基于模糊聚類的病險水庫除險加固順序研究

連幼奇

(山西省晉中市水利建筑工程總公司，山西 晉中 030600)

受地理條件和自然環(huán)境等因素的影響，部分水庫存在不穩(wěn)定風(fēng)險因素，變成了風(fēng)險系數(shù)極高的病險水庫，難以幫助附近村落及城市安全度過汛期。在傳統(tǒng)的病險水庫除險加固方法中，根據(jù)每年的汛期水位漲落變化，設(shè)置除險加固順序，以此控制病險水庫帶給下游區(qū)域的危害。此方法由于考慮的影響因素較少，識別出的水庫險情不夠精準(zhǔn)，影響了加固順序，繼而影響病險水庫加固效果，因此提出基于模糊聚類的加固順序設(shè)置方法。該方法考慮的影響因素全面，劃分的影響因素種類明確，得出的險情系數(shù)精準(zhǔn)，最終設(shè)置的除險加固順序符合水庫的實際情況[1- 3]。

1 病險水庫存在問題

現(xiàn)階段病險水庫的出現(xiàn)主要是在水庫施工建設(shè)過程中，未按照基建程序?qū)嵤┙ㄔO(shè)；或是由于無直接經(jīng)濟效益，且無穩(wěn)定投入資金出現(xiàn)經(jīng)費不足[4- 5]，導(dǎo)致存在以下問題：①水庫基建標(biāo)準(zhǔn)低，不能滿足實時變化的環(huán)境要求；②主建筑結(jié)構(gòu)、滲流穩(wěn)定不能滿足水庫基建的規(guī)范要求，抗洪效果差，加上建設(shè)時間長，很多水庫資金周轉(zhuǎn)成問題，不能及時維護保養(yǎng)，直接危及水庫安全；③水庫安全運行管理制度缺失，操作不規(guī)范，調(diào)度不科學(xué)；④水庫運營配套設(shè)備不完善，機電設(shè)備老化破舊不能正常運行；⑤在水庫建設(shè)初期對各措施考慮不周，如未安裝反濾體，無安全泄洪設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)，或安全泄洪設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)過低，交通不發(fā)達甚至沒有基礎(chǔ)運輸公路等。

2 基于模糊聚類設(shè)置病險水庫除險加固順序

2.1 基于模糊聚類提取病險水庫特征

導(dǎo)致水庫出現(xiàn)病險的因素很多，包括：地殼運動導(dǎo)致的大陸板塊遷移、水庫所在區(qū)域氣候惡劣、巖體隨著時間的增加自然脫落、附近有數(shù)量龐大的蟻群等自然環(huán)境因素；壩土碾壓不結(jié)實，令大壩普遍存在漏水、滲水和散浸等情況；觀測、通訊、報警、管理設(shè)施不完善等人為影響因素。因此基于模糊聚類思想，對水庫影響因素聚類，提取病險水庫特征[6- 8]。設(shè)置一個集合A作為所有影響因素的集合，則有A={x1，x2，…，xn}，其中xn表示存在的n個影響因素。根據(jù)集合中的xn，設(shè)置影響因素特征集合，用B來表示，且B={xa1，xa2，…，xam}，其中xmn表示對應(yīng)n個影響因素x，存在m個特征數(shù)據(jù)，且a=(1，2，…，n)。將上述數(shù)據(jù)模糊聚類，得到矩陣：

(1)

對上述影響因素矩陣進行無量綱化處理，根據(jù)各項指標(biāo)權(quán)重，將影響因素特征標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的病險水庫特征ki，公式為：

(2)

式中，ki—第i類影響因素作用下的水庫特征；λ—影響參數(shù)常量；ηi—各項影響因素權(quán)重指標(biāo)。通過分析不同影響因素，提取病險水庫的特征數(shù)據(jù)。

2.2 計算風(fēng)險識別參數(shù)設(shè)計測損模型

(3)

式中，yij—水庫表征病險指標(biāo)為j時，獲取的水庫常量在第i個區(qū)間內(nèi)；ωu—類別u下的除險區(qū)間中心值。結(jié)合式(2)、式(3)，得到測損模型F：

(4)

