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      基于改進云模型的河道管護效果評價方法

      2022-02-19 04:50:14黃顯峰劉永強
      水利經(jīng)濟 2022年1期
      關(guān)鍵詞:管護河道權(quán)重

      黃顯峰,陳 雪,劉永強

      (河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

      河道管護市場化是優(yōu)化水利工程管護單位職能、促進管養(yǎng)單位轉(zhuǎn)型發(fā)展的重大舉措。但市場化的推行無法直接從考核的結(jié)果來評定市場化推行的正確性、合理性和實踐性。因此,亟待建立完整的河道管護市場化項目后評估體系,科學(xué)分析市場化的運行效果,開展河道管護市場化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的研究,樹立市場化運行的標(biāo)準(zhǔn),制定市場化培育指導(dǎo)意見,規(guī)范河道管護市場化運作,更好地發(fā)揮市場化管護的優(yōu)勢[1]。

      許多學(xué)者利用科學(xué)理論方法開展了水利工程設(shè)施后評價相關(guān)研究。武博慶[2]基于多年的引灤工程項目后評價實踐理論和經(jīng)驗,從評價內(nèi)容到實際計算提出了許多建議和方法。張秀亭[3]采用邏輯框架法對水利工程項目進行垂直和水平的邏輯關(guān)系檢驗,并將該法運用于山東省某縣的水利工程中做定性后評價。楊永東[4]結(jié)合國內(nèi)外經(jīng)驗根據(jù)水電工程特點將評價內(nèi)容分為五類,并建立完善的評價體系,用系統(tǒng)綜合評判法對各項目進行單指標(biāo)和綜合評價。王萍[5]根據(jù)水利工程項目的特征構(gòu)建評價指標(biāo)體系,明確各個方面的評價內(nèi)容,據(jù)此構(gòu)建了浙江水利項目后評價指標(biāo)體系。陳艷等[6]首先將后評價內(nèi)容分為4個方面,即過程后評價、經(jīng)濟后評價、影響后評價和持續(xù)性分析,再將定量分析與定性分析相結(jié)合確定指標(biāo)體系。曾露等[7]采用模糊多目標(biāo)層次分析法建立水利工程多指標(biāo)模型,從社會、經(jīng)濟、環(huán)境等多方面對水利工程設(shè)施進行后評價。肖宜等[8]根據(jù)多目標(biāo)決策理論構(gòu)建綜合指標(biāo)體系,并用灰色關(guān)聯(lián)投影分析評價模型對湖南省“四水”流域治理工程進行評價分析。蔡久順[9]針對水利工程項目評價的模糊性,采用集對分析法對水利工程項目進行定性和定量相結(jié)合的評價分析。

      關(guān)于河道管護效果的評判較為模糊,不利于得到客觀的評價結(jié)果。云模型[10]是一種同時具有隨機性和模糊性的定性和定量相互轉(zhuǎn)換的模型,能夠用于計算指標(biāo)等級,故本文采用云模型的評價方法對河道管護效果進行評價。為使河道管護效果的評價結(jié)果更為客觀合理且具有參考性,本文對主觀權(quán)重和客觀權(quán)重進行組合計算,據(jù)此對各評價指標(biāo)賦權(quán)。主觀權(quán)重的計算采用云模型計算云權(quán)重,客觀權(quán)重的計算采用投影尋蹤法。將改進的云模型評價方法運用于昆山市周莊鎮(zhèn)河道管護效果評價中,評價結(jié)果驗證了改進云模型評價的合理性和可行性。

