張 平

(昌圖縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鐵嶺 112599)

防洪工程對保障沿河居民生命財產(chǎn)安全和抵御洪水等自然災(zāi)害方面發(fā)揮著重要作用，屬國家社會與經(jīng)濟發(fā)展的生命線。受各類外界環(huán)境、堤基和堤身等條件影響，防洪工程若發(fā)生潰堤、漫堤等災(zāi)害將給國家產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失。因此，評價和分析工程潛在或固有的災(zāi)害程度及其危險，為確保防洪工程安全和各項水利設(shè)施效應(yīng)的重要依據(jù)。當(dāng)前，對于防洪工程安全評價國內(nèi)外學(xué)者運用多種方法做了大量工作，并以荷蘭和日本為代表，結(jié)合工程自身特征和當(dāng)?shù)厣鐣l件構(gòu)建了適用于當(dāng)?shù)氐陌踩u估體系。防洪工程廣泛分布于我國各個地區(qū)，因不同區(qū)域的自然條件、環(huán)境氣候和工程特征存在較大差異，尚未形成科學(xué)、完整的防洪安全評價體系，且調(diào)查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和方法也比較缺乏。目前，對于防洪工程的安全評價主要借鑒大壩安全評價法，將定量因子與定性指標(biāo)相結(jié)合構(gòu)建綜合評價體系[1-3]。

現(xiàn)有研究一般側(cè)重于內(nèi)河堤防工程的安全分析，對于遼河昌圖縣河段河道防洪工程而言，由于其特殊的氣候條件和地理位置，該河道長期受到灘涂圍墾和風(fēng)暴潮的影響，堤身結(jié)構(gòu)和所受荷載較其它防洪工程存在較大差異。文章通過收集防洪工程安全相關(guān)基本資料和遼河昌圖縣段重要河道損壞情況、歷史洪水及運行現(xiàn)狀，按照外部和內(nèi)部兩大類型準(zhǔn)確識別了風(fēng)險因素，選擇水位值、保攤護(hù)提、滲控措施、堤頂高程等指標(biāo)構(gòu)建防洪安全綜合評價體系，各項指標(biāo)權(quán)重利用熵權(quán)法和改進(jìn)模糊層次法(FAHP)法求解，依據(jù)專家評分值和工程現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)確定安全評價值，最終客觀科學(xué)的評價了該河段防洪工程運行狀態(tài)[4-6]。

1 防洪工程風(fēng)險因子

通過對防洪工程案例的總結(jié)分析和廣泛調(diào)研，結(jié)合遼河昌圖縣河段的堤岸損壞特征識別各類風(fēng)險因子。將防洪工程風(fēng)險因子按照各種失事模式下的作用特征劃分為外部、內(nèi)部兩大類型。其中，外部因素包括防洪工程荷載特性及其它要素；內(nèi)部因素包括施工質(zhì)量、護(hù)坡、保攤護(hù)堤、堤基和堤身特性。根據(jù)梯階層次框架模型和識別的各類風(fēng)險要素，按照一定的原則構(gòu)建多要素多層次防洪工程安全評價體系，圖1為構(gòu)造的防洪安全評價模型。

2 改進(jìn)模糊綜合法的應(yīng)用

目前，主觀和客觀權(quán)重法為確定多目標(biāo)多層次評價體系各因子權(quán)重的兩類常用的方法，其中主觀權(quán)重法為依據(jù)決策者知識偏好和實踐經(jīng)驗賦予權(quán)值的方法，如AHP法、乘積標(biāo)度法和專家咨詢法等；客觀權(quán)重法為考慮各參評要素客觀信息和有效數(shù)據(jù)賦予權(quán)重的方法，如熵權(quán)法、投影尋蹤法、BP網(wǎng)絡(luò)法、因子分析法等。為解決單一方法解釋性差及主觀隨意性強的問題，考慮對防洪工程風(fēng)險因子權(quán)重利用熵權(quán)法和改進(jìn)的模糊層次分析法確定，從而保證評價結(jié)果的系統(tǒng)性和科學(xué)性。多目標(biāo)多層次防洪工程安全評價模型，見圖1。