式中，ε—固定條件常量；γ—順序參數(shù)。結(jié)合水庫實際情況選取定值ε，得到不同條件下的病險水庫測損值[9- 11]。

2.3 確定病險水庫加固順序

根據(jù)病險水庫的所在位置，計算在汛期時的洪水量最大值，分析該水庫可以調(diào)節(jié)洪水的最大調(diào)節(jié)量，根據(jù)上述條件確定病險水庫的最高水位。將該數(shù)據(jù)代入式(4)中，分析該水庫當(dāng)前的病險程度，根據(jù)每一位置病險程度的不同，確定水庫的加固順序。該順序可通過式(5)的計算結(jié)果進行設(shè)置：

(5)

式中，Ej—j處的險情數(shù)值；h1—洪水浪高；h2—風(fēng)力高度；v1—洪水浪涌速度；v2—最大風(fēng)速；μ—組合摩擦系數(shù)；T—洪水周期；D—波浪爬坡高度；S—水庫蓄水總面積；θ—水域中線與風(fēng)向的夾角；P—水庫的泄洪渠平均坡率[12- 14]。

利用上述公式，對水庫不同功能區(qū)域進行險情檢測，當(dāng)Ej≤10%時，說明檢測位置的險情較輕，只需實時監(jiān)測即可；當(dāng)10%

3 試驗

為驗證本文方法的可行性，進行對比試驗，將所研究的加固順序與傳統(tǒng)加固順序相比較。

選擇一個相對封閉的實驗室進行試驗，2臺試驗用計算機，計算機型號為510S- 08IKL- G3904，設(shè)備運行系統(tǒng)為Windows xp；選取2臺數(shù)據(jù)監(jiān)測儀，該監(jiān)測儀型號為KDH310SC5230。連接上述2臺設(shè)備，形成一個監(jiān)測數(shù)據(jù)組合。下載監(jiān)控軟件，載入試驗記錄工具，同時隨機選擇10個病險水庫作為試驗對象，該水庫中的各項基本參數(shù)，見表1。將這些參數(shù)默認(rèn)為基本試驗數(shù)據(jù)，整理歸納上傳到測試軟件中。

表1 試驗對象基本參數(shù)

此次試驗測試，設(shè)置所研究方法下的測試結(jié)果為試驗組，傳統(tǒng)方法下的測試結(jié)果為對照組。

為保證試驗結(jié)果的普遍性和可靠性，模擬一個試驗場景，分別用2種方法，對10個試驗對象設(shè)置加固順序，取平均結(jié)果作為最終參考數(shù)據(jù)，該測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 試驗測試結(jié)果

在試驗對象、試驗環(huán)境、試驗條件以及試驗參數(shù)均相同的情況下，所提出的加固順序控制方法，得出的測試結(jié)果曲線，與理想曲線走勢相似，基本與該曲線吻合，可見在相同模擬數(shù)據(jù)作用下，本文提出的方法識別風(fēng)險的能力更強，得到的風(fēng)險系數(shù)更加精準(zhǔn)。而傳統(tǒng)方法下得到的險情系數(shù)曲線，與理想曲線走勢差別過大，可見該方法識別風(fēng)險因素的能力偏弱，得到的險情系數(shù)存在較大偏差。綜上所述，提出的方法在得到精準(zhǔn)險情系數(shù)的前提下，所設(shè)置的除險加固順序符合實際情況，提升了病險水庫的安全等級；而傳統(tǒng)方法由于存在較大誤差，致使得出的加固順序不符合實際情況，極易擴大水庫險情。

4 結(jié)語

此次研究從傳統(tǒng)方法對險情識別相對偏弱這一問題入手，基于模糊聚類的分析方法，結(jié)合病險水庫實際情況，研究一個險情識別能力更強，除險加固順序設(shè)置方法。從試驗結(jié)果中可以看出，采用該方法得到的險情系數(shù)曲線，具有一定規(guī)律可循，更加貼合理想狀態(tài)下的險情數(shù)據(jù)；反觀傳統(tǒng)方法得到的險情系數(shù)曲線，不具有規(guī)律性，且數(shù)據(jù)值存在忽高忽低的連續(xù)性變化，與實際情況不符，不適合大范圍的使用。本文在研究病險水庫除險加固順序安排時，雖然得到了較優(yōu)的結(jié)果，但對病險水庫存在問題考慮不夠全面，需進一步優(yōu)化改進，同時也希望本文研究為病險水庫除險加固提供依據(jù)。