基于模糊網絡分析法的小型水庫退役影響評價

胡國平 王超群 黎良輝

摘要：

為應對小型水庫病險老化、功能喪失、經濟效益衰退及生態系統退化等影響，保障水庫退役科學決策、促進退役工作開展，應用模糊網絡分析法從生態環境、經濟和社會3個方面建立了小型水庫退役影響評價模型，對水庫退役影響進行分析評價。以江西省某小型水庫為例進行驗證，考察水庫退役后基本情況，確定模糊關系矩陣與權重并進行綜合評價，結果表明：評價模型合理，評價結果與現狀相符。所構建的方法體系對于小型水庫退役決策適用性較強，可為相關部門制定水庫退役計劃提供技術支撐。

關鍵詞：

小型水庫； 退役影響； 模糊網絡分析法； 評價模型

中圖法分類號：TV697

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.014

文章編號：1006-0081（2023）04-0082-07

0 引 言

退役是小型水庫運行周期的重要階段和必然結果。中國10萬多座水庫中，大部分建于20世紀50年代，存在工程質量和管理缺失等方面的問題，病險水庫多達40%。據統計，截至2017年年底，中國實施降等與報廢的水庫6 539座，其中降等4 021座（中型3座、小型4 018座），報廢2 518座（中型3座、小型2 515座），水庫降等與報廢工作嚴重滯后，危害人民生命和財產安全。為規范水庫的降等與退役，中國于2003年出臺《水庫降等與報廢管理辦法》，2013年發布配套技術標準《水庫降等與報廢標準》，并在2016年底發布的《水電“十三五”規劃》中提到“建立中小水電破壞生態環境懲罰退出機制”。這些政策為水庫大壩降等和退役提供依據，但僅針對水庫大壩運行管理方面，而對退役大壩的拆除方面，如拆除大壩后如何修復河道和周圍生態系統以及拆壩后的社會經濟和生態影響評價等問題未出臺相關的政策和實施細則。總結現有的水庫退役影響研究相關文獻，水庫退役影響研究以定性分析為主，且偏向于退役后的生態環境影響，定量分析和綜合性分析較少。Doyle等［1］提出了概念性渠道演變模型（CEM），Bednarek［2］從時間維度入手，分析總結拆壩后短期內生態指標變化和達到新的準平衡狀態的長期生態效應。方崇等［3］聚焦于魚類種類和數量變化的研究，指出拆壩后受河流生態系統的影響，靜水環境消失，新生態系統構建使得魚類豐度增強的狀況。王若男、俞云利等［4-5］針對拆壩對生態系統的影響，提出了河流修復措施的研究方向和應用前景。本文基于現狀，對小型水庫退役影響進行分析研究，系統整理了水庫退役的生態、經濟和社會影響，并就江西某小型水庫的退役影響進行綜合評價，優選網絡分析法建立評價體系，考慮到影響評價的模糊特性，引入模糊數學理論以降低網絡分析法的主觀影響，使評價結果更為準確客觀。

1 小型水庫退役影響評價方法

水庫退役相關評價方法主要有層次分析法、熵值法及其變種反熵值法等，但上述方法不能準確表達各影響指標間的耦合關系及模糊特性。本文采用模糊網絡分析法（F-ANP）［6］研究小型水庫退役影響。該方法是基于網絡分析法（ANP）［7］和三角模糊數理論［8］的綜合分析方法，考慮了各評價指標之間的相互關系，具有一定層次性，一定程度上克服了模糊綜合評判和網絡分析法的局限性，整體系統性較強，是網絡分析法在偶然性、模糊性和不確定性上定性量化的一種延伸方法。

