李鐵峰

(遼寧省康平縣自然資源保護與行政執(zhí)法中心，遼寧 康平 110500)

0 引 言

在保護沿河居民安全、滿足農(nóng)業(yè)灌溉用水和防洪安全等方面堤防發(fā)揮著重要作用，是組成水利防洪體系的重要部分。調(diào)查顯示，廣泛分布于各個地區(qū)的堤防工程保護著全國約1/3的耕地和1/2的人口，我國已建各類堤防總長度約25萬km。一旦發(fā)生潰壩、漫壩等洪澇災害將造成嚴重的后果和巨大的損失，據(jù)此系統(tǒng)客觀分析堤防安全狀態(tài)和風險水平，可為充分發(fā)揮工程綜合效益和確保堤防工程安全提供重要保障[1-2]。

綜合分析堤段的防洪能力為綜合評價的實質(zhì)，結(jié)合堤防安全隱患監(jiān)測、防滲穩(wěn)定性分析、局部結(jié)構(gòu)力學計算和相關(guān)數(shù)據(jù)等處理反映工程所處的狀態(tài)，而當前尚未形成統(tǒng)一、完善的理論體系和方法。為更加客觀的反映堤防狀態(tài)諸多學者建立了一系列模型，如熵權(quán)耦合的分層法[3]、隨機集法[4]、灰色理論法[5]和AHP法[6]等分析法，運用上述方法評價堤防安全水平時在一定程度上受人為主觀判斷的影響，且通常未考慮參評因子較多時不同因子間的相互關(guān)系，在理論上缺乏嚴謹性且無法體現(xiàn)各要素的連續(xù)變化特征。據(jù)此，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡和突變理論相耦合，在建立多因子評價體系的基礎(chǔ)上提出評價模型，以遼河干流康平縣段堤防工程為實例驗證了模型的適用性和可靠性。

1 堤防安全評價體系

堤防安全評價涉及到的范圍廣、因素多，且不同要素間往往存在復雜的關(guān)系，例如管涌、頂沖、流土、滲水、洪水超標及工程防護設施缺乏等均可作為誘發(fā)堤防險情的因素。針對經(jīng)濟社會發(fā)展程度較為接近的區(qū)域，堤防失事引起的洪澇災害規(guī)模和造成的經(jīng)濟損失具有一定的對應關(guān)系；不同地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平、人口密度和背景條件等一般不同，兩者之間不具備線性關(guān)系。

統(tǒng)籌各要素間的相互關(guān)系和各類結(jié)構(gòu)特征選擇密切相關(guān)的參評因子，從內(nèi)部因素和外界環(huán)境的角度將其歸納為3大子系統(tǒng)，具體為：①致災因子：誘發(fā)堤防險情的因素，堤防漫決、沖決、潰決等破壞形式以及工程特性、局部荷載和其它條件等要素；②險情形成條件，即構(gòu)成的孕災環(huán)境；③技術(shù)條件、堤防險情等對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和生產(chǎn)生活等要素，以此作為承災體。

借鑒災害學和系統(tǒng)論相關(guān)文獻資料，較為系統(tǒng)的描述承災體、孕災環(huán)境和致災因子間的相互關(guān)系。其中，依據(jù)堤防工程屬性、地質(zhì)特征將孕災環(huán)境和致災因子大致分為堤基、堤身等自身條件要素以及來水、河勢、地形等自然要素。承災體要兼顧經(jīng)濟發(fā)展、搶險能力和條件等要素，將多種自然因素和結(jié)構(gòu)自身特性相結(jié)合構(gòu)建綜合評價體系。

2 綜合評價模型

堤防險情的發(fā)生在很大程度上取決于洪水聚集狀態(tài)和水利設施的損害現(xiàn)狀，在各類不利要素積累至一定水平時將破壞堤防工程。堤防工程涉及到的范圍廣、內(nèi)容多，且各類要素的表現(xiàn)形式多種多樣，這也是導致各要素之間的因果層次關(guān)系在堤防安全評價系統(tǒng)內(nèi)不夠明確。因此，文章將BP神經(jīng)網(wǎng)絡與突變理論相耦合提出綜合評價模型。

