准低,且加固维护资金有限,在运行中又缺乏完善的管理机制,管理责任落实不到位,导致水库存在严重的运行安全隐患,本质功能难以充分发挥。[4]

进入“十四五”时期,“水利工程补短板、水利行业强监管”成为我国水利工作的重心。据统计,我国有病险的小型水库达9358座,约占小型水库总量的10%。当前,全球持续变暖、极端气候频发,极冷极热交替、旱涝急转等现象交替上演,使得水库等水利工程的不利工况或超标运行时间增加,对工程结构稳定和安全运行影响极大,小型水库运行管理已经成为水利治理体系中较为薄弱的环节之一。如何在极端天气、水旱灾害多发的情况下,消除病险水库运行风险隐患,保障小型水库充分发挥防洪抗旱、保护生态环境等功能是当前亟待解决的问题。基于此,本研究开展小型水库运行管理评价研究,以期识别小型水库运行管理短板,为充分保障小型水库功能发挥提供参考。

1 研究综述

1.1 小型水库运行管理模式

2022年2月,中华人民共和国水利部(以下简称水利部)印发《小型水库安全运行监督检查办法》,明确指出相关责任主体需严格按照问题清单检查小型水库的运行管理,在调度运用、运行状况、安全鉴定、应急管理4方面开展违规检查,力求加强小型水库工程运行监管,落实安全运行责任。陈华等[5]指出小型水库运行管理应坚持公益属性、“市场+政府”两手发力、因地制宜分类施策、依靠科技赋能四大原则,并提出区域管理管护模式、单一化管理模式、政府向公众购买服务3种专业化和集约化的管护模式。针对在小型水库安全监管难、安全风险高的问题,金有杰等[6]提出了分级监管模式,包含单一性小水库监管、流域或区域监管、以科研院所为主的托管监管3种模式;还借助云计算、大数据等现代科技搭建了相应的云平台架构,为有效加强水库安全监管,降低小型水库安全风险的提供了信息化监管手段。李连国[7]提出“政府、专业技术单位、水库安全员”三大责任人管理模式,三大责任人在安全管理、日常管理、养护管理和管理保障各司其职,切实提升了小型水库的运行管理水平。

1.2 小型水库的安全风险

在全球84.7万多座水库中,小型水库数量占比约为95%,这一比例与我国小型水库占比相当。虽然我国已在实践中探索到了成功的水库运行管理模式,但是大多数小型水库建设于20世纪50—70年代,受限于当时的经济和技术发展水平,水库工程建设标准低,质量难以把控,且运行时期较长,后期管理维护不到位,这导致小型水库产生较为显著的病险特征,阻碍了安全风险识别和预警[5]。与我国相比,发达国家更早地开展了水库建设和安全风险评估[8]。20世纪80—90年代,美国和澳大利亚等国率先将“风险”与大坝安全管理评价相结合,此后,风险管理理念在水利行业中逐渐盛行,并在全球范围内得到广泛应用[9]。

在国外风险管理理念的驱使下,2000年水利部出台SL258-2000《水库大坝安全评价导则》,较为系统地构建了水库风险评价指标体系。喻蔚然[10]将灰色理论和随机概率分析方法相结合,量化了水库运行风险的不确定性,有利于弥补水库安全定性分析的不足。在小型水库资料欠缺,历史信息难以考证的困境下,Feng等[11]采用改进的灰色关联分析法,将风险因子的异质性数据视为随机变量并记为序列,通过测量序列之间的信息熵和条件熵来分析风险因子之间的关联度,借助该方法,历史资料欠缺的小型水库也能够进行安全风险识别。张可等[12]采用更适用于小样本识别的“支持向量机”机器学习方法作为基础算法,通过层层训练和测试,得到了最佳的安全风险等级评估模型,并通过实例分析,验证了该模型对于发挥小型水库的山洪预警作用具有重要意义。