1.1 網絡分析法

網絡分析法ANP網絡結構分為控制層和網絡層。建立指標評價體系后，各指標間并不是相互獨立的，而是互相影響，存在一定的耦合關系，ANP網絡結構見圖1。

利用指標間的相對重要性，建立判斷矩陣：

ejl=ei1ei2…ei2

ei2ei2…ei2

einieini…eini（1）

由特征根法得到排序向量W（jl）i1，W（jl）i2，…，W（jl）ini，記Wij為：

W=W（j1）i1W（j2）i2…W（jnj）i2Wi2W（j2）i2…W（jnj）i2

W（j1）iniW（j2）ini…W（jnj）ini（2）

W為所有因子相互影響下所得的超矩陣，求解后即為各因子之間的相對權重。

胡國平 等 基于模糊網絡分析法的小型水庫退役影響評價

1.2 三角模糊數理論

模糊數是對某個對象模糊特性的表達，利用三角模糊數整合意見，克服人為主觀性，使決策更加科學合理。

設有函數F=x∈RμF（x），Rl：－∞

μM（x）=?? 0????? xu

（x－l）/（m－l） ??l≤x≤m

（x－u）/（m－u）? m≤x≤u（3）

式中：l≤m≤u，l是M的上界，m是M的中值，u是M的下界。l和u代表著判斷的模糊程度，u－l與模糊程度成正比，當l=m=u時，M是普遍意義的實數。三角模糊數轉化標度見表1。

1.3 模糊網絡分析法評判步驟

該方法通過網絡分析法構建指標體系，運用三角數學運算原理，建立模糊評判矩陣，并對結果進行綜合評判，主要步驟如下。① 確定ANP網絡結構。基于評價因素之間的相互關系，確定出合理的網絡結構模型。② 確定因素集及評語集。確定評價目標的評語集：V=V1，V2，…，Vm；確定評價因素集U=U1，U2，…，Uk，…，Un。③ 確定模糊關系矩陣。進行單因素評價，建立模糊關系矩陣。即U到V的關系矩陣R。④ 用ANP法確定權重。采用1～9標度法確定判斷矩陣具有一定離散性，因素之間的相對重要性判斷標準很大程度上取決于主觀判斷，使用三角模糊數學是網絡分析法在偶然性、模糊性和不確定性方面進行量化的一種延伸方法。⑤ 確定結果。運用模糊數學運算方法，確定綜合評價結果。計算取用不同算子解決不同實際問題。常用的為M（∧，∨），M（g，∨），M（∧，），M（g，），見表2。本文選擇M（∧，）算子來計算加權平均值，根據最終指標向量，結合評語集確定評價結論。

2 模糊網絡分析法評價模型構建

小型水庫退役影響在時間和空間上是綜合變化的過程［9］，時間變量維度上，本文選取的各影響指標以生態影響為初始影響、經濟影響為次生影響、社會影響為最終效應，綜合對空間維度的考量，以水庫上游、主體和下游等指標建立模糊網絡分析法評價模型。

2.1 ANP網絡結構

ANP網絡結構中各指標間相互影響，存在一定的耦合關系，見圖2。

2.2 構建因素集與評語集

2.2.1 因素集構建

根據模糊網絡分析法原理構建水庫退役影響評價因素集，建立某水庫退役影響評價體系，見圖3。結合上述ANP網絡結構示意圖和某水庫退役影響分析體系，進一步厘清各個指標水間的耦合關系，見表3。

2.2.2 評語集構建

評語集是對各層次評價指標的一種語言描述，是專家評審人對各評價指標所給出的評語集合。本模型根據水庫退役各種影響大小將評語分為五級，將標準定量化為百分制，具體的評價集確定為V=v1，v2，v3，v4，v5=特優，優，良，中，差，具體評價標準：評價得分90分以上，評價等級為特優，表示超出預期結果；得分80分以上，等級為優秀，表示達到預期結果；得分70分以上，等級為良好，表示比較符合預期結果；得分60分以上，等級為中等，表示基本符合預期結果；得分低于60分時，等級為差，表示達不到預期結果。

