即墨區(qū)岔河灌區(qū)渠道防滲優(yōu)化研究

摘 要：針對(duì)夏季汛期暴雨導(dǎo)致的雨水集中、內(nèi)澇以及灌區(qū)渠道防滲效果不佳的問題，本文利用模糊綜合評(píng)判法對(duì)即墨區(qū)岔河灌區(qū)的渠道防滲工程進(jìn)行優(yōu)化研究。結(jié)果表明，通過評(píng)估不同防滲方案，發(fā)現(xiàn)采用一側(cè)有擋土板的形式是最優(yōu)方案，最差的方案是砌石漿砌形式。本研究的創(chuàng)新之處是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)處理不確定性，提高了評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果為灌區(qū)防滲工程提供了科學(xué)優(yōu)化方法，便于提高農(nóng)業(yè)灌溉效率，保護(hù)生態(tài)，為同類工程的渠道防滲優(yōu)化措施提供了一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：渠道防滲；層次分析法；模糊綜合評(píng)判

中圖分類號(hào)：TV 22" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國一些城市在夏季的主汛期間容易出現(xiàn)澇災(zāi)等災(zāi)害，而建立灌區(qū)是主要的解決方法之一。張夢(mèng)嬌[1]主要對(duì)華北平原區(qū)防滲渠道進(jìn)行優(yōu)化，采用SQP算法對(duì)不同形式防滲渠道的橫斷面進(jìn)行優(yōu)化。徐淑琴等[2]基于黑龍江省大型灌區(qū)項(xiàng)目工程，利用模糊綜合判別法對(duì)該工程試驗(yàn)方案優(yōu)越性進(jìn)行判定，總結(jié)了適合在寒區(qū)運(yùn)行的渠道防滲工程優(yōu)化模式。趙多明[3]主要針對(duì)高寒區(qū)渠道防滲工程中，新舊防滲體連接和防滲體極易破損等問題進(jìn)行研究，最終得出適合在高寒區(qū)渠道防滲工程中適用的連接膠及應(yīng)用場(chǎng)景。鄧升等[4]基于蘇北平原區(qū)渠道防滲工程，采用熵權(quán)模糊方法對(duì)4種不同的渠道防滲方案進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果綜合選出最佳的渠道防滲方案。喬永梅等[5]依托實(shí)際工程對(duì)灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)選擇弧形坡腳的梯形斷面形式可以使灌區(qū)防滲渠道達(dá)到最佳效果。王俊發(fā)[6]將理論分析與實(shí)際工程相結(jié)合，采用有限元仿真軟件對(duì)渠道防滲主要材料物理力學(xué)特性進(jìn)行分析，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械化鋪膜提供了理論支持。

1 工程概況

即墨區(qū)位于山東半島西南部，在青島市所屬的縣級(jí)市，南距青島市中心約30km，素有“青島后院”之稱?？偯娣e1780km2，耕地面積為733.33km2，是青島市主要的糧、油生產(chǎn)基地，也是青島市的蔬菜生產(chǎn)基地。

即墨區(qū)岔河灌區(qū)建于1959年，后經(jīng)續(xù)建配套，至20世紀(jì)70年代，有效灌溉面積達(dá)到39.33km2，灌區(qū)內(nèi)耕地集中，土壤肥沃，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自然條件優(yōu)越，是即墨區(qū)的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展起到了很大作用，曾帶動(dòng)水稻種植業(yè)和其他種植業(yè)發(fā)展，從根本上改變了洼區(qū)低產(chǎn)落后面貌，促進(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但限于修建時(shí)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)等條件，灌區(qū)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，施工質(zhì)量差，出現(xiàn)主渠淤積坍塌嚴(yán)重、部分堤段堤防被破壞、渠道局部滲漏嚴(yán)重等問題，全灌區(qū)實(shí)灌面積僅有24km2，占有效灌溉面積的61%，灌區(qū)整體效益發(fā)揮受到嚴(yán)重影響，制約了即墨區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。因此，實(shí)施岔河灌區(qū)節(jié)水配套改造，有利于改善灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高灌區(qū)農(nóng)田抗御旱澇災(zāi)害的能力和當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)特別是糧食綜合生產(chǎn)能力，對(duì)促進(jìn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)和構(gòu)建和諧社會(huì)具有重大意義。