1.3 小型水库运行管理评价

随着水利工程管理规范化、标准化、精细化以及信息化进程的推进,国家和地方相继出台了一系列水库运行管理的相关政策法规。2003年水利部印发《水利工程管理考核办法(试行)》及其考核标准,并执行《水库工程管理考核标准》,从组织管理、安全管理、运行管理以及经济管理4个方面出发,对水库运行管理过程中涉及的34项指标进行考核。2018年浙江省水利厅印发《浙江省水利工程标准化管理验收办法》,2019年江西省水利厅印发了《江西省小型水库工程管理考核办法(试行)》,各地都相继在水利部考核标准的基础上,结合地方水库的实际特点,出台水库工程考核管理办法。围绕水库工程的运行管理评价问题,国内外学者也展开了相关研究。Yu等[13]从经济、安全、科学、绿色4个方面出发,建立水库管理评价指标体系,并采用模糊层次分析法进行评价。高玉琴等[14]基于水库管理现代化的内涵和要求,从规范化管理、设施设备管理、信息化管理等5个方面出发,建立了水库管理现代化的评价指标体系。王雪等[15]提出了水库标准化管理水平的因素集、权重集及评价集,并基于模糊理论对浙江省水库标准化管理水平进行综合评价。梁文娟等[16]构建了包含组织管理、安全管理、运行管理、环境保护、保障措施5个方面的小型水库运行管理标准化评价指标体系。

1.4 文献述评

学界对小型水库的运行管理模式、运行安全风险、和运行管理评价具有较高的关注度,同时也构建了一系列的评价指标体系和评价模型,取得了较好的评价效果。但影响小型水库运行管理评价的因素众多,且大多数的指标属于定性指标,缺少明确的界限,常规的模糊评价方法难以对各个级别指标的中间过渡性进行很好的描述[17]。可变模糊评价方法引入了相对差异函数,用以衡量指标对各级别的相对隶属度,对数据信息的考虑更加全面[18],并在水利工程领域的模糊性问题评价中得到广泛的应用[19-20],但在水库运行管理评价领域的应用仍较少。

为此,本研究以小型水库为研究对象,从管理基础、管理内容以及管理效果3个维度出发,构建包括管理投入、管理保障、安全管理、工程运行管理、信息化管理、服务功能以及环境保护7层共计24个指标的小型水库运行管理评价指标体系。在评价方法上,本研究采用序关系法确定各指标权重,建立基于可变模糊评价方法的小型水库运行管理评价模型,最后以福建某小型水库为例进行实例分析,以期为国内小型水库的运行管理评价提供一定的参考。

2 小型水库运行管理评价指标体系

2.1 小型水库运行管理层次结构

水库运行管理指水库管理单位在一定的管理基础上,通过一系列措施对水库运行过程进行管理,并辅以相应的保障措施,进而实现管理目标的过程。水库运行管理过程涉及管理对象、管理基础、管理内容、管理目标等诸多要素,各要素间相互作用,共同组成了水库运行管理模式[21]。当前,国家和地方针对小型水库运行管理出台了一系列的考核标准和考核办法,在总结相关政策文件和参考学界已有研究的基础上,综合考虑水库运行管理的内涵、特点以及目标,同时结合小型水库运行管理的痛点,从管理基础、管理内容以及管理效果3个方面出发,剖析小型水库运行管理的层次结构,如图1所示。

图1 小型水库运行管理层次结构

a.管理基础。管理基础分为管理投入和管理保障,侧重于描述水库管理主体单位在人力、物力、财力等方面对小型水库的运行、保障措施等方面的投入,这是确保水库运行管理顺利开展的前提。

b.管理内容。管理内容分为管理的流程、内容以及技术部分,是小型水库运行管理的重要环节,主要包括了安全管理、工程运行管理以及信息化管理3个维度。

c.管理效果。管理效果反映对水库进行管理后发电、防洪、灌溉等功能的完成情况。此外,由于小型水库管理方式比较粗放,缺少有效的监管措施,以经济效益为主的调度方式忽略了水库以及下游河道生态的需水要求,引发了一系列的生态环境问题,因此管理效果还需要体现环境保护需求。