2.3 確定模糊關系矩陣

對三級因素進行單因素評價，建立單因素評價矩陣。即A到V的關系矩陣R。

R=r11r12r13…r1nr21r22r23…r2nrm1rm2rm3…rmn（4）

2.4 確定權重

本文從二級指標物理化學影響C11、生境影響C12、生物影響C13、經濟成本C21、經濟效益C22、社會效益損失C31、社會效益C32等7個方面進行評價。邀請專家對評價對象進行評估，對評估結果進行統計，得到模糊兩兩判斷矩陣，再用特征根法（借助MATLAB軟件進行運算）計算出合適權重向量。具體步驟如下。

（1） 構造三級指標模糊權重矩陣。構建退役影響評價模型，考慮各元素組之間存在互相影響關系，得到成分模糊關系矩陣A。

A=a11a12a13a14a15a16a17a21a22a23a24a25a26a27a31a32a33a34a35a36a37a41a42a43a44a45a46a47a51a52a53a54a55a56a57a61a62a63a64a65a66a67a71a72a73a74a75a76a77（5）

（2） 在元素集C11（物理化學影響）中，以元素D11（水文影響）為準則，元素集C11（物理化學影響）中的元素D11（水文影響）、D12（泥沙影響）、D13（地形地貌影響）、D14（水質影響）對元素D11（水文影響）的影響大小按照1～9標度法構建模糊判斷矩陣。

通過特征根法可得排序向量（W（11）11，W（11）12，W（11）13，W（11）14）T，即元素集C11中元素D11，D12，D13，D14對元素D11影響程度的排序向量。同理，分別以元素D12（泥沙影響）、元素D13（地形地貌影響）和元素D14（水質影響）為準則，可得排序向量（W（12）11，W（12）12，W（12）13，W（12）14）T、（W（13）11，W（13）12，W（13）13，W（13）14）T和（W（14）11，W（14）12，W（14）13，W（14）14）T。將上述4個特征向量進行矩陣組合，可以得到模糊判斷矩陣W11。

（3） 按照相同計算原理，最終可得模糊判斷矩陣W11，…，W17；W21，…，W27；W31，…，W37；W41，…，W47；W51，…，W57；W61，…，W67，W71，…，W77求得二級結構模糊矩陣，即模糊超矩陣W。

W=W11W12W13W14W15W16W17W21W22W23W24W25W26W27W31W32W33W34W35W36W37W41W42W43W44W45W46W47W51W52W53W54W55W56W57W61W62W63W64W65W66W67W71W72W73W74W75W76W77（6）

（4） 構造模糊加權超矩陣計算權重W—。

W—=A·W=

a11W11a12W12a13W13a14W14a15W15a16W16a17W17a21W21a22W22a23W23a24W24a25W25a26W26a27W27a31W31a32W32a33W33a34W34a35W35a36W36a37W37a41W41a42W42a43W43a44W44a45W45a46W46a47W47a51W51a52W52a53W53a54W54a55W55a56W56a57W57a61W61a62W62a63W63a64W64a65W65a66W66a67W67a71W71a72W72a73W73a74W74a75W75a76W76a77W77（7）

重復上述步驟可得層次B（B1，B2，B3）的成分模糊關系矩陣B、模糊超矩陣M及以層次B準則的加權超矩陣M—。且A=M—，可得

W—=A·W=M—·W=B·M·W（8）

（5） 計算極限排序。利用最大特征根法求得W的最大特征根1所對應的歸一化特征向量Wt，Wt即為各項評價指標對大壩退役影響評價的權重。根據Wt中各數值的大小所對應的評價指標進行降序排列，其排序即為所選評價指標對大壩退役影響評價權重大小的排序。

