水庫大壩綜合評價(jià)時(shí)效性指標(biāo)的量化模型

陳 明 邱娟娟 徐力群 潘 翔

(1. 信陽市潑河水庫管理局， 河南 信陽 465426； 2.信陽市淮河管理處， 河南 信陽 465426； 3. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京 210098)

根據(jù)《全國病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固專項(xiàng)計(jì)劃》統(tǒng)計(jì)，我國共有病險(xiǎn)水庫30 413座，占水庫總數(shù)的36.3%[1]．病險(xiǎn)水庫如同一顆定時(shí)炸彈，對下游人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全有嚴(yán)重的威脅．因此，對病險(xiǎn)水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固勢在必行[2]．在國務(wù)院全國病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固專項(xiàng)計(jì)劃實(shí)施后，我國一大批的病險(xiǎn)水庫得到了加固，發(fā)揮了工程效益．病險(xiǎn)水庫的加固治理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，如何對加固以后的效果進(jìn)行綜合評價(jià)是一個(gè)亟待解決的重要問題[3-5]．

采用定量的指標(biāo)對工程加固效果進(jìn)行客觀的評價(jià)，是科學(xué)衡量加固效果的核心問題．專家權(quán)重是群決策中的一個(gè)重要問題，許多學(xué)者對于該問題都進(jìn)行了深入的研究，萬樹平[6-8]基于Vague集的多屬性群體的專家權(quán)重確定問題研究，避免了專家權(quán)重的人為給定而帶來的主觀性問題，也給出了不同積分算子在群決策中的應(yīng)用．萬俊[9]提出了采用專家個(gè)體決策結(jié)果與群體決策結(jié)果的偏差量并結(jié)合熵理論來求得專家的客觀權(quán)重．周偉[10]提出了僅靠非猶豫度來對不同專家和決策者的區(qū)分方法來確定專家權(quán)值．在群決策中，專家權(quán)重不同的算法來自適應(yīng)調(diào)整計(jì)算，也是該方向的研究熱點(diǎn)[11-15]．

河南省地跨淮河、長江、黃河、海河四大流域，2007年對河南省水庫進(jìn)行了全面安全普查．通過普查、評價(jià)、鑒定，全省共有1 843座水庫存在病險(xiǎn)問題．截至2015年，河南省全省已建各類水庫2 650座，其中大中型水庫148座，列入全國大中型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固規(guī)劃123座，其中107座已完成了除險(xiǎn)加固任務(wù)，尚有9座水庫正在除險(xiǎn)加固建設(shè)過程中，7座正在準(zhǔn)備實(shí)施．水庫的除險(xiǎn)加固有效降低了水庫的病險(xiǎn)率，消除了其安全隱患，保障了水庫下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，大大增強(qiáng)了水資源調(diào)控和抗御干旱災(zāi)害的能力．盡管水庫除險(xiǎn)加固工作消除了一些隱患，但也應(yīng)看到，目前我國水庫除險(xiǎn)加固技術(shù)及除險(xiǎn)加固效果，在實(shí)際工程應(yīng)用中還存在不完善和不合理的地方．本文結(jié)合河南省病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固實(shí)際情況，提出了水庫大壩綜合評價(jià)時(shí)效性指標(biāo)量化評價(jià)模型，用以對病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固效果進(jìn)行客觀評價(jià)．

1 時(shí)效性指標(biāo)除險(xiǎn)加固前后安全程度評分

水庫大壩時(shí)效性指標(biāo)指的是防洪能力康復(fù)程度、滲流安全康復(fù)程度、結(jié)構(gòu)安全康復(fù)程度、抗震安全康復(fù)程度、金屬結(jié)構(gòu)安全康復(fù)程度、運(yùn)行管理康復(fù)程度．其評價(jià)值的確定不僅涉及除險(xiǎn)加固后該指標(biāo)的安全程度，還與除險(xiǎn)加固前后該指標(biāo)安全程度的提高息息相關(guān)，這就需要對除險(xiǎn)加固前后該指標(biāo)的狀態(tài)分別進(jìn)行評價(jià)，即兩次評價(jià)．

對于時(shí)效性指標(biāo)，需要進(jìn)行兩次評價(jià)，對除險(xiǎn)加固前后的安全程度分別做出評價(jià)．而時(shí)效性指標(biāo)除險(xiǎn)加固前(或除險(xiǎn)加固后)的安全程度本質(zhì)上屬于非時(shí)效性指標(biāo)，此時(shí)，需將時(shí)效性指標(biāo)除險(xiǎn)加固前、后的安全狀態(tài)作為兩非時(shí)效性指標(biāo)分別進(jìn)行評價(jià)．可將大壩的安全程度劃分為5個(gè)等級：非常安全、基本安全、不安全、很不安全、極不安全，各時(shí)效性指標(biāo)除險(xiǎn)加固前、后安全程度評分標(biāo)準(zhǔn)見表1．

