某水利工程布置方案的模糊综合评价研究

李嘉陵

(广东华迪工程管理有限公司，广州 510000)

1 工程背景

某水利枢纽及输水工程主要由水利枢纽、输水管线以及净水厂3部分组成，工程的主要任务是为城市供水，兼有发电和防洪等其他功能。坝址以上控制流域面积5 869 km2，设计库容量2.35×108m3，工程建成之后可以有效提升当地水资源的利用效率，缓解下游城市的生产生活用水紧张状况。在水利工程规划建设过程中，选择合理的位置和最佳的布局具有十分重要的意义和作用[1]。其中，枢纽的布局应该确保不同功能建筑物位于各自的位置，并能够相互协调地完成相应的工作任务；同时还要尽量减小工程成本和项目占地，以减少投资[2]。基于此，本文利用模糊综合评价法，对背景工程的坝型、筑坝材料、闸门形式以及生态流量泄流形式等布置方案进行优化研究，以期为工程设计和建设提供支持和借鉴。

2 模糊综合评价法

2.1 方法原理与特点

模糊综合评价法来源于学习和研究对象的模糊性，其基本原理是将模糊对象以及反映这些对象的模糊概念当成一定的模糊集合，然后建立适当的模糊隶属函数，通过模糊集合论的相关运算与变换，对研究对象本身进行定量化的分析[3]。模糊综合评价法可以进行多层次评价，且评价过程本身属于不断循环的过程。具体而言，前一过程的综合评价结果可以为后面过程的综合评价提供必要的数据依据[4]。因此，针对较为复杂的评价对象，可以进行单级模糊综合评价与多级模糊综合评价。

2.2 评价步骤

在利用模糊综合评价方法对研究对象进行评价时，需要按照如下步骤进行：

1) 确定评价对象的具体评价指标，所有的评价指标组成评价指标集。

2) 确定评价对象的评语等级域，也就是评判集，每一个等级对应一个模糊子集。

3) 构建模糊关系矩阵。在模糊子集建立完成之后，需要对所选取的评判对象的每一个因素逐步进行量化，也就是确定评价对象的模糊子集的隶属矩阵，并获取评价对象的模糊关系矩阵[5]。

4) 确定评价因素的权向量。利用层次分析法获取评价指标之间的相对重要性排序，确定权重系数，并在合成之前实现归一化。

5) 合成评判结果向量。利用合适的权重集将评价因素权向量和相应的隶属矩阵进行合并，获取评价对象的评判结果向量。

6) 评判结果向量分析。在实际评价过程中，一般采用隶属度最大的原则进行分析和处理。此次研究中为了避免信息损失过多，采用加权平均求隶属度等级的方式，对评判对象进行等级位置排序，并计算出相应的得分。

3 模糊综合评价结果与分析

3.1 坝型方案

结合背景工程的实际情况，选择重力坝、土石坝和拱坝3种常用的坝型进行模糊综合评价[6]。显然，上述3种坝型各有优劣，难以简单评判出最佳坝型。研究中利用模糊综合评价法，通过发放调查问卷的方式咨询该领域的专家，选择施工工艺、技术难度、运行管理、地质条件、防渗效果、生态影响等6个指标对3种不同坝型进行打分，最终的打分结果见表1。

表1 各坝型打分情况

续表1

通过专家赋权的指标权重，将施工工艺、技术难度、运行管理、地质条件、防渗效果、生态影响等6个指标分别表示为a1、a2、a3、a4、a5、a6，然后利用层次分析法计算获取模糊一致判断矩阵，结果见表2。

表2 坝型评价指标模糊一致判断矩阵

计算指标权重为(0.124 44、0.164 44、0.172 25、0.194 44、0.178 88、0.204 44)。将打分区间分为A、B、C、D、E共5个等级，分别对应最佳、较佳、一般、较差和最差。最后，利用专家打分结果代入Matlab程序中，利用加权平均法计算隶属度，隶属度模糊矩阵的5个数字分别对应A、B、C、D、E这5个等级。计算结果为重力坝(0.432 78、0.988 97、0.244 30、0.037 26、0.000 00)；土石坝(0.276 78、0.829 77、0.876 23、0.325 44、0.072 33)；拱坝(0.275 31、0.532 85、0.572 26、0.588 76、0.028 86)。根据隶属度最高的基本原则，重力坝、土石坝和拱坝的等级分别为B级、C级和C级。由此可见，重力坝为最佳坝型，建议在工程设计中选用。

