江西省上高縣泗溪鎮(zhèn)熊家村防洪工程效益評價

劉淑娥，劉 琴

(江西省贛西土木工程勘測設(shè)計院，江西 宜春 336000)

調(diào)查顯示，我國已完成各類河道治理長度123 571 km，治理程度僅有33%，防洪安全仍為現(xiàn)階段河道治理工作的重點內(nèi)容，且尚未全面遏制水質(zhì)惡化的趨勢，河道治理和水環(huán)境保護(hù)任務(wù)重大。近年來，各地區(qū)相繼開展一系列的河道治理工程，但許多工程并未取得預(yù)期的治理成效。所以，科學(xué)評價已完成的河道整治項目，可為進(jìn)一步治理未滿足評價要求的河道以及治理方案的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)[1]。

國內(nèi)學(xué)者主要側(cè)重于河道生態(tài)治理、水污染成因等方面的探究。如李志華等[2]分析了南川河防洪、水文和生態(tài)要求，在此基礎(chǔ)上提出科學(xué)有效的水污染治理方法；張萍等[3]通過河湖棲息地、生物狀況、河湖生境生態(tài)及水環(huán)境的分析，提出修復(fù)水生態(tài)的方法；楊艷等[4]對比分析發(fā)電耗水量和發(fā)電量，科學(xué)評價河道疏浚治理成效；王壽兵等[5]通過分析中小河流現(xiàn)存的主要問題，從生態(tài)修復(fù)的角度提出河道整治方法；郭麗峰等[6]利用DPSIR框架模型構(gòu)建水環(huán)境效益評價體系，為河道生態(tài)治理及其效益評價提供新的途徑。此外，還有學(xué)者從河流凈水功能的角度，對綠色基礎(chǔ)設(shè)施運用多標(biāo)準(zhǔn)分析法進(jìn)行評價分析。ABOYEJI等[7]借鑒不同污染程度、污染來源的河流治理案例，為解決水污染問題提出有效的對策建議。

根據(jù)實際調(diào)研結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)資料，現(xiàn)有研究以生態(tài)價值分析及河流水質(zhì)改善為主，且多定性分析，量化評價比較缺乏。云模型可以利用精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)較好地轉(zhuǎn)化定量與定性要素之間的關(guān)系，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水利投資項目風(fēng)險評估和水工建筑物安全評價等領(lǐng)域。河流防洪治理工程涉及范圍廣、因素多，兼具隨機(jī)性與模糊性的云模型理論能夠具體計算出工程“好、壞”，對推廣工程經(jīng)驗發(fā)揮著積極作用[8-14]。鑒于此，本文結(jié)合中小河流防洪工程特點，選擇13項指標(biāo)構(gòu)建效益評價體系，對江西省上高縣熊家村防洪工程效益利用云模型理論進(jìn)行評價。針對初始權(quán)重計算時，云模型利用打分值限制了其客觀性，考慮對云模型利用投影尋蹤法加以改進(jìn)，各指標(biāo)隸屬度運用條件云求解，利用PP-云模型客觀評價防洪工程整體效益。

1 防洪工程效益評價體系

1.1 構(gòu)建評價體系

防洪工程效益評價的重要基礎(chǔ)是建立系統(tǒng)、完善的評價體系，最終評價結(jié)果的合理性、科學(xué)性在很大程度上取決于能否構(gòu)建客觀反映實際情況的指標(biāo)體系。本文遵循可獲取性、代表性、科學(xué)性和客觀性等原則，選擇13項能夠反映防洪治理客觀情況的評價因子，按照梯階層次框架構(gòu)建效益評價體系，見表1。

1.2 確定評價等級

本文結(jié)合文獻(xiàn)資料、專家經(jīng)驗及相關(guān)行業(yè)規(guī)范，按照國際通行標(biāo)準(zhǔn)和全國平準(zhǔn)水平將防洪工程效益劃分為Ⅰ～V級，所對應(yīng)的評語為極佳、較好、一般、較差、極差，各等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表1 防洪工程效益評價體系及其初始值