表1 時(shí)效性指標(biāo)除險(xiǎn)加固前、后安全程度評分標(biāo)準(zhǔn)

對定量化指標(biāo)除險(xiǎn)加固前(或除險(xiǎn)加固后)安全程度進(jìn)行評分時(shí)，須以最不利于大壩安全的參數(shù)為控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)算．首先根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)確定指標(biāo)處于哪個(gè)安全等級，然后以最不利于大壩安全的參數(shù)為控制參數(shù)進(jìn)行具體評分．定量指標(biāo)可分為兩類，一類是效益型指標(biāo)，這類指標(biāo)的實(shí)際值越大，其安全程度評分越高；另一類是成本型指標(biāo)，這類指標(biāo)的實(shí)際值越小，其安全程度評分越高．

1.1 效益型指標(biāo)

基于上述分析，效益型指標(biāo)除險(xiǎn)加固前(或除險(xiǎn)加固后)安全程度評分按(1)式計(jì)算．

(1)

式中：若t<0，則按t=0計(jì)算；x為指標(biāo)除險(xiǎn)加固前(或除險(xiǎn)加固后)安全程度評分；t為指標(biāo)除險(xiǎn)加固前(或除險(xiǎn)加固后)的安全參數(shù)與該指標(biāo)對應(yīng)規(guī)范規(guī)定值的比值；a、b為該雙曲線函數(shù)的參數(shù)，建議取a=1/165，b=1/100，也可根據(jù)除險(xiǎn)加固工程或評價(jià)指標(biāo)的實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整．

1.2 成本型指標(biāo)

成本型指標(biāo)與效益型指標(biāo)相反，如果將效益型指標(biāo)當(dāng)作正指標(biāo)，則成本性指標(biāo)為逆指標(biāo)．為使綜合評價(jià)過程中評價(jià)結(jié)果具有一致性，需要將兩類指標(biāo)同向化處理．一般方法是利用倒數(shù)法將逆指標(biāo)(成本型指標(biāo))轉(zhuǎn)化為正指標(biāo)(效益型指標(biāo))．

仍然使用式(1)作為成本型指標(biāo)的安全程度評分計(jì)算公式，但里面的參數(shù)t由原來的指標(biāo)除險(xiǎn)加固前(或除險(xiǎn)加固后)的安全參數(shù)與該指標(biāo)對應(yīng)規(guī)范規(guī)定值的比值更改為指標(biāo)對應(yīng)的規(guī)范值與指標(biāo)除險(xiǎn)加固前(或除險(xiǎn)加固后)的安全參數(shù)的比值．公式中的參數(shù)建議取值仍同效益型指標(biāo)，除非規(guī)范有更明確的規(guī)定．

2 指標(biāo)安全度評價(jià)模型

獲得時(shí)效指標(biāo)除險(xiǎn)加固前(或除險(xiǎn)加固后)的安全程度評分后，需根據(jù)該評分判斷指標(biāo)的安全程度，這就需要對大壩安全程度的變化特性作進(jìn)一步研究．

現(xiàn)用安全程度系數(shù)S來表示大壩各評價(jià)指標(biāo)所處的安全程度，稱為安全度；x表示該指標(biāo)的安全程度評分，則可知x的取值范圍是[0，100]，S采用[0，1]標(biāo)度，且S值越接近于1表示安全程度越高．

基于Logistic1模型，評價(jià)指標(biāo)安全度模型如式(2)所示，模型關(guān)鍵點(diǎn)對應(yīng)值見表2．

(2)

式中：x為評價(jià)指標(biāo)安全程度評分；S為評價(jià)指標(biāo)安全度．此時(shí)，基于Logistic1模型，評價(jià)指標(biāo)安全程度評分為100時(shí)的S值為0.988 6．

表2 評價(jià)指標(biāo)安全度模型關(guān)鍵點(diǎn)對應(yīng)值

根據(jù)以上分析，建立了評價(jià)指標(biāo)安全度模型，該模型將呈線性變化的指標(biāo)安全程度評分轉(zhuǎn)化為更符合實(shí)際的非線性連續(xù)數(shù)值，即時(shí)效性指標(biāo)安全度S，實(shí)現(xiàn)了與大壩安全程度變化特性的匹配．

時(shí)效性指標(biāo)加固前、后安全狀態(tài)的評價(jià)用安全度S量化表示，因此，應(yīng)用前文提出的評價(jià)指標(biāo)安全度模型，分別對時(shí)效性指標(biāo)除險(xiǎn)加固前、后的安全程度進(jìn)行量化評價(jià)，即可得到時(shí)效性指標(biāo)除險(xiǎn)加固前的指標(biāo)安全度S1與除險(xiǎn)加固后的指標(biāo)安全度S2．