      1 河道管護評價指標(biāo)體系

      1.1 指標(biāo)體系的建立

      河道是水資源的載體,為保證國民經(jīng)濟的順利發(fā)展,城市和人民的生命健康安全,河道需要具有行洪排澇功能、蓄水灌溉能力、內(nèi)河航運功能、漁業(yè)養(yǎng)殖功能、旅游景觀功能、生態(tài)系統(tǒng)功能和文化傳承功能。為保證河道的安全運行,充分發(fā)揮其各方面功能,需對河道進行有效管護。依據(jù)《中華人民共和國河道管理條例》等相關(guān)規(guī)程,河道管護主要包括堤防護岸管護、堤防綠化、河道保潔、河道整治、河道生態(tài)修復(fù)、河道附屬設(shè)施管護等方面的內(nèi)容,故本文從這6個方面衡量河道管護情況。

      經(jīng)實地考察調(diào)研,結(jié)合河道管護的實際情況,遵循以上河道管護要求,綜合分析河道管護影響因素,最終將評價指標(biāo)從河道管護效果的角度分為6個二級指標(biāo),17個三級指標(biāo),各評價指標(biāo)如圖1所示。

      圖1 河道管護效果后評價指標(biāo)體系

      1.2 河道管護效果評價等級的劃分

      本文將河道管護效果分為5個等級:優(yōu)秀、良好、一般、合格、不合格,對應(yīng)的評分區(qū)間分別為[90,100]、[80,90)、[70,80)、[60,70)、[0,60)。邀請多位專家實地考察每條河道,根據(jù)評價指標(biāo)體系的每個細(xì)則對每條河道的管護效果打分,取每個指標(biāo)對應(yīng)的平均得分值作為評價的初始評分值。

      2 改進云模型評價方法

      本文采用改進云模型的評價方法對河道設(shè)施管護效果進行后評價。改進云模型的評價方法即改變云模型中權(quán)重的計算方法,對主客觀權(quán)重進行組合計算得到綜合權(quán)重,再將綜合權(quán)重與云模型相結(jié)合對河道管護效果進行后評價。

      2.1 權(quán)重計算

      計算各評價指標(biāo)權(quán)重即要衡量各指標(biāo)在整個評價體系中的影響程度,以及各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性、影響性和重要性。主觀權(quán)重由專家的主觀判斷決定,計算結(jié)果受人為因素影響較大,客觀權(quán)重側(cè)重于數(shù)據(jù)間的遠(yuǎn)近關(guān)系而忽略了河道實際管護情況。故本文將二者結(jié)合,用云模型計算的云權(quán)重作為主觀權(quán)重,投影尋蹤法計算客觀權(quán)重,再將兩者進行組合計算得出各個評價指標(biāo)的綜合權(quán)重。

      2.1.1云模型確定主觀權(quán)重

      云模型的特點是可以兼容評價對象的隨機性和模糊性,利用云發(fā)生器計算樣本的特征值期望Ex、熵En和超熵He并對其進行定量與定性的相互轉(zhuǎn)換,通過利用樣本點的隨機性產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),分析各個樣本間的相互關(guān)系計算得到最佳結(jié)果。

      首先根據(jù)各評價指標(biāo)的初始權(quán)重值,用云模型的逆向云發(fā)生器求得特征值期望Ex、熵En和超熵He,再在正向云發(fā)生器中反復(fù)計算多次補充云滴生成大量數(shù)據(jù)取均值求得各指標(biāo)權(quán)重。具體計算過程如下:

      a.根據(jù)專家的初始評分權(quán)重,先用逆向云發(fā)生器計算出各評價指標(biāo)的特征值:

      (1)

      (2)

      (3)

      (4)

      式中:xi為樣本值;n為樣本數(shù);S2為樣本方差。

      E′n=randn(1)He+En

      (5)

      E′x=randn(1)E′n+Ex

      (6)

      c.計算權(quán)重的確定度

      (7)