2.1 突變評價法

根據(jù)穩(wěn)定性分析和奇點理論Rene Thom等最先給出了突變理論，之后Amold、Zeeman等做了進一步的深入研究[7]。根據(jù)拓撲學和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性特征，在突變過程中利用勢函數(shù)分析交叉集和突變流形，由此更加客觀的判定系統(tǒng)所屬狀態(tài)，對于事物連續(xù)性中斷變質(zhì)過程的預測、描述以及解釋非連續(xù)變化現(xiàn)象存在較強適用性。突變理論以描述變量與系統(tǒng)之間的函數(shù)關(guān)系、位置狀態(tài)為主要內(nèi)容，通常利用勢函數(shù)表征變量狀況。當前，最為常用的蝴蝶、燕尾和尖點突變模型分歧方程，詳見表1。

表1 分歧方程與勢函數(shù)

不同的分歧集形狀為各突變模型的典型特征，變量x的勢函數(shù)通常表示為f(x)，對于狀態(tài)變量的控制程度選用系數(shù)a、b、c、d來描述，如圖1。

考慮到三維相位空間的勢函數(shù)突變模型，可以選用曲面M作為其臨界點集，即f(x)′=0；將勢函數(shù)的二階導數(shù)利用微分法求解，從而使得奇點集S有f(x)″=0。若滿足條件f(x)′=0、f(x)″=0，則通過方程組的聯(lián)立即可獲取相應的分歧方程和控制變量。依據(jù)分歧集方程和系統(tǒng)發(fā)生突變的條件，評價系統(tǒng)在控制變量符合分歧集的情況下將出現(xiàn)突變。該條件下還無法直接做出決策判斷，因此要應用數(shù)學方程進行歸一化處理，從而使得各變量x的單位和量綱保持統(tǒng)一，最終的堤防安全等級按照隸屬度所處的狀態(tài)來描述。

圖1 突變模型示意圖

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡法

1986年Williams等[8]學者提出的多層次前饋性評價方法具有運算效率高、適用限度寬和自學習能力強等特點，按照從上到下的順序可將網(wǎng)絡系統(tǒng)分為輸入、隱含、輸出3個層次。不同層級之間的連接方式設定為全連接，通過對權(quán)值的調(diào)整實現(xiàn)連接程度的控制，同一層級不同神經(jīng)元間不存在連接關(guān)系。BP網(wǎng)絡的輸入層為信息數(shù)據(jù)的接受層，依據(jù)各層次之間的變換處理實現(xiàn)最終的判別決策。經(jīng)一系列的非線性變換和處理，信號Xi達到輸出節(jié)點并產(chǎn)生相應的信號Yk，其中非線性Sigmoid激活函數(shù)為正向傳遞過程中輸出與隱含層節(jié)點的轉(zhuǎn)換方法，其數(shù)學式為：

f(x)=1/(1+e-x)

(1)

經(jīng)樣本學習和記憶訓練反映系統(tǒng)內(nèi)部各要素間的復雜關(guān)系，樣本訓練的最終目的是實現(xiàn)輸入量X與期望值Y*的誤差最小，通常采用梯度下降法調(diào)整各變量權(quán)值，為減少二者之間的偏差往往需要進行多次訓練，設定輸出誤差達到最小為停止訓練的判別條件。二者之間的誤差關(guān)系利用誤差模型確定，其均方誤差計算式為：

(2)

訓練好的網(wǎng)絡可以實現(xiàn)類似樣本信息的自行處理，且輸出結(jié)果的誤差值達到最小。簡而言之，選取歸一化處理的參評因子初始數(shù)據(jù)和堤防安全評價等級為BP網(wǎng)絡的輸入與輸出。若達到預先設定的精度要求則訓練成功，訓練后的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以用于堤防工程安全評價，最終的評判結(jié)果即為模型的輸出值。

