基于FAHP與熵權(quán)融合法的堤防工程安全綜合評價

蘭 博 ，關(guān)許為，肖慶華

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

堤防工程可有效抵御洪水等自然災(zāi)害，保障人民的生命財產(chǎn)安全，是國家經(jīng)濟和社會發(fā)展的生命線[1]。堤防工程的安全受堤身、堤基及多種外界環(huán)境條件等因素的影響，一旦失事會給國家造成嚴重的損失。為了確保堤防工程的安全，需要對工程固有的或潛在的危險及其災(zāi)害程度進行分析和評價。目前，國內(nèi)外針對堤防工程安全評價方面開展了比較多的研究工作，尤其以日本、荷蘭為代表，根據(jù)自身的堤防特點構(gòu)建了符合本國實際情況的安全評價體系[2]。然而，由于我國各地堤防工程具有復(fù)雜多變性，尚未建立一套完整的和科學(xué)的安全評價指標體系，也缺乏對應(yīng)的調(diào)查方法和調(diào)查技術(shù)標準[3]。國內(nèi)，目前主要借鑒大壩安全評價的方法來對堤防工程進行安全評價，主要將定性指標與定量指標相結(jié)合，構(gòu)建堤防安全綜合評價指標體系[1,4]。

現(xiàn)有的研究大多針對內(nèi)河堤防，對于上海市長江口及杭州灣北岸重要岸段堤防工程來說，由于位置特殊，受風(fēng)暴潮以及長期的灘涂圍墾影響，其所受荷載、堤身結(jié)構(gòu)與內(nèi)河的堤防工程均有區(qū)別。本文在收集長江口及杭州灣灘涂圍墾重要岸段(青草沙水庫圍堤、橫沙東灘圈圍、南匯邊灘圍堤、杭州灣北岸海岸)歷史、現(xiàn)狀、毀損情況以及影響堤防工程安全相關(guān)基本資料的基礎(chǔ)上，主要從內(nèi)部因素和外部因素兩方面挖掘其風(fēng)險因素種類，構(gòu)建堤防工程多層次多指標的綜合評價指標體系，采用改進的模糊層次分析法(FAHP)[5]與熵權(quán)融合來確定各評價指標權(quán)重[6]，根據(jù)專家評分法得到各項指標的評價值，最終得到綜合安全評價值，從而對以上岸段堤防安全進行安全評價。

1 堤防工程風(fēng)險因子擬定

在廣泛調(diào)研及總結(jié)大量工程案例[7-9]的基礎(chǔ)上，同時針對長江口及杭州灣北岸堤防岸段破壞的特點，擬定風(fēng)險影響因子。

通過歸納堤防工程各種失事模式下主要影響因素，將風(fēng)險因子分為內(nèi)部因素、外部因素。其中，內(nèi)部因素包含堤身特性、堤基特性、護坡和保灘護堤以及施工質(zhì)量等；外部因素主要為荷載特性以及其他因素。本文采用層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形式來構(gòu)建堤防工程的風(fēng)險因子指標體系。

根據(jù)堤防工程的特點，對堤防工程風(fēng)險因素進行分析和風(fēng)險因子進行確定，建立堤防工程多層次多目標綜合評價指標體系，其安全評價模型如圖1所示。

圖1 堤防工程多層次多目標綜合評價模型Fig.1 Multi-level and multi-objective comprehensive evaluation model of dike project

2 改進的模糊層次分析法與熵權(quán)融合法在堤防安全評價中的應(yīng)用

目前，針對多層次多目標綜合評價指標體系權(quán)重的確定方法可分為兩類：主觀權(quán)重法和客觀權(quán)重法。主觀權(quán)重法是根據(jù)各指標的主觀重視程度進行賦權(quán)，如專家咨詢法、層次分析法等；客觀權(quán)重法是指根據(jù)決策矩陣提供的信息來確定，如投影追蹤法、熵權(quán)法等。下面主要研究基于改進的模糊層次分析法[5]與熵權(quán)法相融合的方法來確定堤防工程風(fēng)險因子指標的權(quán)重。

2.1 改進的模糊AHP-熵組合確定指標融合權(quán)重

改進的模糊層次分析法克服了傳統(tǒng)的層次分析法中一些缺點，且形式簡單、迭代速度快，使其更適合對多目標決策進行分析[5]。本文采用的改進的模糊AHP方法中，優(yōu)先判斷矩陣F={fij}n×n中的元素采用0.1～0.9標度法表示(見表1)。

熵權(quán)法是根據(jù)各指標提供的有效信息量來確定權(quán)重的方法[6]。在信息論中，熵是系統(tǒng)無序程度的一個度量。若指標的信息熵值越小，說明該指標提供的有效信息量越大，指標的權(quán)重也越大，反之亦然。熵權(quán)法能盡量消除各因素權(quán)重的主觀性，使評價結(jié)果更符合實際。