表2 防洪工程效益評價等級劃分

2 防洪工程效益評價模型

20世紀(jì)90年代，李德毅等提出一種能夠轉(zhuǎn)換定量數(shù)值與定性概念的雙向認(rèn)知模式，現(xiàn)已在河流健康評價、災(zāi)害風(fēng)險分析、膨潤土漲縮、智能控制及效益評估等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[15]。該模型以概率統(tǒng)計學(xué)和模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，可以結(jié)合精準(zhǔn)數(shù)據(jù)與不確定性語言揭示事物的隨機(jī)性、模糊性變化特征，由此建立定量分析與定性描述互換的映射關(guān)系。由于考慮了主客觀因素，云模型計算結(jié)果比較公正，但初始權(quán)重計算時該模型一般以主觀打分法確定，由此使得評價結(jié)果往往偏離客觀實際。鑒于此，本文將主客觀賦權(quán)法相耦合求解各指標(biāo)組合權(quán)重，保證權(quán)重計算和防洪效益評價的客觀合理性。

2.1 綜合權(quán)重的計算

2.1.1 主觀權(quán)重

正態(tài)云、高斯云、三角形云和矩形云等為云模型的常見類型，其中正態(tài)云能夠客觀反映各類數(shù)據(jù)的分布情況以及各指標(biāo)特征，所以其適用性較為普遍?？紤]到河道防洪治理涉及范圍廣、因素多的實際情況，且不同因素之間密切關(guān)聯(lián)，任何一種因素在效益評價過程中都未占據(jù)主導(dǎo)地位，結(jié)合中心極限定理，各參評因素近似服從正態(tài)分布。因此，各評價等級與指標(biāo)的云形態(tài)選取正態(tài)云模型，其詳細(xì)流程為：

步驟1：將各指標(biāo)初始權(quán)重按照調(diào)研專家打分值來確定，正態(tài)云的He、En、Ex3個特征值利用逆向云發(fā)生器求解，其表達(dá)式為：

(1)

式中：n為樣本數(shù)；xi為樣本值；S2為樣本方差。

步驟2：采用正向云發(fā)生器和所獲取的He、En、Ex特征值，經(jīng)多次重復(fù)運算和均值化處理獲取效益評價各指標(biāo)主觀權(quán)重。

2.1.2 客觀權(quán)重

投影尋蹤法(PP)是一種能夠有效分析非線性、多樣本的數(shù)學(xué)方法，對于形式化、數(shù)學(xué)化的非正態(tài)高維數(shù)據(jù)的處理具有較好的適用性。該方法可以將具有一定內(nèi)在規(guī)律的高維空間利用計算機(jī)技術(shù)投影至1維-2維的低維子空間上，通過最優(yōu)值的求解確定能夠最大限度反映原高維特征的投影方向，最終利用投影函數(shù)達(dá)到高維數(shù)據(jù)處理的目的，其流程如下：

步驟1：采用歸一化公式和現(xiàn)有相關(guān)數(shù)據(jù)資料構(gòu)造初始矩陣R=(xij)m×n，其中m、n為評價樣本數(shù)和指標(biāo)數(shù)，xij為指標(biāo)i關(guān)于樣本j的標(biāo)準(zhǔn)化值。

步驟2：引入線性投影法將高維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至一維線性空間上，在方向向量a=(a1,a2,…,an)上投影n維初始指標(biāo)數(shù)據(jù)，從而獲取相應(yīng)的投影值Zi，其表達(dá)式為：

(2)

設(shè)S(a)、d(a)為投影值Zi的標(biāo)準(zhǔn)差和局部密度，可以利用下式描述構(gòu)造的投影函數(shù)Q(a)，即：

(3)

步驟3：通過構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)maxQ(a)實現(xiàn)非線性最優(yōu)求解問題與最佳投影方向的轉(zhuǎn)換處理，其表達(dá)式為：

(4)

采用加速遺傳算法(RAGA)經(jīng)多次反復(fù)迭代運算，以最優(yōu)個體的平均值作為各參評因子的客觀權(quán)重。該方法是一種全局擇優(yōu)的概率搜索法，主要結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)中生物遺傳和進(jìn)化過程實現(xiàn)多目標(biāo)問題的模擬分析，內(nèi)容包括選擇、交叉和變異等過程。