圖1 多目標(biāo)多層次防洪工程安全評價模型

2.1 評價指標(biāo)組合權(quán)重

改進(jìn)的模糊層次分析法具備迭代速度快、形式簡單、適用性強等特點，可有效解決傳統(tǒng)AHP法存在的主觀隨意性問題。運用0.1-0.9標(biāo)度法確定優(yōu)先判斷矩陣F={fij}n×n中的元素，改進(jìn)FAHP法的標(biāo)度準(zhǔn)則見表1。

表1 優(yōu)先判斷矩陣標(biāo)度準(zhǔn)則表1 0.1-0.9數(shù)量標(biāo)度

熵權(quán)是反映系統(tǒng)離散化程度的重要參數(shù)，防洪安全評價中信息熵代表了參評要素所包含有效信息量的。評價指標(biāo)權(quán)重利用熵權(quán)法求解時，參評因子信息熵值越小則其提供的有效信息量越大，所以賦予的權(quán)值就越高；反之，信息熵越大則其攜帶的有效信息量越小，評價過程中其重要性就越低。采用該方法確定因子權(quán)重時，可有效避免主觀因素的干擾，從而更加客觀、準(zhǔn)確的反映待評對象的真實情況。

設(shè)熵權(quán)法和改進(jìn)的模糊AHP法求解的n個防洪安全評價指標(biāo)賦予的權(quán)重為Wo=[wo1，wo2，…，won]T、Ws=[ws1，ws2，…，wsn]T。為最大限度的減少改進(jìn)組合賦權(quán)法和模糊AHP法確定的權(quán)重偏差，考慮選用最小信息熵原理構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式為：

(1)

運用拉格朗日乘法算子綜合計算各評價因子主、客觀權(quán)重，從而獲取防洪安全各評價因子組合權(quán)重，即：

2.2 防洪安全評價指標(biāo)集

借鑒堤防工程安全評價導(dǎo)則選取防洪工程安全評價因子，結(jié)合防洪工程實際情況和大壩安全評價標(biāo)準(zhǔn)，將防洪安全等級劃分為危險、輕度危險、安全較好、安全性好4個等級，詳見表2。

表2 堤防安全評價等級

2.3 防洪工程安全評價

根據(jù)防洪工程實際運行情況和專家評分法，賦予各參評因子具體的數(shù)值，防洪安全評價各因子評價值為Li，同時利用文中所述組合權(quán)重計算公式獲取最終的權(quán)重值。因此，可采用下式確定防洪安全綜合評價值S，表達(dá)式為：

(3)

式中：S為河道防洪工程安全評價值；Zi、Li為防洪安全評價中各項指標(biāo)的權(quán)重及其評價值。

3 案例分析

東遼河發(fā)源于遼源市哈達(dá)山脈的小寒蔥頂子峰，流經(jīng)遼寧省昌圖縣、康平縣、內(nèi)蒙古自治區(qū)后于福德店與西遼河匯流。東遼河昌圖縣河段全長92.82km，流域面積471.4km2，堤防長度72.71km，流經(jīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)均為河流左岸，河流起點為三江口鎮(zhèn)大力村王二莫屯，途徑三江口鎮(zhèn)、古于鎮(zhèn)、七家子鎮(zhèn)，至終點長發(fā)鎮(zhèn)王子村福德店。調(diào)查顯示，昌圖縣河段為東遼河下游劇烈演變河段之一，歷史上洪澇災(zāi)害和崩岸事件頻繁發(fā)生，對兩岸居民正常的生產(chǎn)生活和下游國民經(jīng)濟建設(shè)產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。2018年，遼寧省水利部門將遼河昌圖縣河段作為重點治理區(qū)，通過采取一系列治理措施有效控制了河流走勢，對當(dāng)?shù)亟煌ê竭\、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水、保障兩岸及灘區(qū)防洪安全等產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的社會影響和積極的意義[7-9]。