2 渠道防滲工程主要方案

渠道防滲工程形式多種多樣，不同的方案所適用的場(chǎng)景也有差別。在選擇渠道防滲工程中，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。1）選擇的渠道防滲工程應(yīng)符合當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件和工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保證工程的可行性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。2）材料選擇：根據(jù)具體情況選擇合適的防滲材料，考慮其密封性能、抗老化性能和環(huán)境適應(yīng)性等因素。3）考慮渠道防滲工程的投資成本，包括材料、施工和維護(hù)等方面，并權(quán)衡其與預(yù)期效益的關(guān)系。4）評(píng)估渠道防滲工程對(duì)周圍環(huán)境的影響，包括對(duì)土壤、地下水和生態(tài)系統(tǒng)的影響，以保護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡。5）考慮渠道防滲工程的維護(hù)需求和周期，保證工程長(zhǎng)期有效運(yùn)行并避免發(fā)生滲漏問題。選擇合適的渠道防滲工程需要綜合考慮上述因素，保證工程的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。防滲優(yōu)化方案評(píng)價(jià)體系如圖1所示。

3 渠道防滲優(yōu)化方法

模糊現(xiàn)象是沒有準(zhǔn)確的信息去描述的一種現(xiàn)象。模糊數(shù)學(xué)是一種用來處理不確定性和模糊性問題的數(shù)學(xué)工具和方法。它的核心思想是引入模糊集合和模糊邏輯，更好地描述和處理無法明確劃分為真或假、具有不確定性或模糊性的現(xiàn)象和概念。

模糊綜合評(píng)判是模糊數(shù)學(xué)的一種應(yīng)用技術(shù)，用來確定事物或方案的綜合評(píng)價(jià)。在傳統(tǒng)的綜合評(píng)判中，通?；诿鞔_的準(zhǔn)則和權(quán)重來進(jìn)行判斷和決策。然而，在現(xiàn)實(shí)生活中，很多情況下準(zhǔn)則和權(quán)重是模糊的、不確定的或主觀的。模糊綜合評(píng)判將模糊集合、模糊關(guān)系和模糊邏輯引入評(píng)價(jià)過程中，能夠更好地處理這類問題。模糊綜合評(píng)判的應(yīng)用非常廣泛，它可以用于決策支持系統(tǒng)、人工智能、控制系統(tǒng)、模式識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、工程管理等領(lǐng)域。例如，在決策支持系統(tǒng)中，模糊綜合評(píng)判可以幫助確定最佳的決策方案，考慮到各種模糊的因素和限制條件。在控制系統(tǒng)中，模糊綜合評(píng)判能夠處理模糊輸入和模糊輸出，提高系統(tǒng)對(duì)不確定性和變化的適應(yīng)性。在模式識(shí)別中，模糊綜合評(píng)判可以用于處理模糊和不完整的信息，提高識(shí)別的準(zhǔn)確性和魯棒性。總之，模糊綜合評(píng)判在許多領(lǐng)域中都能夠更好地處理不確定性和模糊性問題，做出更準(zhǔn)確和可靠的決策，步驟如下。1）定義評(píng)判準(zhǔn)則：確定評(píng)判問題的準(zhǔn)則體系，并對(duì)每個(gè)準(zhǔn)則進(jìn)行定義和量化。2）確定權(quán)重：權(quán)重值反映了各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在決策過程中的重要性。可以使用專家判斷、層次分析法等方法來確定權(quán)重。3）建立模糊評(píng)判矩陣：根據(jù)評(píng)判準(zhǔn)則和評(píng)判指標(biāo)，建立模糊評(píng)判矩陣。模糊評(píng)判矩陣的元素是模糊數(shù)，表示每個(gè)評(píng)判指標(biāo)在每個(gè)準(zhǔn)則下的模糊評(píng)價(jià)。4）模糊評(píng)判矩陣轉(zhuǎn)化：將模糊評(píng)判矩陣轉(zhuǎn)化為數(shù)值評(píng)判矩陣，可以使用模糊數(shù)的降階法、對(duì)模糊數(shù)求期望值、模糊設(shè)置法等方法進(jìn)行轉(zhuǎn)化。5）模糊綜合評(píng)判：將轉(zhuǎn)化后的數(shù)值評(píng)判矩陣進(jìn)行綜合評(píng)判，可以使用加權(quán)平均法、熵權(quán)法等方法進(jìn)行綜合。6）結(jié)果分析與決策：對(duì)綜合評(píng)判結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)評(píng)判目標(biāo)確定決策方案。7）敏感性分析：對(duì)評(píng)判準(zhǔn)則的權(quán)重進(jìn)行敏感性分析，分析權(quán)重變化對(duì)評(píng)判結(jié)果的影響。