2.5 確定評價結果

根據權向量Wt和模糊評價值矩陣R，進行綜合評判，可得評判模型Q。

Q=Wt·R（9）

式中：Q為綜合評判向量；R為綜合評判矩陣；Wt表示該層指標的權向量；運算符“·”為模糊算子。

3 實例分析

3.1 水庫基本情況

3.1.1 水庫退役前基本情況

江西省撫州市高新區某水庫設計灌溉面積約33.33 hm2（500畝），影響人口800人，是一座以防洪為主，兼有灌溉、養殖等綜合效益的小（2）型水庫。水庫實際總庫容5.03萬m3，未達到原庫容26.1萬m3，實際功能指標達不到水庫原工程設計。該水庫位于改造提升示范項目規劃區內，退役后為城市景觀湖，在經濟、社會生活及生態等方面具有重大意義，水庫原狀及退役效果見圖4～5。

3.1.2 水庫退役后基本情況

（1） 生態系統狀況。生態系統狀況調查主要分為以下6個方面。① 水文。測量拆壩前后大壩上下游的流速比、水溫比和徑流量比。② 泥沙。原庫區大部分泥沙已在枯水期挖除，遺留泥沙采取原地固置和自然沖蝕的方式處理，該河流自然美觀，不存在明顯的堵塞現象。③ 地形地貌。專家組走訪了庫區周邊，拆壩前大部分河岸不穩定情況得到明顯改善，拆壩后加固河岸，河岸穩定性增加。④ 水質。水質評價共選取pH值、溶解氧、濁度、生物需氧量（BOD）、化學需氧量（COD）等指標，拆壩后水質得到明顯改善。⑤ 河流。拆壩后未發現河流有明顯堵塞現象，下游河段塊石卵石較多，河床基質較為豐富。⑥ 植物覆蓋率。通過歷史遙感影像資料和現場調查，河道及岸邊整治工作全部完成后植物覆蓋率顯著提升。

（2） 經濟影響狀況。專家組復核了該水庫退役資金，以其有效利用率作為評分標準打分，水庫退役節省的運行維護費用和安全費用等粗略采用歷年平均費用，由專家進行評分。現場走訪得知生態公園周邊土地的財產價值得到極大提升，生態公園的美學價值和觀光旅游等生態系統服務價值顯著增強。

（3） 社會影響狀況。采用發放問卷的方式調查社會影響滿意度，共發放100份問卷，回收100份，有效問卷92份。專家根據問卷調查結果評估其社會影響。

3.2 確定模糊關系矩陣

為得到較為真實的水庫退役影響評價，本文征求水庫降等與報廢工程項目專家共20人組成評審團，結合上文指標評價，以問卷調查的形式對綜合評價系統第三層元素進行單因素評價。通過對調查表的回收、整理、統計，得到評價結果如表4所示。根據表4，建立單因素評價矩陣，即U到V的關系矩陣R。

3.3 確定權重

根據上述統計，構造模糊加權超矩陣并計算權重。利用最大特征根法求得W—的最大特征根1所對應的歸一化特征向量Wt，見式（10），Wt為各項評價指標對大壩退役影響評價的權重。根據Wt中各數值的大小所對應的評價指標進行降序排列，其排序即為所選三級評價指標對大壩退役影響評價權重大小的排序，各項評價指標權重見表5。

