進賢縣嚴橋水閘除險加固效果綜合評價

李 偉

(江西省進賢縣水利局，南昌 331700)

0 引 言

據統計，水閘加固工程于2017年底已基本完成，如太浦閘、萬福閘、江都西閘、射陽河閘等，而關于加固效果還未形成系統、完善的評價體系[1]。從系統工程理論的角度可認為，水利工程加固效果評價屬于一個復雜的具有復合不確定性的多次層、多因素系統工程。當前加固效果評價主要是依據工程建設項目與效益增量間的關系評價其經濟效應，以及采用監測反分析、理論計算和數值模擬等方法對加固整治前后某一性能指標的提升程度進行科學評價[2-4]。關于加固效果的綜合評價側重于病險水庫大壩工程，涉及水閘工程的評價體系和研究方法尚處于初步階段。

云模型是一種考慮了事物離散性、隨機性和模糊性特征的能夠實現定量與定性轉化的數學方法，在多個領域中已被廣泛的應用。水閘加固效果評價的指標權重、基層參數信息等具有顯著的不確定性，且極差、較差、一般、較好、極佳等加固效果評價等級為一個范圍。鑒于此，結合水閘加固工程特點和投資項目后評價管理辦法構建較為系統、科學的評價體系，基于云模型理論建立加固效果評語集、權重和評價結果云模型，在此基礎上研究其不確定性和模糊性，以期為提高評價結果的精確性和系統性提供科學的依據[5-8]。

1 構建評價體系與評價標準

1.1 評價指標體系

在遵循可度量、可操作性、獨立性和代表性等原則的基礎上，根據水閘加固工程特點和投資項目后評價管理辦法，從安全鑒定、服役性能、設計方案、經濟效益和可持續發展效應等方面選擇21個典型指標建立評價體系，見表1。

1.2 劃分等級標準

基于基礎層指標信息的綜合評價體系，較為常用的確定方法有最大等級隸屬度和加權綜合評分值確定方法。前者是從基礎層評價指標逐層計算對各等級標準的單一隸屬度，研究對象的綜合隸屬度采用加權匯總法生成，按照最大隸屬度原則確定綜合評價等級；后者則是對各標準化指標值進行逐層加權匯總計算，然后對綜合評價等級依據擬定的評定標準確定。據此，文章對水閘加固效果評價擬采用專家打分百分制方案，綜合評分值利用加權匯總法計算。結合已有研究成果和工程實踐經驗，將評價等級劃分為極差、較差、一般、較好和極佳5個等級，對應的評分值依次為[0,60)、[60,70)、[70,80)、[80,90)、[90,100]。

表1 病險水閘加固效果評價體系

2 確定指標權重及評語集

2.1 云模型理論

云模型是以概率統計學與模糊數學為理論依據，根據精確數值與不確定性語言之間的隨機性、模糊性變化特征，構建定量與定性互換模型，在定性描述和定量分析互換處理方面具有較強的實用性。其基本原理為：設U、C為定量論域及其范圍上的定性概念，C的一次隨機時間為任意定量值x，x∈U；若滿足一定概率分布的隨機數為x對C的隸屬度μ(x)∈[0，1]，即μ：U→[0，1]、?x∈U、x→μ(x)，則論域U上的x稱為云滴，其分布稱為云。對于同一個概念的描述，云模型依據特征參數超熵He、熵En和期望Ex實現，分別反映了論域上云滴的厚度、不確定度和中心值。

當調查樣本數目不足以利用頻度分析法直接生成隸屬度信息時，可對云模型的特征參數He、En、Ex利用Matlab軟件和無隸屬度信息的逆向云發生器計算，各組特征參數對應的云模型按照正向云發生器生成。采用下述公式計算確定逆向云模型的特征參數，即：

(1)

(2)

(3)

式中：Qj、n為樣本j的指標值和調查樣本總數。

基礎層評價指標信息與水閘加固效果評價結果密切相關，在評價過程中主要涉及基礎層評價結果云與權重云的計算。通過對特征參數的計算替代云朵之間的計算，表2為運算法則。

表2 云模型運算法則

2.2 權重云模型

通過設計調查問卷確定水閘加固效果各指標權重，采用專家打分法收回有效問卷40份，將權重云模型特征參數利用歸一化公式處理，結果見表3。

2.3 評價結果云模型

水閘加固評價結果云模型按照所構建的評價體系可分為3種，即綜合、一級和二級指標結果云。根據能否用精確數值描述的原則將評價指標劃分為兩類，即定量計算和定性分析指標。通過對加固前、后各指標狀態的比較實現參數值的量化計算，但分析過程等級標準的劃分缺乏科學的依據。對此，文章將水閘加固效果各項指標均作為定性參數，采用專家打分法依據指標內涵賦分，將特征參數利用專家評分和逆向云發生器確定，由正向云發生器生成二級指標結果云和可視化云圖。然后依據云模型運算法則和二級評價指標結果云及其權重云，通過逐層加權匯總生成綜合評價結果云。

表3 權重云模型特征參數

根據水閘加固效果評各指標權重云模型的特征參數，運用Matlab軟件生成一級指標權重云，見圖1。

(a)評價指標A

(b)評價指標B

(c)評價指標C

(d)評價指標D

(e)評價指標E圖1 水閘加固效果評價權重云模型

2.4 評語集云模型

評價等級的劃分標準與評語集云模型之間存在密切聯系，在評價等級區間已經確定的條件下，服從正態分布的求解公式還要滿足界限約束條件，取He=0.1En。為準確獲取相鄰邊界的約束值，有必要對不同等級之間的邊界條件進行模糊化。相鄰邊界值的隸屬度均為0.5，且分屬于連續的不同等級，則云模型特征參數在評價等級i中為：