由于不同歷史條件下形成的防洪工程，存在影響因素多、情況復(fù)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(xué)的評判往往存在較大的困難。因此，文章結(jié)合遼河昌圖縣河段防洪工程現(xiàn)場監(jiān)測與調(diào)查分析結(jié)果，將各個風(fēng)險因子利用專家打分法賦予相應(yīng)的安全評分，詳見表3。

表3 遼河昌圖縣河段防洪安全評分

3.1 風(fēng)險因子權(quán)重

根據(jù)防洪安全綜合評價各要素之間的相對貢獻(xiàn)率和專家評判意見，按照0.1-0.9標(biāo)度準(zhǔn)則構(gòu)造多目標(biāo)多層次優(yōu)先判斷矩陣如下：

防洪安全綜合評價各指標(biāo)權(quán)重利用文中所述相關(guān)公式求解，結(jié)果為：A-B∶(0.740，0.260)T，B1-C∶(0.313，0.280，0.245，0.162)T，B2-C∶(0.635，0.365)T，C1-E∶(0.314，0.219，0.264，0.203)T，C2-E∶(0.247，0.448，0.305)T，C3-E∶(0.193，0.446，0.361)T，C4-E∶(0.568，0.432)T，C5-E∶(0.474，0.526)T，C5-E∶(0.403，0.325，0.272)T。

3.2 防洪安全綜合評價

依據(jù)專家現(xiàn)場調(diào)查獲取的各風(fēng)險因子賦分以及計算確定的各層次指標(biāo)權(quán)重，利用文中所述公式(3)求解防洪安全綜合評價組合權(quán)重，經(jīng)加權(quán)運算確定綜合評價值為86.160，詳見表4。

按照已劃分的防洪安全評價等級和綜合評價值，遼河建昌縣河段防洪工程達(dá)到較好安全水平。根據(jù)各風(fēng)險因子綜合評價值確定能夠顯著影響防洪工程安全的要素有：堤頂高程、保灘護(hù)堤、水位、風(fēng)暴潮、滲控措施等，同時防洪安全還與堤基處理、生態(tài)防護(hù)、施工質(zhì)量等因素緊密相關(guān)。該評價結(jié)果與防洪工程實際運行基本相符，可見綜合考慮主、客觀權(quán)重的組合方法提高了權(quán)重計算的合理性與可靠性，能夠更加客觀的反映專家意愿以及各參數(shù)信息的實際情況[10-12]

表4 遼河建昌縣河段防洪安全綜合評價值

4 結(jié) 論

1)文章以遼河建昌縣河段防洪工程為例，考慮到該工程特殊的地理位置和環(huán)境條件，其長期受到灘涂圍墾和風(fēng)暴潮等不利因素的影響，通過總結(jié)工程實踐和調(diào)查研究相關(guān)資料選擇多項評價因子構(gòu)建多目標(biāo)多層次評價體系，各風(fēng)險因子指標(biāo)組合權(quán)重利用熵權(quán)法和改進(jìn)模糊層次分析法求解，從而保證防洪安全評價的準(zhǔn)確度和可靠性[13]。

2)充分考慮當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟條件和防洪工程運行實際情況，結(jié)合堤防保護(hù)范圍內(nèi)的防洪標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)?shù)胤篮橹卫戆l(fā)展規(guī)劃以及遼河流域防洪目標(biāo)要求等，將安全評價結(jié)果劃分為4個等級，防洪工程的綜合安全狀況利用專家評分法獲取的評價值評判，同時比較客觀準(zhǔn)確的確定各要素影響程度，可為科學(xué)化、定量化論證防洪工程加固和管理提供科學(xué)的指導(dǎo)[14]。