4 渠道防滲優(yōu)化分析

4.1 確定模型評(píng)價(jià)因子

需要確定模糊綜合評(píng)判模型的評(píng)價(jià)因子。當(dāng)確定評(píng)價(jià)因子時(shí)，需要考慮渠道防滲的關(guān)鍵因素，根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的評(píng)價(jià)因子，保證評(píng)價(jià)因子能夠全面、準(zhǔn)確地反映渠道防滲的性能和效果。明確評(píng)價(jià)的對(duì)象，即灌區(qū)的渠道防滲工程。這包括對(duì)現(xiàn)有渠道的滲漏問題、地質(zhì)條件、氣候特征等進(jìn)行詳細(xì)分析?；谠u(píng)價(jià)對(duì)象的分析結(jié)果，選擇一系列能夠反映渠道防滲性能的指標(biāo)。這些指標(biāo)可能包括投資成本、使用壽命、施工方法、抗凍性、技術(shù)先進(jìn)性、適用性和維修管理等。同時(shí)，還要根據(jù)渠道防滲的具體要求和目標(biāo)來確定評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，使評(píng)價(jià)過程中各個(gè)指標(biāo)的重要性得到合理分配。主要考慮防滲效果、渠道材料投資、渠道材料使用壽命、施工方案、耐水壓性、渠道先進(jìn)性、渠道適用性7個(gè)方面作為評(píng)價(jià)因子。因此評(píng)價(jià)對(duì)象：A={a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7}={防滲效果、渠道材料投資、渠道材料使用壽命、施工方案、耐水壓性、渠道先進(jìn)性、渠道適用性}。對(duì)灌區(qū)渠道防滲段各種防滲方案進(jìn)行模糊打分，采用0～1打分法。灌區(qū)渠道防滲段各評(píng)價(jià)因子分值見表1。

4.2 確定權(quán)重值

使用層次分析法（AHP）確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。層次分析法（AHP）是一種結(jié)構(gòu)化的決策支持工具，它將復(fù)雜的決策問題分解為更小、更易于管理的部分，采用定量和定性相結(jié)合的方式，對(duì)這些部分進(jìn)行比較和排序，確定最終的決策方案。它的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)⒅饔^判斷與客觀分析相結(jié)合，使決策過程更加系統(tǒng)化和科學(xué)化。在渠道防滲優(yōu)化模式研究中，層次分析法可以幫助研究者確定不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性，為選擇最合適的防滲方案提供依據(jù)。將渠道材料的使用壽命作為基準(zhǔn)，確定其他各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值，各評(píng)價(jià)因子權(quán)重值見表2。

表2 各評(píng)價(jià)因子權(quán)重值

ai/a2 a1/a2 a2/a2 a3/a2 a4/a2 a5/a2 a6/a2 a7/a2

Ai2 4 1 1 2 1 2 3

由表2可知，Ai2={4，1，1，2，1，2，3}，不同因素的權(quán)重值具體表現(xiàn)如圖2所示。

可以看出在專家指標(biāo)評(píng)測(cè)過程中，專家對(duì)防滲效果最為看重，其次是渠道方案適用性。其他的指標(biāo)權(quán)重值大致在同一區(qū)間內(nèi)。

4.3 建立隸屬度矩陣

根據(jù)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同防滲方案下的表現(xiàn)，建立隸屬度矩陣。建立隸屬度矩陣的過程是為了在模糊綜合評(píng)價(jià)中量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，將定性的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量的數(shù)據(jù)。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，將每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象在每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)上的表現(xiàn)與設(shè)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，確定其在各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)上的隸屬度。隸屬度表示評(píng)價(jià)對(duì)象屬于某個(gè)等級(jí)的可能性。最終確定最優(yōu)指標(biāo)集=x*{0.8，.06，25，0.7，0.7，0.7，0.7}，將所有評(píng)價(jià)對(duì)象在各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)上的隸屬度整理成一個(gè)矩陣。這個(gè)矩陣的每一行代表一個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，每一列代表一個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，矩陣中的元素是對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)對(duì)象在該等級(jí)上的隸屬度。根據(jù)表1數(shù)據(jù)確定隸屬度矩陣E，如公式（1）所示。

