物元可拓模型在渠首沖砂閘安全評價中的應用

霍洪元,鄭 健

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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物元可拓模型在渠首沖砂閘安全評價中的應用

霍洪元,鄭 健

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

本文概述了物元可拓理論，并建立了物元可拓模型。通過確定鐵力市王楊渠首沖砂閘的經典域物元矩陣、各指標權重和綜合關聯度，建立了水閘安全評價指標體系和安全評價標準，利用物元可拓模型對鐵力市王楊渠首沖砂閘進行了安全綜合評價，并依據水閘安全鑒定標準將鐵力市王楊渠首沖砂閘判定為三類閘。

物元可拓；水閘；安全評價

1 物元理論概述

物元分析方法是由我國著名學者蔡文先生首先提出的，物元分析方法基于事務的功能目標與環境條件之間的可容性與事物系統的相關性，把現實問題概括為相容性和不相容性問題，研究處理矛盾問題的規律和方法[1]。

物元理論用來描述事物的三要素：事物M、特征C和量值V，它們所構成的有序三元組R=(M，C，V)稱為事物的基本元，即物元。根據物元的定義和特征，一個具有多個特征的事物，其物元矩陣記作[2]:

(1)

式(1)中：n為事物特征數量，每個特征所對應的量值為v1、v2、…vn。

2 物元可拓模型及評價過程

水閘工程的安全評價是一個多目標的復雜過程，在解決多目標系統的評價問題時，采用“事物、特征、量值”這三個要素來對待評測事物進行描述，能夠比較準確地反映客觀事物的變化規律，有利于對事物進行定性分析和定量計算[3]。物元可拓模型及綜合評價的步驟具體如下。

2.1 確定經典域物元矩陣

經典域物元矩陣由事物的特征以及其特征的標準值范圍組成，記為

(2)

式(2)中：Ni表示所劃分的i個評價等級；C1、C2、…、Cn代表評價指標；vi1、vi2、…vi n是物元矩陣的經典域，即待評事物評價等級i的取值區間。

2.2 確定各指標權重

水閘安全評價指標是多層次的，在層次結構中，上一層指標受下一層指標影響，將指標間的相對重要程度用數值的形式表示出來，即為權重系數，指標權重的確定是安全評價工作的關鍵，其結果的準確程度直接關系水閘工程評價結果的質量[4]。

(3)

式(3)中：P0為待評事物；v1、v2、…、vn是待評物元各指標的實際值。

2.4 綜合關聯度

系統中全部因素屬于各評價等級的程度稱為綜合關聯度，評價指標對于等級i的綜合關聯度計算方法見公式(4)至公式(8)，式(4)中vpj為物元矩陣的節域，式(7)中apj、bpj為物元矩陣的節域區間。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 應用實例

鐵力市王楊渠首沖砂閘工程位于呼蘭河支流上游，始建于1997年，于1998年主體工程竣工。工程經過多年運行，受區間洪水及非自然因素影響，河道下切，沖砂閘下游海漫段導流墻出現嚴重傾斜。雖及時對下游防沖海漫進行鋼筋籠砌石搶修，但經連續觀察，王楊渠首工程水毀程度有進一步加重趨勢，消力池底板下沉，消力池邊墻中部出現裂縫，邊墻底部沖刷剝蝕嚴重[5]。沖砂閘處于病險狀態，工程效益不能有效發揮。

3.1 評價指標體系及標準

依據系統全面性、簡明科學性、相對獨立性、層次性、相關性原則，確定經典域物元矩陣的特征以及特征的標準值范圍，即建立王楊渠首沖砂閘評價指標體系及評價標準。從安全性、適用性、耐久性三方面共選取19個指標，并按一類閘、二類閘、三類閘、四類閘標準量化，確定各指標對應不同類別的評價標準，見表1。

表1 水閘安全指標體系及評價標準

3.2 確定各指標權重

本次采用組合賦權法確定指標權重，將層次分析法(AHP)和熵權法兩種賦權方法有機結合：首先利用層次分析法初步賦權，通過運算得到帶有主觀性質的指標權重，再利用熵權理論中的熵模型對其進行修正，使得指標權重更具科學性、準確性。各指標權重見表2。

表2 水閘工程安全評價指標權重表

3.3 綜合關聯度

通過計算安全性、適用性、耐久性指標的綜合關聯度，來確定水閘的綜合關聯度，計算結果見表3、表4、表5。

表3 安全性指標綜合關聯度計算結果

表4 適用性指標綜合關聯度計算結果

表5 耐久性指標綜合關聯度計算結果

根據安全性、適用性和耐久性的關聯度匯總結果，得到水閘的綜合關聯度，用矩陣表示為：

(9)

根據物元可拓理論，取最大的k值，即kmax=0.0039，所以鐵力市王楊渠首沖砂閘屬于三類閘，即目前沖砂閘達不到設計標準(P設計=5%，P校核=2%)，存在嚴重損壞，要進行除險加固。

4 結 語

按照水閘安全鑒定程序，在2012年8月完成的鐵力市王楊渠首沖砂閘安全鑒定報告書中，鐵力市王楊渠首沖砂閘確定為三類閘。本次采用物元可拓模型進行的安全評價與安全鑒定報告書結論一致。物元可拓模型在水閘安全評價中應用是可行的。

[1] 徐磊，何艷霞，趙曉飛.物元可拓理論在水閘安全評價中的可行性[J].科技信息，2010(29)：766-767.

[2] 蔡文.物元分析[M]. 廣州：廣東高等教育出版社，1987.

[3] 李佳佳. 基于模糊物元分析法的應急物流能力評價研究[D].長沙：長沙理工大學，2011.

[4] 謝仁山，王先華. 層次分析法(AHP)在安全評價有關指數賦值的應用[J].工業安全與防塵，1996(1)：31-34.

[5] 樸哲浩，宋力.我國病險水閘成因及除險加固工程措施分析[J].水利建設與管理，2011(1)：25-26.

Application of matter-element extension model in safety evaluation of sand-flushing sluice of canal headwork

HUO Hongyuan, ZHENG Jian

(HeilongjiangProvinceHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

This paper summarized the theory of matter-element extension, and established the matter-element extension model. The safety evaluation index system and standard for sluice were built by fist determining the classical domain matter element matrix, the weight of each index and the comprehensive dependent degree. The matter-element extension model was used to assess the comprehensive safety status of the sand-flushing sluice of Wangyang canal headwork in Tieli City. Based on the safety appraisal standard for sluice, the sand-flushing sluice of Wangyang canal headwork was classified as a third kind dangerous sluice.

matter-element extension; sluice; safety evaluation

霍洪元(1977-)，男，高級工程師，從事水利工程設計、科研工作。

TV66；O242

A

2096-0506(2016)11-0014-04