孫嘉辰，黃云超*，李松濤

（1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 450046；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 451460）

一些小型水庫在長期運(yùn)行后，由于缺乏經(jīng)費(fèi)或管理不善等原因，在自然災(zāi)害或人為損害后沒有及時進(jìn)行加固，經(jīng)常導(dǎo)致水庫大壩及輸水洞等設(shè)施無法正常運(yùn)行，無法合理有效地對水資源進(jìn)行分配利用。而水庫安全評判是綜合性的，其包含壩體本身、輸水洞、庫岸等方面，范圍涉及整體庫區(qū)及樞紐，故需要一個綜合、科學(xué)、客觀的評價體系來評判水庫的安全性。

水庫安全評價方法已有較多研究，熊瑤等[1]利用模糊層次分析法研究了上下游庫群之間安全關(guān)系，結(jié)果表明層次分析法可用于水庫安全評價，并能得到符合實(shí)際的評價結(jié)果；熊威等[2]考慮了各類對大壩不利的不確定因素，并利用綜合評價分析法對水庫進(jìn)行安全評價，該方法能夠定量計算各指標(biāo)影響因素的程度和權(quán)重，評價結(jié)果更加可靠；王軍璽等[3]則使用了更科學(xué)全面的安全指標(biāo)進(jìn)行評價；張計[4]通過工程質(zhì)量、防洪標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行管理、滲流安全、結(jié)構(gòu)安全、抗震安全及金屬結(jié)構(gòu)安全等指標(biāo)進(jìn)行了細(xì)致的分析，為本文設(shè)置評價指標(biāo)提供了參考；顏山凱等[5]利用熵權(quán)TOPSIS 法對梯級水電站進(jìn)行補(bǔ)償效益分配計算，其補(bǔ)償效益分?jǐn)偨Y(jié)果公平、合理，易被各方接受；路瑞琴等[6]利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對引水明渠進(jìn)行了安全評價，架構(gòu)了引水明渠綜合因素下運(yùn)行安全指標(biāo)體系，確定了引水明渠安全運(yùn)行在灰色關(guān)聯(lián)分析評價模型中的可行性，結(jié)果與實(shí)際情況一致。目前在水庫安全評價方面，對多個水庫綜合性受損應(yīng)用研究較少。各評價指標(biāo)權(quán)重和相對滿意度可由熵權(quán)TOPSIS 法計算得出，根據(jù)相對滿意度可以得到相對權(quán)重，該方法可有效避免單指標(biāo)法導(dǎo)致的結(jié)果單一，又能減少專家打分的主觀影響，即綜合考慮各指標(biāo)特性[5]；指標(biāo)權(quán)重的確定利用灰色關(guān)聯(lián)分析法可以使結(jié)果既能滿足客觀性，又可使結(jié)論更貼合實(shí)際[6]；采用熵權(quán)TOPSIS 法－灰色關(guān)聯(lián)分析法組合模型計算方法可綜合優(yōu)化主客觀權(quán)重，有效避免單一權(quán)重法的局限性。故有必要采用TOPSIS 法－灰色關(guān)聯(lián)分析組合方法對多個水庫進(jìn)行受損程度評價。該方法為水庫安全等級評價提供了一種新思路，可為水庫安全管理提供借鑒。本文采用TOPSIS 法－灰色關(guān)聯(lián)分析組合方法對水庫安全進(jìn)行分析。綜合了水庫重要指標(biāo)，科學(xué)客觀地構(gòu)建了評價指標(biāo)體系，從水庫整體角度出發(fā)，定量研究水庫安全指數(shù)，構(gòu)建綜合評價模型，并對其有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

水庫安全指數(shù)應(yīng)全面、客觀，且包含差異化的測量維度。其測評應(yīng)選用具體、可觀察的指標(biāo)，慎用不穩(wěn)定的評價要素。本文遵循現(xiàn)有、可行的指標(biāo)體系，選用工程質(zhì)量、運(yùn)行管理、防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、結(jié)構(gòu)安全、滲流安全和金屬結(jié)構(gòu)安全評價，共6 個維度組成一級指標(biāo)，每個一級指標(biāo)又包含若干二級指標(biāo)，由此構(gòu)建水庫安全程度綜合評價指標(biāo)體系，具體見表1。