2.3 突變理論耦合BP神經(jīng)網(wǎng)絡綜合評價法

突變理論一般適用于內(nèi)部關(guān)系不確定的系統(tǒng)及不連續(xù)問題的直接處理，而對于不同參數(shù)間相對重要度該方法不能完全體現(xiàn)。BP網(wǎng)絡因存在良好的容錯性與發(fā)展性，為保證堤防安全評價準確性將突變理論評價值利用神經(jīng)網(wǎng)絡模擬分析，從而替代突變理論中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析和歸一化處理過程。將突變評價結(jié)果利用網(wǎng)絡輸出數(shù)據(jù)加以修正，可降低人為和主觀因素的影響，充分考慮不同參評要素間的相互關(guān)系，同時提高BP網(wǎng)絡的魯棒性和計算結(jié)果精準度，運用已訓練好的模型綜合評價堤防安全狀態(tài)具有速度快、精度高等優(yōu)點。采用已建立的指標體系和歸一化公式處理各參評指標的初始數(shù)據(jù)，然后運用突變模型遵循自下而上的原則賦予相應的評價值，以突變評價值作為學習樣本輸入網(wǎng)絡系統(tǒng)，經(jīng)一系列的非線性轉(zhuǎn)換運算輸出堤防安全評價值，該過程內(nèi)部關(guān)系合理、人為干擾小、容錯性和發(fā)展性良好，其詳細步驟如下：

步驟一：結(jié)合堤防風險特征構(gòu)造綜合評價體系。依據(jù)現(xiàn)有文獻資料，從多個子系統(tǒng)選擇堤防安全評價因子，從而構(gòu)建堤防安全評價多層次評價體系。

步驟二：初始數(shù)據(jù)的歸一化處理。采用歸一公式處理各參評因子初始數(shù)據(jù)，考慮不同維數(shù)確定合適的突變模型，選擇尖點突變、燕尾突變、蝴蝶突變模型處理維數(shù)作為2、3、4的控制變量，考慮初始數(shù)據(jù)特征選取合適的模型。

步驟三：堤防安全綜合評價。根據(jù)各參評因子的初始數(shù)據(jù)，設定BP模型學習和輸入樣本為突變理論獲取的堤防安全評價值及歸一化的底層指標值。采用合適的方法確定隱層數(shù)，經(jīng)多次調(diào)整完成網(wǎng)絡的訓練和學習并使得誤差值達到最小，堤防安全狀態(tài)為模型的實際輸出。

3 實證分析

3.1 項目區(qū)概況

遼河干流康平縣險工治理工程位于福德店-通江口河段，原西遼河建成紅山水庫后來沙減少，河道轉(zhuǎn)為偏沖。河道順直段與彎曲段平面形態(tài)交替出現(xiàn)，邊灘犬牙交錯狀分布于河床中，河道平均寬度150m，寬深比2.5-10.9之間，彎曲系數(shù)處于1.56-1.58范圍，平均河床比降為0.21‰，屬蜿蜒型河道。二元松散的河岸結(jié)構(gòu)，坍岸和受沖刷問題突出。研究區(qū)地形由北西向南東逐漸變低，山脈呈北東向展布，地貌單元包括侵蝕剝蝕低山丘陵、沖積堆積一級階地和河漫灘，低山丘陵區(qū)地形起伏較大，沖溝發(fā)育，切割強烈，基巖裸露。2013年8月，遼河干流發(fā)生較大洪水，老山頭和九間房兩處險工均發(fā)生大面積兌岸嚴重等險情，結(jié)合實地調(diào)查結(jié)果和險工實際情況存在擬采取防護加固設計措施，治理長度850m，其中老山頭險工平順護岸300m，九間房險工平順護岸463.15m及新建4座丁壩。因此，綜合評價險工段堤防安全狀態(tài)，可為提前制定避災和搶險救災轉(zhuǎn)移路線及重點監(jiān)控危險堤段提供決策依據(jù)，為保護沿河居民安全和減少堤防破壞災害損失提供重要保障[9-13]。

3.2 構(gòu)建評價體系

根據(jù)災害學和系統(tǒng)論等相關(guān)理論，考慮各要素間的矛盾關(guān)系和堤防工程特性，歸納和整理了要素層的危險因子，從多個方面選取24項典型評價因子，遵循層次性、結(jié)構(gòu)性和系統(tǒng)性等原則構(gòu)建綜合評價體系如表2。其中，B1-B3為致災因子、孕災環(huán)境、承災體；C1-C9依次為地形、洪水、河道、堤身、地基、護坡、歷史災情、社會經(jīng)濟和搶險救災要素；D1、D2為臨河地形、背河地形；D3-D5為洪水水位、洪水歷史、洪水漲幅；D6-D8為河道游蕩性、臨河區(qū)寬度、主流頂沖；D9-D12為主流頂沖、斷面結(jié)構(gòu)、堤形材料、施工質(zhì)量、堤身隱患；D13-D14為堤基結(jié)構(gòu)、防滲措施；D15-D16為護坡方式、護坡坡度；D17-D18為出險次數(shù)、破壞程度；D19-D21為人口因素、面積因素、生產(chǎn)總值；D22-D24為財產(chǎn)分布、搶險條件、道路因素。