設(shè)改進的模糊AHP法對n個評價指標所賦權(quán)重為Ws=[ws1,ws2,…,wsn]T，熵權(quán)法對n個評價指標所賦權(quán)重為Wo=[wo1,wo2,…,won]T?；谧钚∠鄬π畔㈧卦恚沟酶倪M的模糊AHP-熵組合賦權(quán)所得的融合指標權(quán)重的偏差應(yīng)越小越好。因此建立如下函數(shù)，即：

表1 數(shù)量標度Tab.1 Quantity scale

(1)

對式(1)進行積分，采用拉格朗日乘法算子，可得指標融合權(quán)重為：

(2)

2.2 安全評價指標集

堤防工程的安全評價指標集的選取方法可參照《堤防工程安全評價導(dǎo)則》，并通常借鑒大壩安全評價，綜合堤防工程的實際情況，將堤防工程的安全性劃分成以下4個等級：安全性好、安全較好、輕度危險及危險，具體見表2。

表2 堤防工程安全等級Tab.2 Dike projects safety classification

2.3 堤防工程的安全綜合評價

基于專家評分法，對堤防工程安全狀況的現(xiàn)場檢查情況進行評分，得到安全評價指標體系中各指標的評價值Li，同時對堤防工程的安全評價指標進行權(quán)重組合。于是，堤防工程的綜合安全評價值S可表示為：

(3)

式中：S為綜合安全評價值；Li為各指標評價值；Zi為指標組合權(quán)重。

3 工程案例

本文以青草沙水庫為例進行剖析，該水庫位于長江口南支下段南北港分流口水域，是目前國內(nèi)外最大的蓄淡避咸水庫，主要由水庫圍堤、上游取水泵閘、下游水閘和輸水泵閘等組成。

根據(jù)該環(huán)庫圍堤現(xiàn)場調(diào)查和監(jiān)測分析結(jié)果，依據(jù)專家打分法，對各風(fēng)險因子進行安全打分賦值，具體見表3。

表3 安全評價指標值Tab.3 Safety evaluation index value

3.1 風(fēng)險因子指標權(quán)重計算

專家根據(jù)評價指標之間相對貢獻率的判斷，給出了堤防工程多層次多目標指標體系的優(yōu)先判斷矩陣分別為：

經(jīng)計算得指標融合權(quán)重：A-B:(0.730,0.270)T，B1-C:(0.312,0.279,0.246,0.163)T，B2-C:(0.630,0.370)T，C1-E:(0.311,0.218,0.265,0.206)T，C2-E:(0.246,0.446,0.307)T，C3-E:(0.194,0.446,0.360)T，C4-E:(0.565,0.435)T，C5-E:(0.470,0.530)T，C6-E: (0.406,0.322,0.272)T。

3.2 堤防工程安全綜合評價

根據(jù)計算所得的各層次的指標權(quán)重，可獲得各風(fēng)險因子指標對堤防工程安全的指標組合權(quán)重，由式(3)以及專家根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查對各風(fēng)險因子的賦分，可得堤防的綜合安全評價值為85.747，具體見表4。

根據(jù)堤防安全等級劃分可知，該堤防工程處于安全性較好的狀態(tài)。通過各風(fēng)險因子指標綜合評價值進行排名可知：滲控措施、風(fēng)暴潮、水位、保攤護堤及堤頂高程對堤防的安全性影響比較大，另外，建設(shè)期施工質(zhì)量、生態(tài)防護、堤基處理等都是影響堤防工程安全的重要因素。

表4 青草沙水庫環(huán)庫圍堤工程綜合安全評價值Tab.4 Comprehensive safety evaluation value of dike project of Qingcaosha Reservoir

4 結(jié) 語

(1)本文基于上海市長江口及杭州灣北岸重要岸段堤防工程，由于位置特殊，受風(fēng)暴潮以及長期的灘涂圍墾影響的特點，通過調(diào)查研究和工程實踐的總結(jié)，構(gòu)建了堤防工程多層次多目標綜合評價指標體系，采用改進的模糊層次分析法(FAHP)和熵權(quán)融合法能夠合理確定各風(fēng)險因子指標融合權(quán)重。

(2)結(jié)合堤防工程的實際情況，確定了堤防工程的安全性的劃分，根據(jù)專家評分法得到各項指標的評價值，最終得到綜合安全評價值用來合理評判堤防的綜合安全狀況，同時還能夠較為全面地體現(xiàn)出影響堤防安全的主要因素。通過建立恰當(dāng)?shù)牡谭拦こ叹C合安全評價體系，有助于提高堤防工程管理及加固論證的定量化、科學(xué)化。