(4)

(5)

式中：xdli、xuli為水閘加固效果評價第i個等級的下限與上限值。

以水閘加固效果為研究對象，將極差和極佳兩個端部評價等級利用以上云模型參數求解公式，在計算過程中易出現偏離實際情況的現象，即極佳等級隸屬度由0.5增大至1.0時所對應的指標分值從100減少至95分。對此，文章設定100分和50分作為加固效果極佳、極差等級的期望值Ex1、Ex5，相應的熵值分別為為En1=(Ex1-xdl1)/(2.335/2)=8.49、En5=(Ex5-xdl5)/(2.335/2)=8.49。綜上分析，確定水閘加固效果評語集的云滴分布特征(圖2)和云模型特征參數，見表4。

表4 水閘加固效果的評語集云模型特征參數

水閘加固效果綜合評價結果依據云運算法則確定，通過比較分析圖1中的評語集云和表4計算結果獲取最終的評價等級。

圖2 水閘加固評語集云模型

3 實例研究

3.1 工程概況

嚴橋水閘是一座以排澇、灌溉為主兼有綜合利用的中型水利工程，實際控制流域28.5km2，設計與實際灌溉面積均為800hm2，最大下泄流量為173m3/s。1960年工程建成投運，經2005年改造形成當前規模，水閘樞紐主要建筑物包括：1號泄水閘、2號泄水閘，灌溉進水口等。根據水閘設計規范和水電工程防洪標準，確定本工程為Ⅲ等。

自建成以來工程服役運行52年，主要承擔著沿途村民生活用水及萬士坑村、下埠鄉下埠林場等800hm2農田灌溉用水，為人民安居樂業和灌區農業經濟持續穩定發展發揮著較大的社會胸衣。為充分發揮工程效益和確保水閘的安全運行，保障國家財產安全和下游居民安全，有必要對進賢縣嚴橋水閘實施除險加固工程。水閘加固的主要工程建設任務是：改建1#和2#兩座泄水閘、一座灌溉進水閘；加固連接段土堤；更新金屬結構、機電設備；新建管理房；進閘公路等。通過對進賢縣嚴橋水閘進行除險加固，確保效益的充分發揮和水閘蓄水安全，提高水閘安全性能并消除水閘安全隱患[9,10]。

3.2 特征描述

工程合同工期為2014年11月-2015年4月，工程實際開工時間2014年12月，2015年10月主體工程全部完工，實際施工工期為12個月。根據評價指標體系和水閘加固工程實際情況，確定嚴橋水閘各指標特征見表5。

對嚴橋水閘除險加固效果邀請7位長期從事水利工程相關研究且具有高級職稱的專家，依據以上各指標特征描述進行打分，基礎層各指標結果云的特征參數利用逆向云發生器計算，結果見表6。根據表6可知，加固效果評價體系中屬于極佳等級的指標有17個，其它4項指標的期望值為較好等級；二級指標中資源可持續利用程度的期望值最低為81.35，其原因為拆除的大部分老閘石塊和廢棄混凝土未作為再生骨料加以利用，向外運輸引起成本的增大。

表5 嚴橋水閘加固效果評價指標特征

表6 水閘除險加固評價結果云的特征參數

根據云模型運算法則和以上計算結果，將綜合評價結果云的特征參數按逐層加權匯總法計算確定見表6，對比分析評語集云模型和綜合評價結果云的期望值，見圖3。

圖3 嚴橋水閘加固效果綜合評價結果云

從圖3可知：水閘加固效果期望值為92.88，依據評級等級標準認為嚴橋水閘加固效果達到極佳水平；在計算過程中超熵He、熵En分別為4.25、12.91，二者存在較大的偏差，85-100為云滴的主要分布區間，但大量云滴還存在于70-85范圍，可見嚴橋水閘加固效果評價仍存在很大的不確定性，且能夠對評價結果穩定性產生顯著的影響，有必要進一步分析產生此不確定性的原因。

依據水閘除險效果評價過程和云模型理論，基層評價指標打分結果和權重的不確定性為引起綜合評價結果不確定性的主要因素，且與兩者的加法、乘法運算的不確定相關，通過敏感性分析探討了以上兩種不確定性的傳播效應。詳細流程為：將He、En特征參數在基層指標結果云和權重云折減，以0.2同時與各參數權重的He、En相乘，評價結果見表8。

表8 加固效果評價不確定性的敏感性分析

研究表明：加固效果評價結果受基層指標打分的影響程度較低，而與權重的不確定性之間存在緊密的聯系。另外，水閘加固效果評價體系各指標權重也具有普遍的適用性；對于具體的加固整治項目，邀請專家對基礎層評價指標打分時難免出現不確定性的問題，且專家組成員有限。對此，綜合考慮較多專家意見合理擬定指標權重，從而降低不確定性對權重計算的影響，利用不確定性較小或定值權重較大的值降低綜合評價結果的不確定性。

4 結 論

水閘加固效果評價存在許多不確定性和模糊性因素，提出能夠較好反映基層數據信息獲取和權重計算不確定性的云模型綜合評價方法，各類不確定性在綜合評價過程中的傳播效應利用可量化的超熵、熵值表征。根據穩定性好、可靠性高的評價結果，對水閘加固效果做出客觀、準確的綜合判斷。工程實例表明，在水閘加固效果評價中基于云模型理論的評價方法具有較強的適用性與有效性，提出的云模型和評價指標體系可用于其他類似水利工程。加固效果綜合評價受權重的不確定性影響較大，基于專家組打分確定的基礎層評價指標不確定性影響較低，在水閘加固效果評價中應廣泛聽取多位專家意見，從而確定普遍適用的指標權重和評價體系，以便減弱評審專家較少時對單個工程評價的不確定影響。