基于改进云模型的河道管护效果评价方法

黄显峰，陈 雪，刘永强

(河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)

河道管护市场化是优化水利工程管护单位职能、促进管养单位转型发展的重大举措。但市场化的推行无法直接从考核的结果来评定市场化推行的正确性、合理性和实践性。因此，亟待建立完整的河道管护市场化项目后评估体系，科学分析市场化的运行效果，开展河道管护市场化行业标准的研究，树立市场化运行的标准，制定市场化培育指导意见，规范河道管护市场化运作，更好地发挥市场化管护的优势[1]。

许多学者利用科学理论方法开展了水利工程设施后评价相关研究。武博庆[2]基于多年的引滦工程项目后评价实践理论和经验，从评价内容到实际计算提出了许多建议和方法。张秀亭[3]采用逻辑框架法对水利工程项目进行垂直和水平的逻辑关系检验，并将该法运用于山东省某县的水利工程中做定性后评价。杨永东[4]结合国内外经验根据水电工程特点将评价内容分为五类，并建立完善的评价体系，用系统综合评判法对各项目进行单指标和综合评价。王萍[5]根据水利工程项目的特征构建评价指标体系，明确各个方面的评价内容，据此构建了浙江水利项目后评价指标体系。陈艳等[6]首先将后评价内容分为4个方面，即过程后评价、经济后评价、影响后评价和持续性分析，再将定量分析与定性分析相结合确定指标体系。曾露等[7]采用模糊多目标层次分析法建立水利工程多指标模型，从社会、经济、环境等多方面对水利工程设施进行后评价。肖宜等[8]根据多目标决策理论构建综合指标体系，并用灰色关联投影分析评价模型对湖南省“四水”流域治理工程进行评价分析。蔡久顺[9]针对水利工程项目评价的模糊性，采用集对分析法对水利工程项目进行定性和定量相结合的评价分析。

关于河道管护效果的评判较为模糊，不利于得到客观的评价结果。云模型[10]是一种同时具有随机性和模糊性的定性和定量相互转换的模型，能够用于计算指标等级，故本文采用云模型的评价方法对河道管护效果进行评价。为使河道管护效果的评价结果更为客观合理且具有参考性，本文对主观权重和客观权重进行组合计算，据此对各评价指标赋权。主观权重的计算采用云模型计算云权重，客观权重的计算采用投影寻踪法。将改进的云模型评价方法运用于昆山市周庄镇河道管护效果评价中，评价结果验证了改进云模型评价的合理性和可行性。

1 河道管护评价指标体系

1.1 指标体系的建立

河道是水资源的载体，为保证国民经济的顺利发展，城市和人民的生命健康安全，河道需要具有行洪排涝功能、蓄水灌溉能力、内河航运功能、渔业养殖功能、旅游景观功能、生态系统功能和文化传承功能。为保证河道的安全运行，充分发挥其各方面功能，需对河道进行有效管护。依据《中华人民共和国河道管理条例》等相关规程，河道管护主要包括堤防护岸管护、堤防绿化、河道保洁、河道整治、河道生态修复、河道附属设施管护等方面的内容，故本文从这6个方面衡量河道管护情况。

经实地考察调研，结合河道管护的实际情况，遵循以上河道管护要求，综合分析河道管护影响因素，最终将评价指标从河道管护效果的角度分为6个二级指标，17个三级指标，各评价指标如图1所示。

图1 河道管护效果后评价指标体系

1.2 河道管护效果评价等级的划分

本文将河道管护效果分为5个等级：优秀、良好、一般、合格、不合格，对应的评分区间分别为[90,100]、[80,90)、[70,80)、[60,70)、[0,60)。邀请多位专家实地考察每条河道，根据评价指标体系的每个细则对每条河道的管护效果打分，取每个指标对应的平均得分值作为评价的初始评分值。

2 改进云模型评价方法

本文采用改进云模型的评价方法对河道设施管护效果进行后评价。改进云模型的评价方法即改变云模型中权重的计算方法，对主客观权重进行组合计算得到综合权重，再将综合权重与云模型相结合对河道管护效果进行后评价。

2.1 权重计算

计算各评价指标权重即要衡量各指标在整个评价体系中的影响程度，以及各指标之间的关联性、影响性和重要性。主观权重由专家的主观判断决定，计算结果受人为因素影响较大，客观权重侧重于数据间的远近关系而忽略了河道实际管护情况。故本文将二者结合，用云模型计算的云权重作为主观权重，投影寻踪法计算客观权重，再将两者进行组合计算得出各个评价指标的综合权重。

2.1.1云模型确定主观权重

云模型的特点是可以兼容评价对象的随机性和模糊性，利用云发生器计算样本的特征值期望Ex、熵En和超熵He并对其进行定量与定性的相互转换，通过利用样本点的随机性产生大量数据，分析各个样本间的相互关系计算得到最佳结果。