2.2 评价指标体系构建

科学合理的运行管理评价指标体系是实现小型水库运行管理评价的基础,本研究结合小型水库运行管理的层次结构,参考2003年水利部实施的《水库工程管理考核标准》、2019年《水利部关于修订印发水利工程管理考核办法及其考核标准的通知》,以及各省发布的小型水库运行管理规程,并咨询相关专家意见,构建了由目标层(A)、准则层(B)以及指标层(C)3个层次组成的小型水库运行管理评价指标体系,如图2所示。其中目标层为小型水库运行管理水平;准则层从管理基础、管理内容以及管理效果3个方面出发,包括了管理投入、管理保障、安全管理、工程运行管理、信息化管理、环境保护和服务功能7个子目标;指标层共有24项指标,能够较为全面地表征小型水库运行管理的各个方面。

图2 小型水库运行管理评价指标体系

2.3 评价等级与评价标准确定

为了便于开展小型水库运行管理评价,本研究对各指标进行标准化处理,并划分为优秀、良好、中等、合格和不合格5个等级。结合2003年《水库工程管理考核标准》和《水利部关于修订印发水利工程管理考核办法及其考核标准的通知》,并参考相关研究成果[20,22-23],综合考虑小型水库运行管理的特点,建立如表1所示的评价标准。

表1 各指标分级评价标准

3 基于可变模糊评价的小型水库运行管理评价步骤

3.1 序关系法确定指标权重

由于建立的小型水库运行管理指标体系中存在大量的定性指标,而以往水库运行管理不规范,可考证的资料有限,导致部分定性指标缺少足够的数据支撑,客观赋权法难以实施。考虑到数据的可获取性、科学性和准确性,采用序关系法,通过建立指标间的序关系,反映各指标间的重要性标度,进而确定指标权重。序关系法计算简单、可操作性强,且无需进行一致性检验,是一种有效的权重确定方法,具有很好的实用性[23],具体计算步骤如下:

步骤1按照各级指标的重要性程度进行排序,确定指标间的序关系。

若指标Ci的重要性程度不小于Cj,则以“>”描述两者之间的关系,记Ci>Cj,依此类推,可确定各级评价指标间的序关系。

步骤2确定各级指标的重要性标度。

以序关系列表中相邻评价指标Ck与Ck-1的重要性程度之比,作为各指标的重要性标度,记为hk。

(1)

式中:wk-1、wk分别为指标Ck-1和Ck的权重;n为指标的数量。hk∈[1.0,2.0),且hk越大,表示Ck相对于Ck-1越重要。

步骤3根据各指标间的重要性标度,计算指标权重:

(2)

3.2 可变模糊评价

小型水库运行管理本质上是个复杂的动态系统,本研究构建的小型水库运行管理评价体系中同时包含了定性指标和定量指标,且大多数为定性指标,指标之间存在一定程度的模糊性。学术界常用的模糊综合评价方法虽然可以反映小型水库运行管理的整体水平,但难以有效识别各级指标之间的中间过渡性和隶属度。可变模糊评价方法引入了相对差异函数,通过构建隶属函数和模糊关系矩阵,有效解决了评价指标间的模糊性问题,评价结果更为客观和真实[24]。因此采用可变模糊评价的方法对小型水库运行管理评价的具体步骤如下:

步骤1根据小型水库运行管理评价等级与评价标准,如下建立指标标准值矩阵X:

(3)

式中:m为指标体系中的指标个数;n为待评样本个数。

步骤2计算第i个指标对于各个级别的相对隶属度。

假定第i个指标的特征值xi∈(aik,ai(k+1)],按照可变模糊集理论,区间(aik,ai(k+1)]为可变集合的吸引域,而其相邻的两个区间(ai(k-1),aik]和区间(ai(k+1),ai(k+2)]为可变集合的排斥域。xi仅对吸引域和排斥域存在相对隶属度,而对于其他区间的隶属度为0。