3 安全等級提升模型

指標(biāo)的除險(xiǎn)加固效果可以分為兩個(gè)層次，一是在除險(xiǎn)加固后指標(biāo)所處的安全狀態(tài)，這一層次根據(jù)安全度S2判斷，S2值與0.988 6越接近，除險(xiǎn)加固后時(shí)效指標(biāo)安全程度越高；二是大壩在除險(xiǎn)加固前后時(shí)效指標(biāo)安全等級提升狀況．安全等級提升系數(shù)C可以用下式來計(jì)算：

S1，S2∈[0，1]且S2≥S1

(3)

式中：C為指標(biāo)安全等級提升系數(shù)；S1為除險(xiǎn)加固前指標(biāo)安全度；S2為除險(xiǎn)加固后指標(biāo)安全度；Smax為安全度最大值且Smax=0.988 6；Smin為安全度最小值且Smin=0.019 2．因此，安全等級提升系數(shù)可以進(jìn)一步改寫成下式：

C∈[0，1]

(4)

式中：C為指標(biāo)安全等級提升系數(shù)；S1同上．

需要指出的是，對指標(biāo)除險(xiǎn)加固進(jìn)行評價(jià)，只有當(dāng)除險(xiǎn)加固后該指標(biāo)處于安全狀態(tài)(包括基本安全和非常安全)下，即S2≥0.687 7時(shí)，評價(jià)其安全等級提升程度才有意義．否則，可以根據(jù)除險(xiǎn)加固后指標(biāo)安全度直接判定其加固效果．

4 時(shí)效性指標(biāo)評價(jià)值及量化評價(jià)模型

獲得指標(biāo)安全度S2和指標(biāo)安全等級提升系數(shù)C后，用下式來計(jì)算時(shí)效指標(biāo)評價(jià)指標(biāo)值：

S2≥0.687 7

(5)

式中：C為時(shí)效性指標(biāo)安全等級提升系數(shù)；Xmax為S2所在區(qū)間范圍的最大評價(jià)值；Xmin為S2所在區(qū)間范圍的最小評價(jià)值；m=0.750 5，n=1.50．

具體操作方法如下：

1)利用指標(biāo)安全度評價(jià)模型，根據(jù)除險(xiǎn)加固前、后安全程度評分計(jì)算除險(xiǎn)加固前、后的指標(biāo)安全度S1、S2，進(jìn)而求得該指標(biāo)除險(xiǎn)加固前、后安全等級提升系數(shù)C；

2)根據(jù)除險(xiǎn)加固后安全度S2確定Xmax、Xmin代表的區(qū)間范圍，對應(yīng)見表3．

表3 Xmax與Xmin對應(yīng)表

3)利用式(5)求取時(shí)效性指標(biāo)的評價(jià)值．

由此，可以確定由除險(xiǎn)加固后安全度S2及安全等級提升系數(shù)C確定的指標(biāo)評價(jià)值計(jì)算公式為：

(6)

利用該計(jì)算公式可確定時(shí)效性指標(biāo)評價(jià)值．

綜上所述，時(shí)效性指標(biāo)量化評價(jià)模型具體評價(jià)流程如圖1所示．

圖1 時(shí)效性指標(biāo)量化值評價(jià)流程圖

首先，將時(shí)效性指標(biāo)除險(xiǎn)加固前、后的安全狀態(tài)視為兩個(gè)非時(shí)效性指標(biāo)，根據(jù)定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的特點(diǎn)分別計(jì)算其安全程度評分．接著，根據(jù)該評分應(yīng)用式(2)提出的指標(biāo)安全度評價(jià)模型分別計(jì)算時(shí)效性指標(biāo)除險(xiǎn)加固前、后的安全度S1和S2，帶入安全程度提升系數(shù)模型即可計(jì)算時(shí)效指標(biāo)的安全等級提升系數(shù)C．最后，利用提出的評價(jià)值計(jì)算公式，計(jì)算得到時(shí)效性指標(biāo)的量化評價(jià)值X．

5 結(jié) 論

本文結(jié)合河南省病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固情況，研究了水庫大壩安全綜合評價(jià)時(shí)效性指標(biāo)的量化分析方法，提出了水庫大壩綜合評價(jià)時(shí)效性指標(biāo)量化評價(jià)模型．

通過對水庫大壩時(shí)效性指標(biāo)，分別確定除險(xiǎn)加固前后的實(shí)際值，判斷其安全程度，比較了除險(xiǎn)加固前后該指標(biāo)安全程度的提高程度，獲得了安全等級提升系數(shù)，確定了該時(shí)效指標(biāo)的評價(jià)值．從而得到了可對水庫除險(xiǎn)加固情況進(jìn)行客觀評價(jià)分析的量化指標(biāo)，并用其對水庫大壩除險(xiǎn)加固效果進(jìn)行評價(jià)．