首先根据各评价指标的初始权重值，用云模型的逆向云发生器求得特征值期望Ex、熵En和超熵He，再在正向云发生器中反复计算多次补充云滴生成大量数据取均值求得各指标权重。具体计算过程如下：

a.根据专家的初始评分权重，先用逆向云发生器计算出各评价指标的特征值：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：xi为样本值；n为样本数；S2为样本方差。

E′n=randn(1)He+En

(5)

E′x=randn(1)E′n+Ex

(6)

c.计算权重的确定度

(7)

2.1.2投影寻踪法确定客观权重

本文采用投影寻踪法计算客观权重。投影寻踪法是先把高维的数据经过一些组合运算后投影到低维的子空间中，再根据极大或极小化的某个投影指标，找到可以体现高维数据结构或特征的投影，最后在低维空间上对数据结构进行分析。故其可以用于计算最优投影方向，得到的最优个体即为所需权重。计算步骤如下所示：

a.规范化处理评价指标数据得到初始矩阵R=(xij)m×n，其中xij为第i个评价对象在第j个评价指标下对应的标准值，m为样本数目，n为评价指标数目。

(8)

(9)

R=0.1S(a)

(10)

rij=|Zi-Zj|

(11)

(12)

故可得投影函数：

Q(a)=S(a)d(a)

(13)

c.构造适应度函数来优化投影函数。

maxQ(a)=S(a)d(a)

(14)

(15)

再利用加速遗传算法求解，重复计算50次，可得出各代最优个体的平均值即为所求权重值。

2.1.3综合权值计算

主观权重受人为因素影响较大，而客观权重只顾数据间的相关性又忽视了专家意见，因此本文将二者结合进行组合计算来确定河道管护评价指标的综合权重φ=(φ1,φ2,…,φm)。综合权重计算公式是：

(16)

2.2 隶属度计算

云模型中的云发生器有3种：正向云发生器、逆向云发生器和条件云发生器。条件云发生器属于特殊的正向云发生器，即已知期望、熵和超熵，同时已知特定条件的X或Y来产生隶属度，计算各个评价指标对应的等级隶属度[15]。

各河道管护效果评价指标等级主要是由X条件云发生器计算得到，其具体计算步骤如下所示：

a.首先明确各个评价指标值X和评价指标的等级标准S。

b.随后计算出3个特征值，并且要依据正反向评价指标求解出各个评价指标在各等级下的隶属度。

(17)

式中:Sijmax为第i个评价指标在第j个等级中的上限值；Sijmin为第i个评价指标在第j个等级中的下限值；Exij为第i个评价指标在j评价等级中的期望值；Enij为第i个评价指标在j评价等级中的熵值；He为超熵，反映变量的不确定程度，通常根据试验或者经验取值，本文取为0.2，取云滴数m=1 000。

用X条件云发生器生成云滴重复计算各评价指标值1 000次可以得到较为精确的各评价等级隶属度值和隶属度矩阵M。

2.3 综合评价

将上面计算所得综合权重值φ与等级隶属度矩阵M进行转换计算，即可得出综合评价子集B。由最大隶属度原则可知，隶属度最大值对应的评价等级就是河道设施第三方管护效果后评价的评价级别。

B=φM=(b1,b2,…,bn)

(18)

3 实例验证

3.1 昆山市周庄镇河道基本概况

周庄镇隶属于昆山市，位于昆山市西南部，总面积38.96 km2，其中水域面积占比为46.6%。周庄镇地处太湖流域冲积平原东部，水系属太湖流域淀泖水系，周庄镇现状河网由市级河道、镇级河道、村级河道3个级别河道组成。市级河道为昆山市境内区域性河道、湖荡的骨干河道，镇内为则同港，连接长白荡与急水港；镇级外河是片区河网框架的组成部分，与市级河道一起，形成与区域河、湖水量交换的通道，有长牵路港、西泽港、朱村浦港、云亭港、东坨东河等；村级外河是片区河网框架的补充，河道长度一般在1 km以内，河线弯曲、断头浜多；圩内河道是圩区的排水及调蓄河道，面广量大，河线曲折多变，断头浜多。

周庄镇的河道堤防等水利工程设施众多，管护工作复杂。为贯彻落实省、市关于河道管护第三方服务的相关要求，提升河道的管理水平，落实“管养分离”，推动河道标准化、精细化管护，昆山市试点先行，在各镇分步推行，稳步推进河道管护第三方服务。现对昆山市周庄镇的河道管护效果进行后评价研究。