即xi相对于等级k-1、k、k+1的隶属度按式(4)计算,对于其余等级的隶属度取为0。

(4)

式中Dij为xi对等级j的相对差异函数,Di(k-1)、Dik、Di(k+1)的计算公式分别为

(5)

(6)

(7)

式中Mk为区间(aik,ai(k+1)]中使得Dik=1的点,对于等级1和等级5,取值分别为0和1,对于其他区间,取值为区间中值。

步骤3计算待评对象u对于各级别k的相对隶属度vuk:

(8)

式中:wi为指标i的权重,可通过序关系法计算得到;α、ρ分别为模型优化准则参数和距离参数,取值一般取1或2。α=1为最小一乘方准则,α=2为最小二乘方准则;ρ=1为海明距离,ρ=2为欧氏距离。根据参数的不同,通常有4种组合,分别为α=1,ρ=1;α=1,ρ=2;α=2,ρ=1;α=2,ρ=2。

步骤4确定待评对象u的级别特征值Ku。

(9)

Ku用于反映小型水库运行管理的水平,Ku越大,表明管理水平越高。其判断准则[11]如下:

4 实例分析

4.1 评价指标值确定

在“水利工程补短板、水利行业强监管”的新时代水利改革发展的大背景下,福建省一大批中小型水库工程开展了安全运行专项检查工作,并逐步落实一系列现代化管理措施。本研究以福建省A小型水库为例进行分析,评估其运行管理成效,并识别水路运行管理现状中的短板问题。

对于定性指标,邀请10位水利行业专家根据2020年、2021年的水库运行管理工作报告、安全检查报告以及现场调研情况,结合2003年水利部实施的《水库工程管理考核标准》,进行等级评定,并计算指标隶属于各等级下的频率,按式(10)得到各指标的打分值。对于定量指标,由水库设计的相关报告以及现场调研采集得到。

(10)

式中:Ii为定性指标i的打分值;rik为定性指标i隶属于等级k的频率;Lik为定性指标i在等级k下的典型值,并以区间中值作为典型值。

以定性指标机构设置的合理性C2为例,10位专家有7位打分优秀,3位打分良好,则该指标的打分结果为0.7×0.9+0.3×0.7=0.84。又如定性指标工程观测情况C16,10位专家有5位打分优秀,4位打分良好,1位打分中等,则该指标的打分结果为0.5×0.9+0.4×0.7+0.1×0.5=0.78。

此外,A水库以供水为主,同时兼顾防洪任务,因此主要功能实现率C23以供水保证率计算,取值为0.85;次要功能完成率C24以防洪达标率计算,2021年通过水库的调蓄,成功应对多次超标准洪水过程,有效保障了下游河道的防洪安全,取值为1。水库运行管理评价的各个指标计算结果如表2所示。

表2 水库运行管理评价指标体系各指标的现状值和权重

4.2 序关系法确定指标权重

参考《水利工程考核标准》和《水利部关于修订印发水利工程管理考核办法及其考核标准的通知》,结合专家意见,先确定准则层之间的序关系,再确定各个准则层下的指标层之间的序关系,共建立8组序关系,然后按照式(1)和式(2)确定各层指标权重,结果如表2所示。

4.3 可变模糊评价结果分析

基于可变模糊评价方法,参照表1构建标准值矩阵,以序关系法计算各指标权重,按照式(5)、式(6)和式(7)计算水库运行管理标体系各指标对于优秀、合格、中等、合格以及不合格5个等级的相对隶属度,结果如表3所示。

