梁德帥

(莊河市水利建筑勘測設計院，遼寧 莊河 116400)

0 引 言

堤防工程是保障社會發(fā)展和國家經濟的生命線，在保護河道生態(tài)環(huán)境、保障人民財產安全和抵御洪水災害等方面發(fā)揮著不可替代的作用。然而，堤防工程因受外界環(huán)境條件、堤基、堤身等條件限制，一旦發(fā)生潰堤、漫堤等災害將直接導致巨大的經濟損失和嚴重的后果。因此對防洪堤災害風險、安全狀況的科學評價，對于保證水利設施效應的正常發(fā)揮和河道防洪安全具有重要意義。目前，在堤防安全評價方面國內外諸多學者從多個方面開展了研究分析，依據(jù)當?shù)鼐唧w情況和堤防自身特點構建了相應的評判體系。關于堤防安全評價國內主要借鑒大壩安全評價的方法，按照安全評價的適用范圍、目的和要求選擇合適的評價方法，較為常用的有綜合法、檢查表法、評分法、概率法和危險指標法等。然而，由于不同歷史條件下形成的堤防工程，存在影響因素多、情況復雜、堤線較長、分布范圍廣以及全線監(jiān)測難度大等特點，全面掌握整個堤線的運行狀況并給出科學的評判往往存在較大的困難。當前還未形成較為科學、統(tǒng)一的評價方法和理論體系，可供查閱的文獻資料和行業(yè)技術規(guī)范也較少[1-4]。

由于特殊的地理位置和氣候條件，莊河市英那河堤防工程在長期的灘涂圍墾和暴潮影響下，其堤身結構、荷載因素等均存在一定的特殊性。文章結合堤防工程建設相關資料、堤防毀壞和現(xiàn)狀情況，從內部和外部兩個方面選擇堤防安全影響因子，從而構建多層次綜合評判體系，并對評價指標權重運用耦合了熵權和改進的FAHP法計算，結合堤防運行實際情況和專家評分結果確定各參數(shù)值，最終對該堤段的防洪安全作出客觀、科學的評價[5-6]。

1 堤防工程風險因子

堤防工程安全評價應充分考慮當?shù)亟洕鐣l(fā)展對堤防安全運行的影響，結合堤防所在河段的河道演變情況、堤防建成后的洪水情勢變化和原設計洪水位等條件，依據(jù)現(xiàn)行有關標準對堤防現(xiàn)狀防洪能力作出準確判斷[7]。因此，文章結合工程實踐經驗和堤防工程相關資料，針對英那河堤岸破壞特點擬定風險因子。

在歸納分析堤防失事模式的基礎上，從內部和外部因素兩個層面統(tǒng)計風險因子，其中內部因素主要有施工質量、保灘護堤和護坡、堤基特性以及堤身特性，而其他因子和荷載特性為影響堤防安全的外部因子[8]。依據(jù)堤防工程特點和層次網(wǎng)絡結構體系，通過分析確定各類風險因子建立多因子、多層次評判體系，如表1所示。

表1 堤防安全綜合評判體系

2 堤防安全評價中改進的模糊數(shù)學法的應用

客觀權重法和主觀權重法為多目標、多層次評價體系權重計算的主要方法，其中主觀法是結合實踐經驗和知識偏好確定各參數(shù)的貢獻率，如乘積標度法、AHP法和專家咨詢法等，在實際應用時這些方法的透明性和再現(xiàn)性較差；客觀賦權法主要是依據(jù)各指標的客觀數(shù)據(jù)和有效信息含量賦予相應權值，如BP網(wǎng)絡法、投影尋蹤法、因子分析法、熵值法等，這些方法能夠有效避免人為因素的干擾，但其解釋性較差。為有效解決主觀隨意性和單一方法解釋性較差的問題，文章通過對熵權法、FAHP法的集成運算確定各指標的綜合權重，進一步評價分析影響堤防安全的關鍵性因子及其貢獻率。

2.1 FAHP-熵組合法確定權重

因具有迭代速度快、形式簡單等優(yōu)點模糊層次分析FAHP法被廣泛適用于多目標、多因素的決策分析，該方法能夠有效解決傳統(tǒng)的AHP法存在的透明性和再現(xiàn)性較差的問題。文章對評價指標的主觀權重考慮選用模糊層次分析法計算，依據(jù)0.1-0.9標度法確定判斷矩陣F={fij}n×n的元素，見表2。

表2 0.1-0.9數(shù)量標度

熵權是描述系統(tǒng)離散化程度的重要參數(shù)，在堤防安全評價中信息熵的大小代表了指標包含有效信息量的多少。根據(jù)信息論基本原理，指標包含的有效信息量和信息熵的大小呈正相關性，即信息量越大則該參數(shù)提供的有效信息越大，在評價過程中其重要性程度越高，因此賦予的權值就越大；反之，信息量越低則樣本提供的信息越少，在評價過程中該樣本的重要程度越低，由此確定的權值就越小。熵權法能夠有效避免人為因素的干擾，更能反映評價對象的實際狀況。

