进贤县严桥水闸除险加固效果综合评价

李 伟

(江西省进贤县水利局，南昌 331700)

0 引 言

据统计，水闸加固工程于2017年底已基本完成，如太浦闸、万福闸、江都西闸、射阳河闸等，而关于加固效果还未形成系统、完善的评价体系[1]。从系统工程理论的角度可认为，水利工程加固效果评价属于一个复杂的具有复合不确定性的多次层、多因素系统工程。当前加固效果评价主要是依据工程建设项目与效益增量间的关系评价其经济效应，以及采用监测反分析、理论计算和数值模拟等方法对加固整治前后某一性能指标的提升程度进行科学评价[2-4]。关于加固效果的综合评价侧重于病险水库大坝工程，涉及水闸工程的评价体系和研究方法尚处于初步阶段。

云模型是一种考虑了事物离散性、随机性和模糊性特征的能够实现定量与定性转化的数学方法，在多个领域中已被广泛的应用。水闸加固效果评价的指标权重、基层参数信息等具有显著的不确定性，且极差、较差、一般、较好、极佳等加固效果评价等级为一个范围。鉴于此，结合水闸加固工程特点和投资项目后评价管理办法构建较为系统、科学的评价体系，基于云模型理论建立加固效果评语集、权重和评价结果云模型，在此基础上研究其不确定性和模糊性，以期为提高评价结果的精确性和系统性提供科学的依据[5-8]。

1 构建评价体系与评价标准

1.1 评价指标体系

在遵循可度量、可操作性、独立性和代表性等原则的基础上，根据水闸加固工程特点和投资项目后评价管理办法，从安全鉴定、服役性能、设计方案、经济效益和可持续发展效应等方面选择21个典型指标建立评价体系，见表1。

1.2 划分等级标准

基于基础层指标信息的综合评价体系，较为常用的确定方法有最大等级隶属度和加权综合评分值确定方法。前者是从基础层评价指标逐层计算对各等级标准的单一隶属度，研究对象的综合隶属度采用加权汇总法生成，按照最大隶属度原则确定综合评价等级；后者则是对各标准化指标值进行逐层加权汇总计算，然后对综合评价等级依据拟定的评定标准确定。据此，文章对水闸加固效果评价拟采用专家打分百分制方案，综合评分值利用加权汇总法计算。结合已有研究成果和工程实践经验，将评价等级划分为极差、较差、一般、较好和极佳5个等级，对应的评分值依次为[0,60)、[60,70)、[70,80)、[80,90)、[90,100]。

表1 病险水闸加固效果评价体系

2 确定指标权重及评语集

2.1 云模型理论

云模型是以概率统计学与模糊数学为理论依据，根据精确数值与不确定性语言之间的随机性、模糊性变化特征，构建定量与定性互换模型，在定性描述和定量分析互换处理方面具有较强的实用性。其基本原理为：设U、C为定量论域及其范围上的定性概念，C的一次随机时间为任意定量值x，x∈U；若满足一定概率分布的随机数为x对C的隶属度μ(x)∈[0，1]，即μ：U→[0，1]、∀x∈U、x→μ(x)，则论域U上的x称为云滴，其分布称为云。对于同一个概念的描述，云模型依据特征参数超熵He、熵En和期望Ex实现，分别反映了论域上云滴的厚度、不确定度和中心值。

当调查样本数目不足以利用频度分析法直接生成隶属度信息时，可对云模型的特征参数He、En、Ex利用Matlab软件和无隶属度信息的逆向云发生器计算，各组特征参数对应的云模型按照正向云发生器生成。采用下述公式计算确定逆向云模型的特征参数，即：

(1)

(2)

(3)

式中：Qj、n为样本j的指标值和调查样本总数。

基础层评价指标信息与水闸加固效果评价结果密切相关，在评价过程中主要涉及基础层评价结果云与权重云的计算。通过对特征参数的计算替代云朵之间的计算，表2为运算法则。

表2 云模型运算法则

2.2 权重云模型

通过设计调查问卷确定水闸加固效果各指标权重，采用专家打分法收回有效问卷40份，将权重云模型特征参数利用归一化公式处理，结果见表3。

2.3 评价结果云模型

水闸加固评价结果云模型按照所构建的评价体系可分为3种，即综合、一级和二级指标结果云。根据能否用精确数值描述的原则将评价指标划分为两类，即定量计算和定性分析指标。通过对加固前、后各指标状态的比较实现参数值的量化计算，但分析过程等级标准的划分缺乏科学的依据。对此，文章将水闸加固效果各项指标均作为定性参数，采用专家打分法依据指标内涵赋分，将特征参数利用专家评分和逆向云发生器确定，由正向云发生器生成二级指标结果云和可视化云图。然后依据云模型运算法则和二级评价指标结果云及其权重云，通过逐层加权汇总生成综合评价结果云。

表3 权重云模型特征参数

根据水闸加固效果评各指标权重云模型的特征参数，运用Matlab软件生成一级指标权重云，见图1。

(a)评价指标A

(b)评价指标B

(c)评价指标C

(d)评价指标D

(e)评价指标E图1 水闸加固效果评价权重云模型

2.4 评语集云模型

评价等级的划分标准与评语集云模型之间存在密切联系，在评价等级区间已经确定的条件下，服从正态分布的求解公式还要满足界限约束条件，取He=0.1En。为准确获取相邻边界的约束值，有必要对不同等级之间的边界条件进行模糊化。相邻边界值的隶属度均为0.5，且分属于连续的不同等级，则云模型特征参数在评价等级i中为：