表3 各指标的相对隶属度结果

从表3可以看出,在该水库运行管理评价的24个指标中,有10个指标隶属于“良好”,有11个指标隶属于“优秀”,表明整体上该水库运行管理效果良好。具体来看,准则层管理投入B1有4个指标,其中仅有经费落实情况C4一项指标的等级较低,隶属于“中等”。这可能是由于地方财政困难,该水库日常运行管理缺少稳定的经费来源。目前环境保护是该水库运行管理中的短板,在准则层环境保护B6的3个指标中,物种多样性指数C20和库区植被覆盖率C22隶属于“中等”。

为了直观表示该水库的运行管理水平,通过式(8)将各指标的相对隶属度转化为级别特征值。其中准则参数α和距离参数ρ可取1或2,共构成4种组合方式,在每一种组合方式下,进行可变模糊评价,并以各组合下的级别特征值的均值作为最终的水库运行管理水平,结果如表4所示。

表4 可变模糊评价结果

5 结论与建议

小型水库在我国水库总量中占比庞大,是我国乃至全球各国水利基础设施中的重要组成部分。近年来我国水库安全风险事故频发,造成了人员伤亡、财产损失和生态破坏。本研究以小型水库为研究对象,从我国小型水库运行管理中存在的现实痛点出发,构建较为系统的评价指标体系和评价标准,并采用序关系法确立各级指标权重,该方法兼顾了专家意见和客观现实情况,具有实操性和可靠性。使用可变模糊评价方法对小型水库运行管理进行评价并以福建省A小型水库为例对模型的实用性进行检验。主要研究结论如下:

a.从管理基础、管理内容以及管理效果3个方面出发,解析小型水库运行管理的层次结构,构建了包括管理投入、管理保障、安全管理、工程运行管理、信息化管理、环境保护和服务功能7层,共计24个指标的小型水库运行管理评价体系。在此基础上,结合当前我国水库运行管理的相关政策法规和小型水库运行管理的痛点和难点,确定了各指标的评价标准,包括优秀、良好、中等、合格和不合格5个等级。

b.采用序关系法确定各层指标的权重,并基于可变模型评价方法对小型水库运行管理水平进行评价。以福建A小型水库为例进行分析,结果表明:该水库2021年运行管理水平总体上良好,且有向优秀转化的趋势,评价结果与实际现状较为相符。但不可忽视的是,在对福建某小型水库运行管理的单指标评价中,经费落实情况、物种多样性和植被覆盖率水平不佳,其余指标的等级均较好。

c.将序关系分析法和可变模糊集评价法相结合,对福建省A小型水库的现实运行管理进行评价,结果与实际情况较为相符,说明该方法可因地制宜,推广应用至其他省份地区的小型水库运行管理评价。

针对福建A小型水库运行管理评价中出现的相对短板之处,为有类似情况的其他水库及预防此类问题重现,提出以下建议:

a.健全经费保障机制。建议各省水利厅及有关部门充分发挥政府在小型水库运行管理中的主导作用,一方面,利用国家财政划拨的水利发展资金,对省内小型水库日常管护提供充足的财政资金保障,弥补资金缺口;另一方面,可设立小型水库运行管理专项资金,实行水库产权和经营权分离制度,撬动社会资本参与到小型水库运行管理中来,强化小型水利运行的资金保障。

b.加强库区生态环境建设。环境保护是该水库运行中的相对短板,有关部门应利用大数据,开展常态化生态多样性调查、评估与监测,结合对水库生态环境的科学评估,制定相应的整治方案,加强对生物多样性的保护。其次,提升植被覆盖率不仅有利于保持水土、降低边坡裸露对水库的危害,且对水质修复也有重要意义,应持续推进水库岸线整治修复,恢复和增加水库周边绿色植被覆盖。

c.落实监督管理责任制度。针对水库运行管理中存在的安全风险问题,有关水利部门责无旁贷,可利用信息化监测平台常态监测、稽查、巡查等多种方式结合,加强对水库运行管理的监督。针对已有问题,及时建立问题清单,逐一制定个性化的解决方案。同时,对于重点环节,落实责任人制度,切实做到“人按职责干,事按制度办”。