長河壩水電站初期施工導流方案的風險決策研究

周德彥，李學權，劉亞洲

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

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長河壩水電站初期施工導流方案的風險決策研究

周德彥，李學權，劉亞洲

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

水電站施工導流方案的決策是一個復雜的不確定性問題。通過引入區間數學理論和群組決策思想，建立風險決策區間分析方法對水電站施工導流方案進行決策。該方法采用區間數表示評價指標屬性值，體現其風險決策過程所具有的不確定性；基于群組決策的不確定型AHP法確定評價指標的權重，便于充分利用專家群體的智慧和經驗。將該分析方法應用于長河壩水電站工程中的初期施工導流方案中，對30年一遇和50年一遇的施工導流標準進行風險決策，應用結果驗證了所建立的分析方法合理可行。

施工導流；風險決策；區間數學理論；群組決策；風險分析方法；長河壩水電站

1 工程概況

1.1 研究背景

水電工程的施工導流影響著其建設全過程，施工導流標準的確定非常重要，不僅影響整個工程的施工安全，也影響著工期和工程造價。在水電工程建設中，選擇經濟可行的導流標準，確定合理可行的導流方案，有助于減少建設造價和縮短施工工期。

長河壩水電站作為我國西南水電開發的許多大型工程之一，為一等大(1)型工程，壩址處河谷狹窄、地勢險峻。如何在考慮費用、工期及風險等父母因素，最終確定一個最優方案是一個很大的難題。由于上述指標單位不一樣，衡量的標準也不一樣(即存在不可公度性)。因此，研究這類具有不確定性區間數、多屬性決策問題具有重要的理論意義和實際應用價值，引入風險分析理論進行研究時一種良好的研究途徑。

1.2 工程背景

長河壩水電站樞紐工程由礫石土心墻堆石壩、左岸引水發電系統、右岸一條深孔泄洪洞、兩條開敞式泄洪洞和一條放空洞等建筑物組成。電站總裝機2 600 MW，正常蓄水位1 690.00 m，壩頂高程1 697.00 m，最大壩高約240.0 m，總庫容11.4億m3。

2 風險決策分析方法

2.1 綜合評價模型

建立施工導流方案風險決策的綜合評價模型，根據現有的相關研究成果，其基本原理如圖1 所示。本模型由方案層、準則層(或指標層)及目標層3個層次組成，采用該模型確定最優方案就是對方案層的n個方案以準則層的影響因素和評價指標為基礎進行區間關聯優化分析，進行風險決策，進而得到最優方案。

圖1 綜合評價模型

2.2 計算模型

要建立基于區間數學理論的施工導流方案風險決策計算模型。首先，必須建立評價指標區間屬性值確定方法，并對其進行歸一化處理，建立評價指標區間數決策矩陣的確定方法，進而確定理想最優方案區間數的向量，構造基于區間數的比較判斷矩陣，計算出區間數權向量，并通過此結果得出各施工導流的區間關聯度，對區間關聯度進行相對優勢度的分析，確定出最優方案。

2.2.1 評價指標區間數確定方法

(2)定性評價指標區間屬性值確定。設pi為施工導流工程中的定性評價指標，本文參考 MacCrimmon 的兩極比例法，將評價指標定性評語轉化為定量值的數軸法，如表1所示，即把 0～1區間分成9段，每段分別采用不同的可能性評語與數值相對應。在實際工程當中，不同的評價指標由 3～5位專家根據實際情況給出相應的定性評語，并依據表1得出相應的定量值，最后統計可得出定性評價指標區間屬性值。

表1 數軸法指標轉換

定性評價屬性值定性評價屬性值定性評價屬性值定性評價屬性值最小0小03偏大06很大09很小01偏小04大07最大10較小02平均05較大08

由上述方法確定的定量或定性評價指標區間屬性值可表示成矩陣形式，即區間數決策矩陣，記為

(1)

式中，X為m個評價指標對第n個支護方案的決策矩陣；k第k第個施工導流方案，第k行表示區間數向量，由其方案影響因素第i個評價指標pi對其Dk的區間屬性值構成；i為m個評價指標中的第i個評價指標，第i列表示區間數向量，由其影響因素第i個評價指標pi對n個其方案區間屬性值構成。

2.2.2 歸一化處理

對區間數決策矩陣進行歸一化處理，便于對其進行分析處理。施工導流方案的評價指標集pi，按經濟性分有成本型和效益型兩種類型。在分析之前需要對其進行歸一化處理，使之轉化成統一的表達形式。對于區間數決策矩陣中區間屬性值歸一化處理的方法，有如下幾種：

設pi為成本型評價指標，那么

(2)

pi為效益型評價指標，那么

(3)