設W0=[w01，w02，…，won]T、Ws=[ws1，ws2，…，wsn]T分別為熵權法和改進的FAHP法確定的指標權重，為了盡可能的降低熵權法和FAHP法耦合確定的權重偏差，根據(jù)最小信息熵原理建立如下函數(shù)，其表達式為：

(1)

對堤防安全各指標主、客觀組合權重利用拉格朗日乘法算子進行計算，由此確定最終的組合權重如下：

(2)

2.2 安全評價等級

我國地域面積較大且不同地區(qū)的堤防標準存在較大差異，自1997年長江大水后國家對堤防工程建設出臺了相應的設計規(guī)范，而在此以前各地區(qū)均依據(jù)當?shù)貥藴蔬M行水利建設，不同地區(qū)的堤防安全標準并不相同。因此，堤防安全等級要考慮堤防保護范圍內的防洪標準、當?shù)胤篮橹卫戆l(fā)展規(guī)劃以及流域范圍內的防洪要求等內容綜合確定，依據(jù)防洪標準中的相關規(guī)定和堤防安全評價導則確定安全評價等級。文章借鑒相關資料和堤防運行實際狀況，結合水庫大壩安全評價標準將堤防安全劃分為危險、輕度危險、安全較好、安全性好4個等級，見表3。

表3 堤防安全評價等級

2.3 堤防安全綜合評價

依據(jù)現(xiàn)場檢查情況和專家評分法對堤防安全各指標進行評分，從而確定相應的參數(shù)值Li，同時利用組合權重計算法確定綜合權重，按照下式計算確定堤防安全評價值S，即：

S=∑ni=1LiZi

(3)

式中：Zi、Li分別為堤防安全評價指標權重及其評價值。

3 實例應用

莊河市位于遼寧省南部，地理坐標為E122°29′-123°31′，N39°25′-40°12′，總面積4113.6km2，屬于我國重要的淡水魚養(yǎng)殖和商品糧生產基地。市轄區(qū)為溫暖帶季風氣候，四季特征為冬冷干燥少雪、秋高氣爽、夏季多雨炎熱、春季多風少雨，年均氣溫7.5℃，年降水量680mm。歷史資料顯示，莊河市英那河段曾多次發(fā)生洪澇險情，堤防防洪能力經多次除險加固處理得到一定提升，以該河段堤防工程為例運用文中所述方法進行綜合評價[9]。

根據(jù)堤防工程監(jiān)測分析和現(xiàn)場調查結果，對各風險因子利用專家評分法賦值，見表4。

表4 基于專家評分法的堤防安全指標值

3.1 風險因子權重計算

堤防安全評價判斷矩陣的建立依據(jù)為多目標、多層次評判體系中各因子之間的相對貢獻率，結果如下：

根據(jù)文中綜合權重計算公式最終確定堤防安全各指標權重為：A-B:(0.720,0.280)T，B1-C:(0.316,0.280,0.242,0.162)T，B2-C:(0.630,0.370)T，C1-E:(0.312,0.217,0.266,0.205)T，C2-E:(0.245,0.446,0.308)T，C3-E:(0.195,0.447,0.358)T，C4-E:(0.566,0.434)T，C5-E:(0.472,0.528)T，C5-E:(0.405,0.321,0.274)T。

3.2 結果分析

根據(jù)組合權重計算公式和確定的各層次指標權重，最終可確定堤防安全各風險因子的綜合權重，然后對各風險因子依據(jù)現(xiàn)場調查結果和專家打分法進行賦值如表5所示，最終得到該堤防工程的綜合評分為85.568。

表5 莊河市英那河堤防安全綜合評價值

根據(jù)以上評價結果和防洪安全等級劃分標準，莊河市堤防工程處于安全性較高水平。根據(jù)各風險因子評價值可以看出，對堤防工程安全性影響較大的因子有堤頂高程、保灘護堤、水位、風暴潮、滲控措施等，另外堤防安全還與堤基處理、生態(tài)防護、施工質量等因素相關。

4 結 論

由于特殊的地理位置和氣候條件，莊河市英那河堤防工程在長期的灘涂圍墾和暴潮影響下，其堤身結構、荷載因素等均存在一定的特殊性。文章以該河段堤防為例，結合工程實踐經驗和現(xiàn)場調查結果，基于多層次框架結構構造了堤防安全綜合評價體系，并對各風險因子的綜合權重利用熵權與FAHP相結合的方法計算確定，科學評價了堤防運行的狀況，主要結論如下：

1)綜合考慮主、客觀權重的組合方法可提高權重計算的合理性和可靠性，能夠更加客觀的反映專家意愿和各參數(shù)信息的實際情況，該堤防工程處于安全性較高水平

2)結合堤防保護范圍內的防洪標準、當?shù)胤篮橹卫戆l(fā)展規(guī)劃以及流域范圍內的防洪要求等內容，依據(jù)防洪標準中的相關規(guī)定和堤防安全評價導則確定堤防安全評價等級，然后對各項指標值依據(jù)專家評分法依據(jù)工程實際狀況賦分，將堤防安全運行情況利用綜合評價值來反映，同時較為客觀、準確的確定了影響堤防安全的因素，可為河道防洪體系建設與治理規(guī)劃提供一定指導。