庄河市英那河堤防工程安全综合评价

梁德帅

(庄河市水利建筑勘测设计院，辽宁 庄河 116400)

0 引 言

堤防工程是保障社会发展和国家经济的生命线，在保护河道生态环境、保障人民财产安全和抵御洪水灾害等方面发挥着不可替代的作用。然而，堤防工程因受外界环境条件、堤基、堤身等条件限制，一旦发生溃堤、漫堤等灾害将直接导致巨大的经济损失和严重的后果。因此对防洪堤灾害风险、安全状况的科学评价，对于保证水利设施效应的正常发挥和河道防洪安全具有重要意义。目前，在堤防安全评价方面国内外诸多学者从多个方面开展了研究分析，依据当地具体情况和堤防自身特点构建了相应的评判体系。关于堤防安全评价国内主要借鉴大坝安全评价的方法，按照安全评价的适用范围、目的和要求选择合适的评价方法，较为常用的有综合法、检查表法、评分法、概率法和危险指标法等。然而，由于不同历史条件下形成的堤防工程，存在影响因素多、情况复杂、堤线较长、分布范围广以及全线监测难度大等特点，全面掌握整个堤线的运行状况并给出科学的评判往往存在较大的困难。当前还未形成较为科学、统一的评价方法和理论体系，可供查阅的文献资料和行业技术规范也较少[1-4]。

由于特殊的地理位置和气候条件，庄河市英那河堤防工程在长期的滩涂围垦和暴潮影响下，其堤身结构、荷载因素等均存在一定的特殊性。文章结合堤防工程建设相关资料、堤防毁坏和现状情况，从内部和外部两个方面选择堤防安全影响因子，从而构建多层次综合评判体系，并对评价指标权重运用耦合了熵权和改进的FAHP法计算，结合堤防运行实际情况和专家评分结果确定各参数值，最终对该堤段的防洪安全作出客观、科学的评价[5-6]。

1 堤防工程风险因子

堤防工程安全评价应充分考虑当地经济社会发展对堤防安全运行的影响，结合堤防所在河段的河道演变情况、堤防建成后的洪水情势变化和原设计洪水位等条件，依据现行有关标准对堤防现状防洪能力作出准确判断[7]。因此，文章结合工程实践经验和堤防工程相关资料，针对英那河堤岸破坏特点拟定风险因子。

在归纳分析堤防失事模式的基础上，从内部和外部因素两个层面统计风险因子，其中内部因素主要有施工质量、保滩护堤和护坡、堤基特性以及堤身特性，而其他因子和荷载特性为影响堤防安全的外部因子[8]。依据堤防工程特点和层次网络结构体系，通过分析确定各类风险因子建立多因子、多层次评判体系，如表1所示。

表1 堤防安全综合评判体系

2 堤防安全评价中改进的模糊数学法的应用

客观权重法和主观权重法为多目标、多层次评价体系权重计算的主要方法，其中主观法是结合实践经验和知识偏好确定各参数的贡献率，如乘积标度法、AHP法和专家咨询法等，在实际应用时这些方法的透明性和再现性较差；客观赋权法主要是依据各指标的客观数据和有效信息含量赋予相应权值，如BP网络法、投影寻踪法、因子分析法、熵值法等，这些方法能够有效避免人为因素的干扰，但其解释性较差。为有效解决主观随意性和单一方法解释性较差的问题，文章通过对熵权法、FAHP法的集成运算确定各指标的综合权重，进一步评价分析影响堤防安全的关键性因子及其贡献率。

2.1 FAHP-熵组合法确定权重

因具有迭代速度快、形式简单等优点模糊层次分析FAHP法被广泛适用于多目标、多因素的决策分析，该方法能够有效解决传统的AHP法存在的透明性和再现性较差的问题。文章对评价指标的主观权重考虑选用模糊层次分析法计算，依据0.1-0.9标度法确定判断矩阵F={fij}n×n的元素，见表2。

表2 0.1-0.9数量标度

熵权是描述系统离散化程度的重要参数，在堤防安全评价中信息熵的大小代表了指标包含有效信息量的多少。根据信息论基本原理，指标包含的有效信息量和信息熵的大小呈正相关性，即信息量越大则该参数提供的有效信息越大，在评价过程中其重要性程度越高，因此赋予的权值就越大；反之，信息量越低则样本提供的信息越少，在评价过程中该样本的重要程度越低，由此确定的权值就越小。熵权法能够有效避免人为因素的干扰，更能反映评价对象的实际状况。