當評價指標區間屬性值歸一化處理之后，區間數決策矩陣R可記為X。

2.2.3 最優方案區間數

對施工導流方案風險決策進行區間優化分析之后，還需要明確關聯分析所要的理想最優方案的區間數向量，區間數向量由不同的施工導流方案對應的評價指標最優區間屬性值得到，是一個假想向量，只是作為區間關聯分析的參照體出現。

(4)

至此，可得由 S 構成的施工導流理想最優方案的區間數向量。

2.2.4 區間數權向量確定

表2 標度規則

標度定義含義1同等重要兩評價指標同等重要3稍微重要一評價指標比另一評價指標稍微重要5明顯重要一評價指標比另一評價指標明顯重要7特別重要一評價指標比另一評價指標特別重要9極端重要一評價指標比另一評價指標極端重要2，4，6，8相鄰標度中值表示相鄰兩標度之間折衷時的標度上列標度倒數反比較評價指標pi對評價指標pj的標度為a，反之為1/a

(2)計算單個專家評價指標的權重。記第l位專家得到m個評價指標的權向量為，顯然，不同專家得到的權向量并不相同。

(5)

(6)

(7)

式(7)中相似度λl反映出了專家Gl與其他專家所給的判斷矩陣的相似度，如果相似度越高，則Al的可信度就越高，則他在群組決策中的作用相應的就越大。②計算不確定型判斷矩陣的差異度。設專家Gl所給判斷矩陣Al的導出向量為V(Al)，令：

(8)

(9)

式中，alf(f=1,2,…,2m2)為判斷矩陣Al的導出向量V(Al)的第f個元素，δl為第l個專家與其他專家所給判斷矩陣的差異度，其和相似度一樣能夠從另一個角度反映專家評判的可信度。③綜合考慮相似度和差異度計算專家結論的可信度(專家自身權重)。若相似度λl越大、差異度δl越小，則Al可信度越高，其在群組決策中的作用也應越大，故專家可信度rl計算可采用如下方法：

(10)

(4)計算考慮專家可信度的評價指標權重。考慮專家可信度，整合各位專家所給的評價指標權重結果。①基于專家可信度采用下式計算二級評價指標及其所含一級評價指標的區間數權向量，即

(11)

(12)

(13)

2.2.5 區間關聯度的確定

引用區間數權向量、理想最優方案區間數向量及歸一化決策矩陣進行施工導流方案風險決策的區間關聯模糊優化分析，首先應建立出區間關聯度的確定方法。可得到所有施工導流方案與理想最優方案對應評價指標的關聯系數，然后采用權重加權求和得到施工導流方案Dk對理想最優方案區間數向量S的區間關聯度為

ζk=ζk=∑ξk(pi)wi

(14)

式中，ξk為準則層指標層評價指標綜合影響的各施工導流方案關聯度。根據關聯度最大原則即可得到施工導流最優方案，即哪個方案的關聯度ξk最大，則該方案最優。

3 長河壩工程初期導流方案實例分析

3.1 風險決策背景

類比國內在建或已建同壩型工程導流標準，對于長河壩水電站導流標準提出了30年一遇與50年一遇兩個不同的導流標準，需要綜合考慮多個評價指標來對這2個不同的導流標準進行風險決策。

長河壩水電站上、下游圍堰必須在河道截流后至次年的汛前完建。根據本工程地處高山峽谷的特點，對圍堰的規模、施工條件、施工方法和施工進度進行綜合分析研究，并參照國內大型工程如小浪底、二灘等工程圍堰施工，上游圍堰高度宜控制在50.0～60.0 m。

不同導流標準工程圍堰的相關經濟技術指標比較如表3所示。

表3 30年、50年一遇導流標準圍堰工程經濟技術指標比較

導流標準預期總費用(包括損失費用)p1/萬元圍堰堆筑工程量p2/104m3圍堰使用期不發生超標準洪水的概率p3月平均填筑強度p4/104m3·月-130年一遇[55500，56000][110，120][090，091][17，19]50年一遇[44100，44500][120，135][094，095][20，21]

3.2 決策過程

采用本文建立的風險決策區間分析方法對上述2個施工導流標準進行風險決策。

(1)確定評價指標。根據表3，本文選取預期總費用(包括損失費用)p1、圍堰堆筑工程量p2、圍堰使用期不發生超標準洪水的概率p3以及月平均填筑強度p4等4個評價指標進行風險決策。

(4)確定理想最優方案區間數向量。利用歸一化區間數決策矩陣R對施工導流方案風險決策進行區間優化分析，還必須確定出關聯分析所需要理想最優方案的區間數向量，可得影響因素所含4個評價指標pi的理想最優方案區間數向量為S={[0.55,0.56],[0.49,0.58],[0.51,0.52],[0.48,0.58]}。