      2.1.2投影尋蹤法確定客觀權(quán)重

      本文采用投影尋蹤法計算客觀權(quán)重。投影尋蹤法是先把高維的數(shù)據(jù)經(jīng)過一些組合運算后投影到低維的子空間中,再根據(jù)極大或極小化的某個投影指標(biāo),找到可以體現(xiàn)高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影,最后在低維空間上對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行分析。故其可以用于計算最優(yōu)投影方向,得到的最優(yōu)個體即為所需權(quán)重。計算步驟如下所示:

      a.規(guī)范化處理評價指標(biāo)數(shù)據(jù)得到初始矩陣R=(xij)m×n,其中xij為第i個評價對象在第j個評價指標(biāo)下對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值,m為樣本數(shù)目,n為評價指標(biāo)數(shù)目。

      (8)

      (9)

      R=0.1S(a)

      (10)

      rij=|Zi-Zj|

      (11)

      (12)

      故可得投影函數(shù):

      Q(a)=S(a)d(a)

      (13)

      c.構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)來優(yōu)化投影函數(shù)。

      maxQ(a)=S(a)d(a)

      (14)

      (15)

      再利用加速遺傳算法求解,重復(fù)計算50次,可得出各代最優(yōu)個體的平均值即為所求權(quán)重值。

      2.1.3綜合權(quán)值計算

      主觀權(quán)重受人為因素影響較大,而客觀權(quán)重只顧數(shù)據(jù)間的相關(guān)性又忽視了專家意見,因此本文將二者結(jié)合進行組合計算來確定河道管護評價指標(biāo)的綜合權(quán)重φ=(φ1,φ2,…,φm)。綜合權(quán)重計算公式是:

      (16)

      2.2 隸屬度計算

      云模型中的云發(fā)生器有3種:正向云發(fā)生器、逆向云發(fā)生器和條件云發(fā)生器。條件云發(fā)生器屬于特殊的正向云發(fā)生器,即已知期望、熵和超熵,同時已知特定條件的X或Y來產(chǎn)生隸屬度,計算各個評價指標(biāo)對應(yīng)的等級隸屬度[15]。

      各河道管護效果評價指標(biāo)等級主要是由X條件云發(fā)生器計算得到,其具體計算步驟如下所示:

      a.首先明確各個評價指標(biāo)值X和評價指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)S。

      b.隨后計算出3個特征值,并且要依據(jù)正反向評價指標(biāo)求解出各個評價指標(biāo)在各等級下的隸屬度。

      (17)

      式中:Sijmax為第i個評價指標(biāo)在第j個等級中的上限值;Sijmin為第i個評價指標(biāo)在第j個等級中的下限值;Exij為第i個評價指標(biāo)在j評價等級中的期望值;Enij為第i個評價指標(biāo)在j評價等級中的熵值;He為超熵,反映變量的不確定程度,通常根據(jù)試驗或者經(jīng)驗取值,本文取為0.2,取云滴數(shù)m=1 000。

      用X條件云發(fā)生器生成云滴重復(fù)計算各評價指標(biāo)值1 000次可以得到較為精確的各評價等級隸屬度值和隸屬度矩陣M。

      2.3 綜合評價

      將上面計算所得綜合權(quán)重值φ與等級隸屬度矩陣M進行轉(zhuǎn)換計算,即可得出綜合評價子集B。由最大隸屬度原則可知,隸屬度最大值對應(yīng)的評價等級就是河道設(shè)施第三方管護效果后評價的評價級別。

      B=φM=(b1,b2,…,bn)

      (18)

      3 實例驗證

      3.1 昆山市周莊鎮(zhèn)河道基本概況

      周莊鎮(zhèn)隸屬于昆山市,位于昆山市西南部,總面積38.96 km2,其中水域面積占比為46.6%。周莊鎮(zhèn)地處太湖流域沖積平原東部,水系屬太湖流域淀泖水系,周莊鎮(zhèn)現(xiàn)狀河網(wǎng)由市級河道、鎮(zhèn)級河道、村級河道3個級別河道組成。市級河道為昆山市境內(nèi)區(qū)域性河道、湖蕩的骨干河道,鎮(zhèn)內(nèi)為則同港,連接長白蕩與急水港;鎮(zhèn)級外河是片區(qū)河網(wǎng)框架的組成部分,與市級河道一起,形成與區(qū)域河、湖水量交換的通道,有長牽路港、西澤港、朱村浦港、云亭港、東坨東河等;村級外河是片區(qū)河網(wǎng)框架的補充,河道長度一般在1 km以內(nèi),河線彎曲、斷頭浜多;圩內(nèi)河道是圩區(qū)的排水及調(diào)蓄河道,面廣量大,河線曲折多變,斷頭浜多。