2.1.3 組合權(quán)重

將云模型和投影尋蹤法求解的主觀權(quán)重w1i、客觀權(quán)重w2i相耦合，利用以下公式求解組合權(quán)重，即：

wi=0.5wi1+0.5wi2

(5)

2.2 隸屬度計算

為更好地確定效益評價等級，將各項評價指標(biāo)等級與標(biāo)準(zhǔn)利用條件云發(fā)生器來求解，主要步驟為：

步驟1：根據(jù)河道治理目標(biāo)要求及防洪工程實際狀況，合理確定各項指標(biāo)的期望值和初始數(shù)據(jù)。

步驟2：采用云模型的3個特征值確定不同評價等級下各指標(biāo)的隸屬程度，利用下式求解特征指數(shù)，即：

(6)

式中：Cij,min、Cij,max為評價等級j中效益評價因子i的下限、上限值；Eij，x、Ei，n為第j個評價等級中效益評價因子i的期望與熵；Hij,e為描述變量不確定程度的超熵，一般按照經(jīng)驗或?qū)嶒灤_定，若云滴數(shù)m取1 000，則超熵He取0.01。

步驟3：歸一化處理各項指標(biāo)值。對于防洪工程效益評價正向指標(biāo)，其計算式如下：

(7)

若參數(shù)值符合條件xi≥Exi1，則有：

若參數(shù)值符合條件xi

對于防洪工程效益評價負(fù)向指標(biāo)，其計算式如下：

(8)

若參數(shù)值符合條件xi

若參數(shù)值符合條件xi>ExiN，則有：

(9)

(10)

采用公式C=W·U將上述獲取的隸屬度矩陣U和組合權(quán)重W進(jìn)行綜合運算，按照最大隸屬度原則確定防洪工程效益最終評價等級。

2.3 評價流程

為更加直觀、清晰地反映上述評價流程，總體上可以按照6個步驟完成防洪工程效益評價，其基本流程見圖1。

圖1 評價流程

3 實例分析

3.1 工程概況

上高縣泗溪鎮(zhèn)熊家村防洪工程位于錦河一級支流棠浦港中下游兩岸，起點為泗溪鎮(zhèn)熊家村羅家大橋處，終點為下浦城，河道綜合整治長度為3.57 km。圩堤保護(hù)面積為3.5 km2，保護(hù)0.027 33×104hm2耕地和0.27萬人口，承擔(dān)著沿河防洪安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要任務(wù)。圩堤內(nèi)農(nóng)作物以種植兩季水稻為主，另有旱地經(jīng)濟(jì)作物花生、油菜等，農(nóng)民人均收入7 550元。熊家村防洪工程現(xiàn)有堤頂寬窄不一，堤身邊坡陡，部分堤段迎水面迎流頂沖嚴(yán)重；洪水經(jīng)常上岸，歷年來港東羅家均受到洪水沖擊的影響；加之棠浦港蜿蜒曲折，多處河岸迎流頂沖、塌岸嚴(yán)重。長期以來，受洪水影響防護(hù)區(qū)內(nèi)洪澇災(zāi)害頻頻發(fā)生，給當(dāng)?shù)厝嗣裆顜碓S多困難、給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來較大損失，對進(jìn)一步提高人們生活水平和推動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重的制約[16-17]。

為提高居民生活質(zhì)量及改善河道周邊生產(chǎn)生活環(huán)境，防止洪水沖刷堤坡、圩堤與河岸迎水坡受風(fēng)浪及水流的沖刷侵蝕，以及保證河岸和農(nóng)田安全，上高縣水利局及相關(guān)部門將泗溪鎮(zhèn)熊家村防洪工程納入重點中小河流治理項目，2018年開展專項整治工程。綜合整治工程對河道實施了疏浚、堤岸與渡槽加固、堤防培厚、砼鏤空預(yù)制塊護(hù)坡、砼擋墻護(hù)岸、新建T50型槽排水溝、新建C25砼防汛公路、景觀設(shè)計、新建穿堤建筑物、生態(tài)修復(fù)等多項治理措施。結(jié)合實地調(diào)研結(jié)果和河道治理報告，經(jīng)計算分析確定各項指標(biāo)初始數(shù)據(jù)，見表1。