3.2 周庄镇河道管护效果评价过程

3.2.1评价指标权重的计算

首先邀请10位专家对周庄镇河道管护效果进行现场考核评价并打分，得到各个评价指标的基础评价权重，根据所得的基础评价权重构建判断矩阵，随后利用云模型计算二级指标权重和各个三级指标在其对应的二级指标系统中所占权重分布如图2～8所示。

由图2～8可知，各个评价指标的模拟权重值呈现正态分布，通过计算各指标均值可得各评价指标的具体权重值如表1所示。

图2 河道管护效果二级指标权重

图3 堤防护岸管护效果系统下指标权重

图4 堤防绿化效果系统下指标权重

图5 河道保洁效果系统下指标权重

图6 河道整治效果系统下指标权重

图7 河道生态修复效果系统下指标权重

图8 河道附属设施管护效果系统下指标权重

表1 云模型所求指标权重值

各评价指标的客观权重可由投影寻踪法算得，将所得客观权重与上面所求主观权重进行组合计算可得综合权重。各评价指标的综合权重值如表2所示。

表2 河道管护效果评价指标权重值

3.2.2河道管护效果评价等级的计算

根据式(17)可计算出河道管护效果评价指标的3个特征值期望Ex、熵En和超熵He，将周庄镇河道管护效果对应的各指标基础评价值输入到云模型的X条件云发生器中，随后计算得到各评价指标在各个评价等级下的隶属度。计算结果如表3所示。

表3 各评价指标对应评价等级隶属度

按式(18)对评价指标的隶属度和其对应的综合权重值进行综合计算，可以求出河道管护效果评价结果。周庄镇河道管护效果最终的综合评价结果如表4所示。由最大隶属度原则可知良好等级对应的隶属度值最大，故综合评价结果是河道管护效果良好。

3.3 评价结果分析

利用基于改进云模型的河道管护效果评价模型对昆山市周庄镇的河道管护效果进行了全面评价。各指标在对应评价等级下的隶属度值如表4所示。由表可知，在河道管护效果单指标评价中，只有硬质护岸C1的管护效果是优秀，管护措施做得很棒，后期要定期检查修缮保证硬质护岸的功能一直完好。水域保洁C6和河道疏浚C8两个指标对应等级为一般，说明在这两个方面管护效果还不够理想，管护力度不够。要加强对水域的清洁和保护，可以安排工作人员定期巡查清理河道垃圾和淤积物，根据实际情况采取更多有效措施保证河道的清澈和流水的顺畅。其余14个指标对应的评价等级均为良好，说明其管护效果不错但还有进步的空间，后期要针对具体问题进行改善。

表4 基于改进云模型的周庄镇河道管护效果综合评价结果

自然护岸的管护要与草坪树木的管护相结合，充分发挥植被自身生长的特点和规律，利用伸展且发达的植物根系稳定堤防，提高保护堤防和防洪的能力，同时美化河道周边环境；陆域保洁要做到时常清扫，并呼吁市民共同维护陆域整洁，防止垃圾流入河道；污水废水排入河道之前一定要经过处理，不能超过河流的自净能力，保证河道的洁净和清澈；水生植物的管护要做到及时清理坏死植物并适当补充新植物，同时要防止植物营养输出过剩导致水体富营养化；河道周围的护栏表面要保持干净，保证栏杆的连续、完整、无缺失；木桩、指示牌等设施要埋设坚固，立柱应保持直立，无摇动，无涂层脱落、无损坏和丢失。排水设施要保持完好，排水沟渠、雨水口应保持通顺。另外，工作人员的检查工作应包括经常检查、定期检查、特别检查和安全鉴定，通过有目的性的检查工作保证河道设施的正常运作。

从表4的评价结果可以看出，周庄镇河道管护效果的综合评价为良好，和实际的河道管护情况一致，证明了该模型具有较高的可信度和可行性。基于改进云模型的评价方法不仅可以对管护效果给出了整体评价，同时针对每个指标给出评价，评价结果不仅全面有效，也给后期河道管护工作提供了改善的方向。

4 结 语

考虑到河道管护的复杂性、系统性和可操作性以及对河道管护效果评价的全面性、合理性和有效性，结合河道管护的实际情况，本文建立了河道管护系统的评价指标体系。结合基于改进云模型的河道管护效果评价方法对昆山市周庄镇的河道管护现状和效果进行了全面有效的评价，得出了与实际管护情况相符的评价结果，表明基于改进云模型的评价方法在周庄镇河道管护效果的评价中具有较好的适用性。本文在云模型评价方法的基础上进行了权重计算的改进，采用主客观权重相结合的方法，通过组合计算得出综合权重，既减少了权重计算的主观性又降低了评价的随机性，而云模型通过大量的数据模拟增加了计算结果的精确性，使评价结果更加可靠。