3.2 筑坝材料方案

结合背景工程的实际情况，选择常态混凝土、碾压混凝土和浆砌石3种常用的筑坝材料进行模糊综合评价[7]。研究中利用模糊综合评价法，通过发放调查问卷的方式咨询该领域的专家，选择施工工艺、施工效率、技术难度、材料强度、后期维护、生态影响等6个指标对3种不同筑坝材料进行打分，最终的打分结果见表3。

表3 各筑坝材料打分情况

续表3

通过专家赋权的指标权重，将施工工艺、施工效率、技术难度、材料强度、后期维护、生态影响等6个指标分别表示为a1、a2、a3、a4、a5、a6，然后利用层次分析法计算获取模糊一致判断矩阵，结果见表4。

表4 筑坝材料评价指标模糊一致判断矩阵

计算指标权重为(0.113 22、0.118 87、0.146 88、0.189 82、0.232 54、0.229 68)。将打分区间分为A、B、C、D、E共5个等级，分别对应最佳、较佳、一般、较差和最差。最后，利用专家打分结果代入Matlab程序中，利用加权平均法计算隶属度，隶属度模糊矩阵的5个数字分别对应A、B、C、D、E这5个等级。计算结果为碾压混凝土(0.202 21、0.848 60、0.887 52、0.192 24、0.045 68)；常态混凝土(0.222 87、0.915 43、0.392 97、0.088 76、0.042 33)；浆砌石(0.220 98、0.616 34、0.757 76、0.982 98、0.078 87)。根据隶属度最高的基本原则，碾压混凝土、常态混凝土和浆砌石的等级分别为C级、B级和D级。由此可见，常态混凝土为最佳材料，建议在工程设计中选用。

3.3 泄洪闸门形式

结合背景工程的实际情况，选择弧形钢闸门和平面钢闸门两种常用的闸门形式进行模糊综合评价[8]。研究中利用模糊综合评价法，通过发放调查问卷的方式咨询该领域的专家，选择施工工艺、施工干扰、抗震能力、泄流能力、后期维护等5个指标对不同闸门形式进行打分，最终的打分结果见表5。

表5 不同闸门形式打分情况

通过专家赋权的指标权重，将施工工艺、施工干扰、抗震能力、泄流能力、后期维护等5个指标分别表示为a1、a2、a3、a4、a5，然后利用层次分析法计算获取模糊一致判断矩阵，结果见表6。

表6 不同闸门形式评价指标模糊一致判断矩阵

计算指标权重为(0.143 35、0.192 27、0.198 97、0.245 53、0.239 88)。将打分区间分为A、B、C、D、E共5个等级，分别对应最佳、较佳、一般、较差和最差。最后，利用专家打分结果代入Matlab程序中，利用加权平均法计算隶属度，隶属度模糊矩阵的5个数字分别对应A、B、C、D、E这5个等级。计算结果为弧形钢闸门(0.482 97、0.749 26、0.369 94、0.236 67、0.000 00)；平面钢闸门(0.217 63、0.887 54、0.532 12、0.310 47、0.000 00)。根据隶属度最高的基本原则，两种闸门都属于B级别，均为最优选择级。鉴于平面钢闸门的工程投资相对较小，因此推荐使用平面钢闸门。

4 结 语

水利枢纽设计的合理性主要来自于枢纽方案的布置，需要对多种不同的设计方案进行综合评价，最终获取最佳的枢纽布置方案。此次研究以某水利枢纽工程为例，利用基于Matlab的模糊综合评价法，对大坝和泄洪闸进行综合评价，并获取最优布置方案。建议在工程设计中，采用常态混凝土重力坝坝型，采用平面钢闸门，可以在保证工程设计参数的同时节省工程投资。