（1）

為了保證隸屬度矩陣的一致性和可比性，對(duì)矩陣E進(jìn)行歸一化處理得到矩陣E1，如公式（2）所示。

（2）

利用灰色理論中的灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，計(jì)算各防滲方案與最優(yōu)方案之間的關(guān)聯(lián)度。代入公式（3），計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。

（3）

式中：minjmini|x*（i）-x（i）|為x（i）與x*（i）最小絕對(duì)值之差；maxjmaxi|x*（i）-x（i）|為x*（i）與x（i）最大絕對(duì)值之差。一般ρ=0.5。最終確定關(guān)系矩陣R如公式（4）所示。

（4）

4.4 計(jì)算優(yōu)化模式結(jié)果

將權(quán)重值與隸屬度矩陣相結(jié)合，通過模糊綜合評(píng)價(jià)公式計(jì)算各防滲方案的綜合評(píng)價(jià)值。這個(gè)步驟可以量化所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合效果，為最終的決策提供依據(jù)。用權(quán)重值乘以關(guān)系矩陣得到最終的模糊綜合評(píng)判值B，如公式（5）所示。

（5）

最終根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，選擇關(guān)聯(lián)度最高、綜合評(píng)價(jià)值最優(yōu)的防滲方案，將其作為灌區(qū)渠道防滲的優(yōu)化模式。根據(jù)模糊綜合評(píng)判的結(jié)果可知，對(duì)灌區(qū)渠道防滲段來說，最差的防滲方案是砌石漿砌形式，最好的防滲方案是采用一側(cè)有擋土板形式，其次是埋鋪膜料形式。

本文公式主要用于描述模糊綜合評(píng)判的過程、權(quán)重值計(jì)算以及灰色關(guān)聯(lián)度分析。這些公式相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成一個(gè)完整的決策支持系統(tǒng)。確定權(quán)重值的公式可以保證評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性，而模糊綜合評(píng)判的公式（隸屬函數(shù)和模糊合成規(guī)則）則用于綜合這些權(quán)重值，得出最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，用這些公式和方法研究灌區(qū)的渠道防滲優(yōu)化。通過建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定權(quán)重值，應(yīng)用模糊綜合評(píng)判，研究者能夠評(píng)估不同防滲材料和技術(shù)方案的性能，從而為實(shí)際工程提供科學(xué)合理的決策依據(jù)。

5 結(jié)論

本文對(duì)即墨區(qū)岔河灌區(qū)渠道防滲優(yōu)化進(jìn)行研究分析，首先，該研究簡(jiǎn)單介紹了該灌區(qū)的工程概況，對(duì)目前主要使用的渠道防滲方案進(jìn)行總結(jié)，其次，通過模糊綜合評(píng)判模型對(duì)該灌區(qū)渠道防滲方式進(jìn)行優(yōu)化研究，最后，得出以下結(jié)論。1）不同的評(píng)價(jià)因子指標(biāo)會(huì)影響最終模糊評(píng)判模型的結(jié)果，對(duì)不同的實(shí)際工程的渠道防滲段來說，考察的評(píng)價(jià)因子不同，因此計(jì)算的優(yōu)化模式結(jié)果也不同。2）根據(jù)最終灌區(qū)防滲渠道的模糊綜合評(píng)判模型結(jié)果可知，對(duì)該工程渠道防滲段來說，最優(yōu)的防滲方案是采用一側(cè)有擋土板形式，最差的方案是砌石漿砌形式。

參考文獻(xiàn)

[1]張夢(mèng)嬌. 華北平原區(qū)防滲渠道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].天津：天津農(nóng)學(xué)院，2020.

[2]徐淑琴，王麗學(xué)，宋軍.寒區(qū)渠道防滲工程優(yōu)化模式研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2004（4）：67-70.

[3]趙多明.高寒區(qū)渠道新舊防滲體連接材料的優(yōu)化選擇[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2022（14）：186-188.

[4]鄧升，邵光成，卜昊，等.蘇北平原區(qū)渠道防滲工程評(píng)價(jià)和方案優(yōu)選方法[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，32（3）：225-230.

[5]喬永梅，趙健.灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].江蘇建材，2022（5）：33-34，61.

[6]王俊發(fā). 渠道塑膜防滲理論與機(jī)械化鋪膜的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006.