孫嘉辰,黃云超*,李松濤
(1.華北水利水電大學水利學院,鄭州 450046;2.鄭州鐵路職業技術學院,鄭州 451460)
一些小型水庫在長期運行后,由于缺乏經費或管理不善等原因,在自然災害或人為損害后沒有及時進行加固,經常導致水庫大壩及輸水洞等設施無法正常運行,無法合理有效地對水資源進行分配利用。而水庫安全評判是綜合性的,其包含壩體本身、輸水洞、庫岸等方面,范圍涉及整體庫區及樞紐,故需要一個綜合、科學、客觀的評價體系來評判水庫的安全性。
水庫安全評價方法已有較多研究,熊瑤等[1]利用模糊層次分析法研究了上下游庫群之間安全關系,結果表明層次分析法可用于水庫安全評價,并能得到符合實際的評價結果;熊威等[2]考慮了各類對大壩不利的不確定因素,并利用綜合評價分析法對水庫進行安全評價,該方法能夠定量計算各指標影響因素的程度和權重,評價結果更加可靠;王軍璽等[3]則使用了更科學全面的安全指標進行評價;張計[4]通過工程質量、防洪標準、運行管理、滲流安全、結構安全、抗震安全及金屬結構安全等指標進行了細致的分析,為本文設置評價指標提供了參考;顏山凱等[5]利用熵權TOPSIS 法對梯級水電站進行補償效益分配計算,其補償效益分攤結果公平、合理,易被各方接受;路瑞琴等[6]利用灰色關聯分析法對引水明渠進行了安全評價,架構了引水明渠綜合因素下運行安全指標體系,確定了引水明渠安全運行在灰色關聯分析評價模型中的可行性,結果與實際情況一致。目前在水庫安全評價方面,對多個水庫綜合性受損應用研究較少。各評價指標權重和相對滿意度可由熵權TOPSIS 法計算得出,根據相對滿意度可以得到相對權重,該方法可有效避免單指標法導致的結果單一,又能減少專家打分的主觀影響,即綜合考慮各指標特性[5];指標權重的確定利用灰色關聯分析法可以使結果既能滿足客觀性,又可使結論更貼合實際[6];采用熵權TOPSIS 法-灰色關聯分析法組合模型計算方法可綜合優化主客觀權重,有效避免單一權重法的局限性。故有必要采用TOPSIS 法-灰色關聯分析組合方法對多個水庫進行受損程度評價。該方法為水庫安全等級評價提供了一種新思路,可為水庫安全管理提供借鑒。本文采用TOPSIS 法-灰色關聯分析組合方法對水庫安全進行分析。綜合了水庫重要指標,科學客觀地構建了評價指標體系,從水庫整體角度出發,定量研究水庫安全指數,構建綜合評價模型,并對其有效性進行驗證。
水庫安全指數應全面、客觀,且包含差異化的測量維度。其測評應選用具體、可觀察的指標,慎用不穩定的評價要素。本文遵循現有、可行的指標體系,選用工程質量、運行管理、防洪標準復核、結構安全、滲流安全和金屬結構安全評價,共6 個維度組成一級指標,每個一級指標又包含若干二級指標,由此構建水庫安全程度綜合評價指標體系,具體見表1。
基于水庫安全指數綜合評價指標體系,由專家報告原始數據,得到初始矩陣X=(xij)m×n。其中,m為評價單元數,n為評價指標數,m=6,n=19。xij為評價單元i在指標j下的屬性值。
步驟1 用等權重安全平均值初判水庫受損等級
表2 不同值與大壩安全性對應關系
表2 不同值與大壩安全性對應關系
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步驟2 對指標進行歸一化處理,得到歸一化決策矩陣V=(vij)m×n。
步驟3 采用熵權法,確定指標權重ωj=(ω1,ω2,…,ωn)
步驟4 基于指標權重,得到加權歸一化矩陣Y
步驟7 基于TOPSIS 法,計算歐氏距離,
步驟9 計算評價單元與“理想解”的相對接近度
式中:α 與β 為偏好系數,本文取α=β=0.5。式(17)中Si越大表明水庫安全程度越高。
根據二十畝地水庫、管樓水庫、六六莊水庫、沙子崗水庫和雙岔口水庫除險加固初設報告,專家結合工程質量評價、運行管理評價、防洪標準評價、結構安全評價、滲流安全評價和金屬結構安全評價6 個評價維度進行打分。
根據各評分項的賦分值得到水庫安全評分表。具體結果見表3。
表3 水庫安全評分表
得到水庫安全程度特征矩陣xij,得其轉置矩陣。由式(1)得5 座水庫的等權重平均安全值分別為0.303、0.418、0.397、0.311、0.313;初步得到水庫大概安全程度由高到低為管樓、六六莊、雙岔口、沙子崗和二十畝地水庫。根據矩陣xij和式(2)得到歸一化決策矩陣vij,得其轉置矩陣。
通過式(3)—(5)使用熵權法得到指標權重ωj,結 果見表4。
表4 指標權重
由式(6)得到加權歸一化決策矩陣Y,其轉置矩陣為
根據式(16)(17)得到各評價水庫和理想解的相對接近度Si
綜上,本次所受評價水庫及相對接近度為二十畝地水庫0.411,管樓水庫0.536,六六莊水庫0.550,沙子崗水庫0.461,雙岔口水庫0.465。因為相對接近度Si越高表明水庫安全程度越高,所以按水庫安全程度由高到低排列依次為六六莊水庫、管樓水庫、雙岔口水庫、沙子崗水庫和二十畝地水庫且與步驟一中初步排序結果基本一致。
根據除險加固初設報告和工程實地勘探,本文從6個評價維度出發,構建了水庫安全程度綜合評價指標體系,利用TOPSIS 和灰色關聯分析法進行研究,對二十畝地水庫、管樓水庫、六六莊水庫、沙子崗水庫和雙岔口水庫5 個水庫安全指數的差異性進行分析,結果清晰明了,計算過程科學合理,簡單快捷,此結果與專家評價基本一致,方法可靠;該模型能用Excel 或MATLAB 編程對研究模型進行縱向或橫向比較,計算量較小,并可有效減小專家打分的主觀性影響,結果更為客觀,對實際工程具有指導意義,適合在工程方面進行推廣。