(4)

(5)

式中：xdli、xuli为水闸加固效果评价第i个等级的下限与上限值。

以水闸加固效果为研究对象，将极差和极佳两个端部评价等级利用以上云模型参数求解公式，在计算过程中易出现偏离实际情况的现象，即极佳等级隶属度由0.5增大至1.0时所对应的指标分值从100减少至95分。对此，文章设定100分和50分作为加固效果极佳、极差等级的期望值Ex1、Ex5，相应的熵值分别为为En1=(Ex1-xdl1)/(2.335/2)=8.49、En5=(Ex5-xdl5)/(2.335/2)=8.49。综上分析，确定水闸加固效果评语集的云滴分布特征(图2)和云模型特征参数，见表4。

表4 水闸加固效果的评语集云模型特征参数

水闸加固效果综合评价结果依据云运算法则确定，通过比较分析图1中的评语集云和表4计算结果获取最终的评价等级。

图2 水闸加固评语集云模型

3 实例研究

3.1 工程概况

严桥水闸是一座以排涝、灌溉为主兼有综合利用的中型水利工程，实际控制流域28.5km2，设计与实际灌溉面积均为800hm2，最大下泄流量为173m3/s。1960年工程建成投运，经2005年改造形成当前规模，水闸枢纽主要建筑物包括：1号泄水闸、2号泄水闸，灌溉进水口等。根据水闸设计规范和水电工程防洪标准，确定本工程为Ⅲ等。

自建成以来工程服役运行52年，主要承担着沿途村民生活用水及万士坑村、下埠乡下埠林场等800hm2农田灌溉用水，为人民安居乐业和灌区农业经济持续稳定发展发挥着较大的社会胸衣。为充分发挥工程效益和确保水闸的安全运行，保障国家财产安全和下游居民安全，有必要对进贤县严桥水闸实施除险加固工程。水闸加固的主要工程建设任务是：改建1#和2#两座泄水闸、一座灌溉进水闸；加固连接段土堤；更新金属结构、机电设备；新建管理房；进闸公路等。通过对进贤县严桥水闸进行除险加固，确保效益的充分发挥和水闸蓄水安全，提高水闸安全性能并消除水闸安全隐患[9,10]。

3.2 特征描述

工程合同工期为2014年11月-2015年4月，工程实际开工时间2014年12月，2015年10月主体工程全部完工，实际施工工期为12个月。根据评价指标体系和水闸加固工程实际情况，确定严桥水闸各指标特征见表5。

对严桥水闸除险加固效果邀请7位长期从事水利工程相关研究且具有高级职称的专家，依据以上各指标特征描述进行打分，基础层各指标结果云的特征参数利用逆向云发生器计算，结果见表6。根据表6可知，加固效果评价体系中属于极佳等级的指标有17个，其它4项指标的期望值为较好等级；二级指标中资源可持续利用程度的期望值最低为81.35，其原因为拆除的大部分老闸石块和废弃混凝土未作为再生骨料加以利用，向外运输引起成本的增大。

表5 严桥水闸加固效果评价指标特征

表6 水闸除险加固评价结果云的特征参数

根据云模型运算法则和以上计算结果，将综合评价结果云的特征参数按逐层加权汇总法计算确定见表6，对比分析评语集云模型和综合评价结果云的期望值，见图3。

图3 严桥水闸加固效果综合评价结果云

从图3可知：水闸加固效果期望值为92.88，依据评级等级标准认为严桥水闸加固效果达到极佳水平；在计算过程中超熵He、熵En分别为4.25、12.91，二者存在较大的偏差，85-100为云滴的主要分布区间，但大量云滴还存在于70-85范围，可见严桥水闸加固效果评价仍存在很大的不确定性，且能够对评价结果稳定性产生显著的影响，有必要进一步分析产生此不确定性的原因。

依据水闸除险效果评价过程和云模型理论，基层评价指标打分结果和权重的不确定性为引起综合评价结果不确定性的主要因素，且与两者的加法、乘法运算的不确定相关，通过敏感性分析探讨了以上两种不确定性的传播效应。详细流程为：将He、En特征参数在基层指标结果云和权重云折减，以0.2同时与各参数权重的He、En相乘，评价结果见表8。

表8 加固效果评价不确定性的敏感性分析

研究表明：加固效果评价结果受基层指标打分的影响程度较低，而与权重的不确定性之间存在紧密的联系。另外，水闸加固效果评价体系各指标权重也具有普遍的适用性；对于具体的加固整治项目，邀请专家对基础层评价指标打分时难免出现不确定性的问题，且专家组成员有限。对此，综合考虑较多专家意见合理拟定指标权重，从而降低不确定性对权重计算的影响，利用不确定性较小或定值权重较大的值降低综合评价结果的不确定性。

4 结 论

水闸加固效果评价存在许多不确定性和模糊性因素，提出能够较好反映基层数据信息获取和权重计算不确定性的云模型综合评价方法，各类不确定性在综合评价过程中的传播效应利用可量化的超熵、熵值表征。根据稳定性好、可靠性高的评价结果，对水闸加固效果做出客观、准确的综合判断。工程实例表明，在水闸加固效果评价中基于云模型理论的评价方法具有较强的适用性与有效性，提出的云模型和评价指标体系可用于其他类似水利工程。加固效果综合评价受权重的不确定性影响较大，基于专家组打分确定的基础层评价指标不确定性影响较低，在水闸加固效果评价中应广泛听取多位专家意见，从而确定普遍适用的指标权重和评价体系，以便减弱评审专家较少时对单个工程评价的不确定影响。