      周莊鎮(zhèn)的河道堤防等水利工程設(shè)施眾多,管護工作復(fù)雜。為貫徹落實省、市關(guān)于河道管護第三方服務(wù)的相關(guān)要求,提升河道的管理水平,落實“管養(yǎng)分離”,推動河道標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化管護,昆山市試點先行,在各鎮(zhèn)分步推行,穩(wěn)步推進河道管護第三方服務(wù)?,F(xiàn)對昆山市周莊鎮(zhèn)的河道管護效果進行后評價研究。

      3.2 周莊鎮(zhèn)河道管護效果評價過程

      3.2.1評價指標(biāo)權(quán)重的計算

      首先邀請10位專家對周莊鎮(zhèn)河道管護效果進行現(xiàn)場考核評價并打分,得到各個評價指標(biāo)的基礎(chǔ)評價權(quán)重,根據(jù)所得的基礎(chǔ)評價權(quán)重構(gòu)建判斷矩陣,隨后利用云模型計算二級指標(biāo)權(quán)重和各個三級指標(biāo)在其對應(yīng)的二級指標(biāo)系統(tǒng)中所占權(quán)重分布如圖2~8所示。

      由圖2~8可知,各個評價指標(biāo)的模擬權(quán)重值呈現(xiàn)正態(tài)分布,通過計算各指標(biāo)均值可得各評價指標(biāo)的具體權(quán)重值如表1所示。

      圖2 河道管護效果二級指標(biāo)權(quán)重

      圖3 堤防護岸管護效果系統(tǒng)下指標(biāo)權(quán)重

      圖4 堤防綠化效果系統(tǒng)下指標(biāo)權(quán)重

      圖5 河道保潔效果系統(tǒng)下指標(biāo)權(quán)重

      圖6 河道整治效果系統(tǒng)下指標(biāo)權(quán)重

      圖7 河道生態(tài)修復(fù)效果系統(tǒng)下指標(biāo)權(quán)重

      圖8 河道附屬設(shè)施管護效果系統(tǒng)下指標(biāo)權(quán)重

      表1 云模型所求指標(biāo)權(quán)重值

      各評價指標(biāo)的客觀權(quán)重可由投影尋蹤法算得,將所得客觀權(quán)重與上面所求主觀權(quán)重進行組合計算可得綜合權(quán)重。各評價指標(biāo)的綜合權(quán)重值如表2所示。

      表2 河道管護效果評價指標(biāo)權(quán)重值

      3.2.2河道管護效果評價等級的計算

      根據(jù)式(17)可計算出河道管護效果評價指標(biāo)的3個特征值期望Ex、熵En和超熵He,將周莊鎮(zhèn)河道管護效果對應(yīng)的各指標(biāo)基礎(chǔ)評價值輸入到云模型的X條件云發(fā)生器中,隨后計算得到各評價指標(biāo)在各個評價等級下的隸屬度。計算結(jié)果如表3所示。

      表3 各評價指標(biāo)對應(yīng)評價等級隸屬度

      按式(18)對評價指標(biāo)的隸屬度和其對應(yīng)的綜合權(quán)重值進行綜合計算,可以求出河道管護效果評價結(jié)果。周莊鎮(zhèn)河道管護效果最終的綜合評價結(jié)果如表4所示。由最大隸屬度原則可知良好等級對應(yīng)的隸屬度值最大,故綜合評價結(jié)果是河道管護效果良好。