Wt=（0.0303，0.0285，0.0223，0.0289，0.0530，

0.0505，0.0586，0.0277，0.0515，0.0893，0.0631，

0.0553，0.0867，0.0715，0.0445，0.0355，0.0315，

0.0471，0.0809，0.0435）T（10）

3.4 綜合評價

本文綜合評價合成算子選擇M（∧，）型，即加權平均型算子，計算結果如下。

Q=Wt·R=

0.0303

0.0285

0.0223

0.0289

0.0530

0.0505

0.0586

0.0277

0.0515

0.0893

0.0631

0.0553

0.0867

0.0715

0.0445

0.0355

0.0315

0.0471

0.0809

0.0435T

0.000.150.750.100.00

0.000.100.700.200.00

0.000.150.650.200.00

0.000.150.600.250.00

0.000.350.600.050.00

0.000.450.550.000.00

0.000.600.400.000.00

0.000.200.550.250.00

0.200.650.150.000.00

0.300.650.050.000.00

0.000.550.450.000.00

0.350.400.250.000.00

0.000.400.600.000.00

0.000.000.850.150.00

0.000.150.600.250.00

0.000.300.600.100.00

0.000.500.500.000.00

0.000.600.400.000.00

0.000.250.500.250.00

0.000.200.650.150.00=

（0.05640.37020.49120.08210.0000）（11）

最終得分計算公式為

S=Q·F（12）

式中：S表示水庫退役影響評估綜合得分；F為評價集分值向量，且F=10090807060T。經計算S=84.01分，根據評語集判斷標準，評分80分以上，達到預期結果。

3.5 評價模型應用

根據上述評價模型及計算步驟，可將模型應用于其他類型水庫。某水庫是一座小（2）型水庫。水庫正常高水位為59.60 m（黃海系統，下同），相應庫容63.2萬m3；死水位53.60 m，相應庫容1.1萬m3，因城區開發及水庫原設計功能逐漸喪失，該水庫退役后應用上文評價模型計算得到的最終結果為

Q=（0.04320.42380.41400.08360.0354）

經計算S=83.56分，根據評語集，評分80分以上為達到預期結果，通過本文評估體系得出該水庫退役影響在準確性上較可靠，驗證了評價模型建立合理，評價方法可行有效。

4 結 論

本文運用模糊網絡分析方法評價江西省某小型水庫的退役影響，考慮了水庫退役影響指標之間的耦合關系與影響指標模糊特性，應用模糊數學原理降低網絡分析法的主觀影響，最終的評價結果與實際情況相符合，文中所建立的模型較為準確，為水庫退役工作提供一定借鑒和指導。

參考文獻：

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［3］ 方崇，蘇超，陸克芬，等.退役大壩拆除后對河流魚類生長環境的影響［J］.安徽農業科學，2008（19）：8120-8122.

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［9］ 譚界雄，李星，楊光，等.新時期我國水庫大壩安全管理若干思考［J］.水利水電快報，2020，41（1）：55-61.

（編輯：唐湘茜，張 爽）

Impact assessment of small reservoirs decommissioning based on Fuzzy Analytic Network Process

HU Guoping1，WANG Chaoqun2，LI Lianghui2

（1.Jiangxi Academy of Water Sciences and Engineering，Nanchang 330029，China； 2.School of Engineering and Construction，Nanchang University，Nanchang 330031，China）Abstract：

In order to cope with the effects of dangerous aging，function loss，economic decline and ecosystem degradation of small reservoirs in China，ensure the scientific decision of reservoir decommissioning and promote the decommissioning work，the Fuzzy Network Analysis Process was applied to establish a small reservoir decommissioning impact evaluation model from three aspects of ecological environment，economy and society，to analyze and evaluate the impact of reservoir decommissioning.Taking a small reservoir in Jiangxi Province as an example，the basic situation of the reservoir after decommissioning was investigated，the fuzzy relation matrix and weight were determined and the comprehensive evaluation was carried out.The results showed that the evaluation model was reasonable and the evaluation results were consistent with the current situation，which indicated that the constructed method system has strong applicability to the decommissioning decision of small reservoirs，and can provide technical support for the relevant departments to make reservoir decommissioning plans.

Key words：

small reservoirs； decommissioning impact； Fuzzy Analytic Network Process； evaluation model

收稿日期：

2022-06-10

基金項目：

江西省水利廳科技項目（202022YBKT25）；江西省水利行業地方標準制定項目（202223BZKT03）；江西省水利行業地方標準制定項目（202324BZKT02）

作者簡介：

胡國平，男，高級工程師，碩士，主要從事水工程安全評價及防災減災研究工作。E-mail：190373590@qq.com