(5)確定區間數權向量。由于不同專家判斷結果的可信程度不同，同時也由于專家在判斷兩兩因素相對重要程度時不可能絕對準確，只能給出一個區間范圍，本文邀請了4位專家構造不確定型判斷矩陣，分別如表4～7所示。根據計算出的區間數權重計算方法得到評價指標p1、p2、p3、p4的權重分別為0.36、0.22、0.27、0.15。

表4 判斷矩陣A1

指標p11p12p13p14p11[1，1][2，3][3，4][3，4]p12[1/3，1/2][1，1][2，3][2，3]p13[1/4，1/3][1/3，1/2][1，1][1，2]p14[1/4，1/3][1/3，1/2][1/2，1][1，1]

表5 判斷矩陣A2

指標P21P22P23P24P21[1，1][3，4][2，3][3，4]P22[1/4，1/3][1，1][1/2，1][1，1]P23[1/3，1/2][1，2][1，1][2，3]P24[1/4，1/3][1，1][1/3，1/2][1，1]

表6 判斷矩陣A3

指標P31P32P33P34P31[1，1][2，4][2，3][3，5]P32[1/4，1/2][1，1][1/3，1/2][1，2]P33[1/3，1/2][2，3][1，1][2，3]P34[1/5，1/3][1/2，1][1/3，1/2][1，1]

表7 判斷矩陣A4

指標P41P42P43P44P41[1，1][3，4][2，4][4，5]P42[1/4，1/3][1，1][1/2，1][2，3]P43[1/4，1/2][1，2][1，1][3，4]P44[1/5，1/4][1/3，1/2][1/4，1/3][1，1]

3.3 決策結論

如果僅根據單個評價指標進行風險決策，則對于不同的評價指標可能會得到不同的風險決策結果。根據表3可知，如果僅考慮圍堰堆筑工程量，則30年一遇比50年一遇的導流標準更加合理，而如果僅考慮預期總費用這一評價指標，則50年一遇比30年一遇的導流標準更加合理。對于長河壩工程有必要綜合考慮多個評價指標進行風險決策。

類比國內工程長河壩水電站初期導流標準采用50年一遇是合適的。根據堆筑工程量的分析，50年一遇較30年一遇上游堰高增加4.8 m，堆筑方量增加21.20萬m3；下游圍堰在堰高、堆筑方量上相差甚微，因此兩種導流標準的堆筑工程量比較接近，此外，兩個導流標準的預期總費用分別如表8所示，50年一遇方案的總費用較小，風險度較低，要優于30年一遇方案。故經過論證分析，最終確定施工導流標準為50年一遇，這與本文方法所得到的風險決策結果一致，從而證明了本文所提方法合理可行。

表8 單目標各導流方案預期總費用 萬元

4 結 語

本文引入了區間數學理論和群組決策思想，對施工導流方案風險決策方法進行了深入的研究，提出了施工導流方案風險決策的區間分析方法，并針對長河壩水電站施工導流標準進行具體分析。根據長河壩水電站施工導流影響因素存在不確定性的特點，分別選取4個評價指標來綜合考慮多個因素的影響，采用區間數來描述評價指標的指標值，并考慮到不同專家限于自身的研究領域限制以及經驗的不同，提出采用群組決策的思量融合多個專家的評價結論，從而提高了權重計算的可信度，通過施工導流標準的工程實例表明，本文建立的施工導流方案風險決策區間分析方法的計算結果與實際結果相吻合，從而驗證了本文方法的可行性和合理性。

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(責任編輯 王 琪)

Research on Risk Decision-making of Early Construction Diversion Schemes of Changheba Hydropower Station

ZHOU Deyan, LI Xuequan, LIU Yazhou

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

The decision-making of hydropower station construction diversion scheme is a complex uncertainty problem. By introducing interval mathematical theory and group decision-making idea, a risk decision-making interval analysis method is established to select construction division scheme of hydropower. station The interval number is used to represent the property value of evaluation index in this method, which reflects the uncertainty of risk decision-making process. The weight of evaluation index is determined by uncertain AHP based on group decision-making idea, which can facilitate the use of experts’ experiences. The method has been used in early construction division scheme analyses of Changheba Hydropower Station to evaluate the risks of construction division schemes under the floods with 30-year frequency and 50-year frequency respectively. The application has verified the feasibility of proposed method．

construction diversion; risk decision-making; interval mathematical theory; group decision; risk analysis; Changheba Hydropower Station

2016- 08- 03

周德彥(1982—)，女，河南南陽人，高級工程師，碩士，主要從事國內外水利水電、光伏風電場等工程的施工組織設計工作．

TV551.16(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0049- 05