      3.3 評價結(jié)果分析

      利用基于改進云模型的河道管護效果評價模型對昆山市周莊鎮(zhèn)的河道管護效果進行了全面評價。各指標(biāo)在對應(yīng)評價等級下的隸屬度值如表4所示。由表可知,在河道管護效果單指標(biāo)評價中,只有硬質(zhì)護岸C1的管護效果是優(yōu)秀,管護措施做得很棒,后期要定期檢查修繕保證硬質(zhì)護岸的功能一直完好。水域保潔C6和河道疏浚C8兩個指標(biāo)對應(yīng)等級為一般,說明在這兩個方面管護效果還不夠理想,管護力度不夠。要加強對水域的清潔和保護,可以安排工作人員定期巡查清理河道垃圾和淤積物,根據(jù)實際情況采取更多有效措施保證河道的清澈和流水的順暢。其余14個指標(biāo)對應(yīng)的評價等級均為良好,說明其管護效果不錯但還有進步的空間,后期要針對具體問題進行改善。

      表4 基于改進云模型的周莊鎮(zhèn)河道管護效果綜合評價結(jié)果

      自然護岸的管護要與草坪樹木的管護相結(jié)合,充分發(fā)揮植被自身生長的特點和規(guī)律,利用伸展且發(fā)達(dá)的植物根系穩(wěn)定堤防,提高保護堤防和防洪的能力,同時美化河道周邊環(huán)境;陸域保潔要做到時常清掃,并呼吁市民共同維護陸域整潔,防止垃圾流入河道;污水廢水排入河道之前一定要經(jīng)過處理,不能超過河流的自凈能力,保證河道的潔凈和清澈;水生植物的管護要做到及時清理壞死植物并適當(dāng)補充新植物,同時要防止植物營養(yǎng)輸出過剩導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化;河道周圍的護欄表面要保持干凈,保證欄桿的連續(xù)、完整、無缺失;木樁、指示牌等設(shè)施要埋設(shè)堅固,立柱應(yīng)保持直立,無搖動,無涂層脫落、無損壞和丟失。排水設(shè)施要保持完好,排水溝渠、雨水口應(yīng)保持通順。另外,工作人員的檢查工作應(yīng)包括經(jīng)常檢查、定期檢查、特別檢查和安全鑒定,通過有目的性的檢查工作保證河道設(shè)施的正常運作。

      從表4的評價結(jié)果可以看出,周莊鎮(zhèn)河道管護效果的綜合評價為良好,和實際的河道管護情況一致,證明了該模型具有較高的可信度和可行性?;诟倪M云模型的評價方法不僅可以對管護效果給出了整體評價,同時針對每個指標(biāo)給出評價,評價結(jié)果不僅全面有效,也給后期河道管護工作提供了改善的方向。

      4 結(jié) 語

      考慮到河道管護的復(fù)雜性、系統(tǒng)性和可操作性以及對河道管護效果評價的全面性、合理性和有效性,結(jié)合河道管護的實際情況,本文建立了河道管護系統(tǒng)的評價指標(biāo)體系。結(jié)合基于改進云模型的河道管護效果評價方法對昆山市周莊鎮(zhèn)的河道管護現(xiàn)狀和效果進行了全面有效的評價,得出了與實際管護情況相符的評價結(jié)果,表明基于改進云模型的評價方法在周莊鎮(zhèn)河道管護效果的評價中具有較好的適用性。本文在云模型評價方法的基礎(chǔ)上進行了權(quán)重計算的改進,采用主客觀權(quán)重相結(jié)合的方法,通過組合計算得出綜合權(quán)重,既減少了權(quán)重計算的主觀性又降低了評價的隨機性,而云模型通過大量的數(shù)據(jù)模擬增加了計算結(jié)果的精確性,使評價結(jié)果更加可靠。

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