3.2 組合權(quán)重

結(jié)合多位專家對防洪工程打分結(jié)果，利用云發(fā)生器構(gòu)造各子系統(tǒng)以及相應(yīng)指標(biāo)的客觀權(quán)重云模型，然后結(jié)合以上模型確定評價體系中每項指標(biāo)和子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)，見表3。

表3 云模型客觀權(quán)重值

從表3可知，在改善生態(tài)環(huán)境方面專家打分有所側(cè)重，所以該子系統(tǒng)權(quán)重占比達(dá)到0.548，其重要程度超過其它兩子系統(tǒng)，且相對其它指標(biāo)林草覆蓋率、水土流失強度和水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等定量指標(biāo)權(quán)重也整體偏高。然而，防洪工程不僅要考慮生態(tài)環(huán)境，更要注重防洪體系增量效益、就業(yè)效益、居民滿意度及經(jīng)濟(jì)效益等因素，受人為主觀因素影響無法客觀、全面地反映防洪工程整體效益。

為保證評價結(jié)果客觀性與科學(xué)性，將各評價指標(biāo)客觀權(quán)重利用投影尋蹤法求解，并運用文中所述相關(guān)公式求解各指標(biāo)組合權(quán)重，見表4。

表4 防洪效益評價指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)組合權(quán)重計算值，經(jīng)濟(jì)效益、公眾環(huán)保意識及就業(yè)效益指標(biāo)權(quán)重有所增大，水土流失強度和水質(zhì)達(dá)標(biāo)率權(quán)重有所減少。防洪效益評價全面考慮社會、經(jīng)濟(jì)效益以及對周邊居民生產(chǎn)生活的影響，充分體現(xiàn)了防洪治理的安全、生態(tài)、自然理念，評價結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確。

3.3 效益評價等級

將各參評指標(biāo)的隸屬度利用條件云發(fā)生器和計算公式(6)-式(10)求解，為確保計算精準(zhǔn)度，設(shè)定重復(fù)迭代運算1 000次，防洪工程效益評價等級即為最大隸屬度所對應(yīng)的級別，見表5。

表5 防洪工程效益評價

3.4 結(jié)果與分析

根據(jù)表5可知，上高縣泗溪鎮(zhèn)熊家村防洪工程整體達(dá)到Ⅱ級(較好)水平，居民滿意度、景觀效益及林草覆蓋率指標(biāo)達(dá)到較好等級。實際工程中仍有部分指標(biāo)未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，如物種多樣性指數(shù)、水土流失強度和水污染控制處理費用等。所以，有關(guān)部門應(yīng)在今后的河道治理中注重考慮污染源控制措施，可持續(xù)合理利用有限的水土資源。

通過對溪鎮(zhèn)熊防洪工程實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該工程的實施顯著提升了防洪標(biāo)準(zhǔn)，有效保證了項目區(qū)人員和財產(chǎn)安全，顯著減少了社會不安定因素。此外，項目的實施對降低洪澇災(zāi)害發(fā)揮著積極作用，為充分利用區(qū)內(nèi)的水土資源和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供重要保障。生態(tài)修復(fù)、景觀設(shè)計等措施的實施，有利于形成完善的水景觀平臺和大大提升項目林草覆蓋率，加強了河道的娛樂、生態(tài)和景觀功能。評價結(jié)果與項目區(qū)實際情況基本一致，可見所運用的模型具有較強適用性與可行性。

4 結(jié) 論

1) 從生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會3個方面選擇代表性評價指標(biāo)，按照梯階框架體系構(gòu)建防洪工程效益評價體系。將主客觀屬性相結(jié)合構(gòu)建PP-云模型，并以上高縣泗溪鎮(zhèn)熊家村防洪工程驗證了模型的可行性和精準(zhǔn)度。

2) 河道防洪治理涉及內(nèi)容多、覆蓋范圍廣，效益評價時未考慮人員組織、工程管理等方面因素。所以，今后仍需要進(jìn)一步研究如何設(shè)定合理的評價標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)體系，為更好地指導(dǎo)防洪治理工作提供決策依據(jù)。