3.3 確定評價指標值

堤防安全評價按照從局部到整體的次序分析，結(jié)合洪水特征、護坡與地質(zhì)條件、河流走勢、出險歷史和堤基結(jié)構(gòu)等情況劃分評價單元。根據(jù)出險歷史和勘察資料將研究堤段劃分為6個評價單元，然后利用直線型方法標準化處理表1中的洪水水位、漲幅和歷史等定量數(shù)據(jù)；將定性指標邀請20位專家給予描述，在0-1范圍內(nèi)對各定性風險指標按照專家經(jīng)驗、知識及其對堤防安全的貢獻率評分，各參數(shù)內(nèi)容如表1。然后采用歸一公式和中間評分法對定性指標處理，由此確定各堤段的參評因子值見表3。

表2 堤防安全綜合評價體系

表3 遼河干流康平縣典型堤段各的參數(shù)標準值

3.4 堤防安全評價

圖2 堤防安全評價值與參評因子隸屬度關(guān)系

當前，由于還沒有形成普遍適用的堤防安全評價標準，而現(xiàn)有研究對水庫大壩的相關(guān)研究較多。因此，結(jié)合相關(guān)研究資料和堤防工程運行狀況，將評價等級分為0.0-0.50、0.50-0.75、0.75-1.00四個區(qū)間，對應與安全、基本安全、危險評價等級，且評價值越大則危險程度越高。危險評價等級指汛期堤防工程發(fā)生災害的概率較大，工程設施存在缺陷；基本安全指汛期堤防工程存在發(fā)生險情的概率，但各項監(jiān)測數(shù)據(jù)未超過標準要求；安全等級指堤防工程經(jīng)簡單的檢修和維護后可以滿足設計要求，設計洪水下可以正常運行。

3.5 結(jié)果分析

根據(jù)研究堤段的歷史出險次數(shù)和相關(guān)勘測資料，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡與突變理論相耦合的模型綜合評價選取的6個典型堤段的安全等級。運用相同的參評因子、原始數(shù)據(jù)及主成分析法和層次分析法，對比分析其評價結(jié)果以驗證模型的適用性與可靠性，結(jié)果如圖3。從圖3可知，采用主成分法、層次分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡耦合突變理論的綜合模型得到的堤防安全評價值為0.64-0.69、0.65-0.70、0.66-0.71之間，以上評價方法的輸出結(jié)果基本相同，參評的6個典型河段均達到基本安全等級，按照從劣到優(yōu)的次序排列為堤段1<堤段3<堤段2<堤段5<堤段4<堤段6。根據(jù)相關(guān)勘測資料和實地考察結(jié)果，該評價結(jié)果與各河段險工狀況保持較高一致性，表明在堤防安全評價方面該模型具有較高可行性和可靠性。

圖3 堤防安全評價結(jié)果

4 結(jié) 論

區(qū)域經(jīng)濟持續(xù)及沿河居民安全與堤防工程安全狀態(tài)密切相關(guān)，堤防安全評價涉及到的因素較多，且不同因素間存在較為復雜的關(guān)聯(lián)性，現(xiàn)有研究涉及其安全評價的相對較少。

1) 根據(jù)風險論和系統(tǒng)論相關(guān)研究資料，從承災體、孕災體及致災因子3個子系統(tǒng)歸納總結(jié)了堤防安全評價因子，從而構(gòu)造包含24項定性與定性指標的半結(jié)構(gòu)性多目標多層次評價體系。

2) 采用完成訓練的BP網(wǎng)絡能夠較為準確的描述系統(tǒng)內(nèi)部的復雜關(guān)系，其中訓練樣本選取為突變評價值，由此構(gòu)建BP網(wǎng)絡與突變理論相耦合的模型。

3) 選取遼河干流康平縣險工治理工程中6個代表性河段為實例，驗證了該模型的精準度和可行性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡與突變理論耦合的模型具有準確度高、運算速度快和魯棒性強等特點，可以客觀、準確的描述復雜事物的內(nèi)在關(guān)系，在堤防安全評價方面具有良好可行性和適用性。