设W0=[w01，w02，…，won]T、Ws=[ws1，ws2，…，wsn]T分别为熵权法和改进的FAHP法确定的指标权重，为了尽可能的降低熵权法和FAHP法耦合确定的权重偏差，根据最小信息熵原理建立如下函数，其表达式为：

(1)

对堤防安全各指标主、客观组合权重利用拉格朗日乘法算子进行计算，由此确定最终的组合权重如下：

(2)

2.2 安全评价等级

我国地域面积较大且不同地区的堤防标准存在较大差异，自1997年长江大水后国家对堤防工程建设出台了相应的设计规范，而在此以前各地区均依据当地标准进行水利建设，不同地区的堤防安全标准并不相同。因此，堤防安全等级要考虑堤防保护范围内的防洪标准、当地防洪治理发展规划以及流域范围内的防洪要求等内容综合确定，依据防洪标准中的相关规定和堤防安全评价导则确定安全评价等级。文章借鉴相关资料和堤防运行实际状况，结合水库大坝安全评价标准将堤防安全划分为危险、轻度危险、安全较好、安全性好4个等级，见表3。

表3 堤防安全评价等级

2.3 堤防安全综合评价

依据现场检查情况和专家评分法对堤防安全各指标进行评分，从而确定相应的参数值Li，同时利用组合权重计算法确定综合权重，按照下式计算确定堤防安全评价值S，即：

S=∑ni=1LiZi

(3)

式中：Zi、Li分别为堤防安全评价指标权重及其评价值。

3 实例应用

庄河市位于辽宁省南部，地理坐标为E122°29′-123°31′，N39°25′-40°12′，总面积4113.6km2，属于我国重要的淡水鱼养殖和商品粮生产基地。市辖区为温暖带季风气候，四季特征为冬冷干燥少雪、秋高气爽、夏季多雨炎热、春季多风少雨，年均气温7.5℃，年降水量680mm。历史资料显示，庄河市英那河段曾多次发生洪涝险情，堤防防洪能力经多次除险加固处理得到一定提升，以该河段堤防工程为例运用文中所述方法进行综合评价[9]。

根据堤防工程监测分析和现场调查结果，对各风险因子利用专家评分法赋值，见表4。

表4 基于专家评分法的堤防安全指标值

3.1 风险因子权重计算

堤防安全评价判断矩阵的建立依据为多目标、多层次评判体系中各因子之间的相对贡献率，结果如下：

根据文中综合权重计算公式最终确定堤防安全各指标权重为：A-B:(0.720,0.280)T，B1-C:(0.316,0.280,0.242,0.162)T，B2-C:(0.630,0.370)T，C1-E:(0.312,0.217,0.266,0.205)T，C2-E:(0.245,0.446,0.308)T，C3-E:(0.195,0.447,0.358)T，C4-E:(0.566,0.434)T，C5-E:(0.472,0.528)T，C5-E:(0.405,0.321,0.274)T。

3.2 结果分析

根据组合权重计算公式和确定的各层次指标权重，最终可确定堤防安全各风险因子的综合权重，然后对各风险因子依据现场调查结果和专家打分法进行赋值如表5所示，最终得到该堤防工程的综合评分为85.568。

表5 庄河市英那河堤防安全综合评价值

根据以上评价结果和防洪安全等级划分标准，庄河市堤防工程处于安全性较高水平。根据各风险因子评价值可以看出，对堤防工程安全性影响较大的因子有堤顶高程、保滩护堤、水位、风暴潮、渗控措施等，另外堤防安全还与堤基处理、生态防护、施工质量等因素相关。

4 结 论

由于特殊的地理位置和气候条件，庄河市英那河堤防工程在长期的滩涂围垦和暴潮影响下，其堤身结构、荷载因素等均存在一定的特殊性。文章以该河段堤防为例，结合工程实践经验和现场调查结果，基于多层次框架结构构造了堤防安全综合评价体系，并对各风险因子的综合权重利用熵权与FAHP相结合的方法计算确定，科学评价了堤防运行的状况，主要结论如下：

1)综合考虑主、客观权重的组合方法可提高权重计算的合理性和可靠性，能够更加客观的反映专家意愿和各参数信息的实际情况，该堤防工程处于安全性较高水平

2)结合堤防保护范围内的防洪标准、当地防洪治理发展规划以及流域范围内的防洪要求等内容，依据防洪标准中的相关规定和堤防安全评价导则确定堤防安全评价等级，然后对各项指标值依据专家评分法依据工程实际状况赋分，将堤防安全运行情况利用综合评价值来反映，同时较为客观、准确的确定了影响堤防安全的因素，可为河道防洪体系建设与治理规划提供一定指导。