2 基于TOPSIS 和灰色關(guān)聯(lián)模型與驗(yàn)證

基于水庫安全指數(shù)綜合評價指標(biāo)體系，由專家報告原始數(shù)據(jù)，得到初始矩陣X=（xij）m×n。其中，m為評價單元數(shù)，n為評價指標(biāo)數(shù)，m=6，n=19。xij為評價單元i在指標(biāo)j下的屬性值。

步驟1 用等權(quán)重安全平均值初判水庫受損等級

表2 不同值與大壩安全性對應(yīng)關(guān)系

表2 不同值與大壩安全性對應(yīng)關(guān)系

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步驟2 對指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化決策矩陣V=（vij）m×n。

步驟3 采用熵權(quán)法，確定指標(biāo)權(quán)重ωj=（ω1，ω2，…，ωn）

步驟4 基于指標(biāo)權(quán)重，得到加權(quán)歸一化矩陣Y

步驟7 基于TOPSIS 法，計算歐氏距離，

步驟9 計算評價單元與“理想解”的相對接近度

式中：α 與β 為偏好系數(shù)，本文取α=β=0.5。式（17）中Si越大表明水庫安全程度越高。

3 實(shí)例分析

根據(jù)二十畝地水庫、管樓水庫、六六莊水庫、沙子崗水庫和雙岔口水庫除險加固初設(shè)報告，專家結(jié)合工程質(zhì)量評價、運(yùn)行管理評價、防洪標(biāo)準(zhǔn)評價、結(jié)構(gòu)安全評價、滲流安全評價和金屬結(jié)構(gòu)安全評價6 個評價維度進(jìn)行打分。

根據(jù)各評分項(xiàng)的賦分值得到水庫安全評分表。具體結(jié)果見表3。

表3 水庫安全評分表

得到水庫安全程度特征矩陣xij，得其轉(zhuǎn)置矩陣。由式（1）得5 座水庫的等權(quán)重平均安全值分別為0.303、0.418、0.397、0.311、0.313；初步得到水庫大概安全程度由高到低為管樓、六六莊、雙岔口、沙子崗和二十畝地水庫。根據(jù)矩陣xij和式（2）得到歸一化決策矩陣vij，得其轉(zhuǎn)置矩陣。

通過式（3）—（5）使用熵權(quán)法得到指標(biāo)權(quán)重ωj，結(jié) 果見表4。

表4 指標(biāo)權(quán)重

由式（6）得到加權(quán)歸一化決策矩陣Y，其轉(zhuǎn)置矩陣為

根據(jù)式（16）（17）得到各評價水庫和理想解的相對接近度Si

綜上，本次所受評價水庫及相對接近度為二十畝地水庫0.411，管樓水庫0.536，六六莊水庫0.550，沙子崗水庫0.461，雙岔口水庫0.465。因?yàn)橄鄬咏萐i越高表明水庫安全程度越高，所以按水庫安全程度由高到低排列依次為六六莊水庫、管樓水庫、雙岔口水庫、沙子崗水庫和二十畝地水庫且與步驟一中初步排序結(jié)果基本一致。

4 結(jié)束語

根據(jù)除險加固初設(shè)報告和工程實(shí)地勘探，本文從6個評價維度出發(fā)，構(gòu)建了水庫安全程度綜合評價指標(biāo)體系，利用TOPSIS 和灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行研究，對二十畝地水庫、管樓水庫、六六莊水庫、沙子崗水庫和雙岔口水庫5 個水庫安全指數(shù)的差異性進(jìn)行分析，結(jié)果清晰明了，計算過程科學(xué)合理，簡單快捷，此結(jié)果與專家評價基本一致，方法可靠；該模型能用Excel 或MATLAB 編程對研究模型進(jìn)行縱向或橫向比較，計算量較小，并可有效減小專家打分的主觀性影響，結(jié)果更為客觀，對實(shí)際工程具有指導(dǎo)意義，適合在工程方面進(jìn)行推廣。