基于改进层次分析法的水库清淤方案比选

张榴梅，陈 新

（四川大学水利水电学院，四川 成都 610065）

1 引言

水库通过上游径流将泥沙输移至下游库区的过程中，污染物质会吸附于细小径流携带颗粒的表面并随之不断地沉积在库底，造成水库水质显著下降。因此，以保障城镇供水、改善水库水质作为主要任务的环保清淤工程开始变得尤为紧迫[1］。

在清淤工程设计阶段，清淤方案的比选是一个不可或缺的内容，清淤方案选择的合理性将直接影响到工程效益与水库供水安全。由于清淤方案比选的影响因素通常较多，本质上是一个多属性决策问题。在实际工程中，仅仅依靠主观经验所确定的比选结果难免存在一定的偏差。因此本文以GC 水库为例，采用改进层次分析法，并结合模糊数学法和TOPSIS 理论，从施工工期、工程投资、作业环保、作业水深、施工难度、清淤质量等方面对气动式清淤方案和环保绞吸式清淤方案进行比选，选定适合该水库的清淤方案。

2 比选方法

2.1 改进层次分析法

层次分析法[2］是基于客观与主观评价相结合的分析方法，通常将复杂问题逐步分解成几个层次，通过将底层评价指标进行两两比较，来确定底层评价指标的权重，然后逐层向上计算权值，以确定方案权重值。对于复杂客观事物的判断通常具有主观片面性，对影响因素进行两两判断比较时，决策者的标准思维可能发生变化，容易得出不同的评价，这是造成判断矩阵出现不一致的主要原因。常规的层次分析法对因素的两两比较是孤立进行的，在导入新元素后可能造成原有元素的权重值排序发生改变。另一方面，即使在解决了元素孤立比较的问题后，元素间的相对重要程度均采用传统的1～9 标度进行赋值，指标评价标度自身仍可能造成判断矩阵不一致。

基于以上两个判断矩阵不一致性产生的原因，改进指标权重值的确定方法。一是考虑所有元素均存在的条件下对元素进行比较即以元素的两两比较为基础的层次单排序法，二是通过改进的标度法——指数标度法对因素重要程度进行赋值。

2.2 评价矩阵

评价矩阵是不同方案对各影响因素进行评价的隶属度矩阵，多属性决策中评价指标通常分为定性指标和定量指标。定性指标无法通过具体数据进行，通常用修饰性的词汇进行描述。一般通过模糊统计法进行处理，来得到定性指标评价隶属度[3］。

定量指标一般包含正向指标、负向指标以及中间型指标三类。正向指标数值越大指标性能越佳，负向指标数值越小越好指标性能越佳。中间型指标数值介于一个合理区间指标性能最优。

正向指标表示为：

其中max（xij）= xk1xk2xk3…xkn。

逆向指标表示为：

其中min（xij）= xk1xk2xk3…xkn。

3 水库清淤方案比选

3.1 工程概况

GC 水库坝型为混凝土双曲拱坝，坝顶设5 个溢流孔，下部设排砂泄水孔、灌溉管各一个，最大坝高70 m。水库承担着重要的排水任务，但在1996 年开启排砂泄水孔时遇到故障，故将检修闸门放下挡水，经维修后工作门得以放下，自此排砂泄水孔工作门与检修门再没有开启过。孔坝前泥砂淤积高程已达575.0 m，高于排砂泄水孔顶1 m，库底高程565.0 m，排沙泄水孔底淤积厚度约3 m，至库底淤积厚度10 m，主要淤积物为泥沙，推测含有一定量的块石、树枝等杂物。排砂泄水孔功能丧失，无法启闭。

GC 水库大坝安全综合评价为三类坝，计划对其进行除险加固，根据项目要求，在不放空水库的情况下，对坝前淤积进行清理，同时为后续修补加固施工提供基础条件。考虑到GC水库作为附近城镇居民生活用水的主要来源，需要保证清淤方案满足作业污染较小，不影响水库的水质的要求。综合考虑上述两个限制性条件，拟定气动式清淤方案与环保式清淤方案进行比较。

3.2 清淤方案

气动式清淤方案与环保绞吸式清淤方案的前期处理与后期处理方案一致，主要区别在于系统采用的清淤方法与工艺不同[4］。气动式清淤方案选用气动式清淤机作为主疏浚设备，最大作业水深120 m，可疏浚粒径小于350 mm 以内的各种淤积物，清淤机布置在拼装式水面作业平台上，便于进行作业位置的移动与固定。拼装式水面作业平台由小型模块化的浮箱现场拼装而成，可满足公路运输要求，克服船进入库区的困难。

环保绞吸式清淤方案采用功率为200 m3／h 的环保绞吸式挖泥船，该挖泥船最大清淤深度可达50 m，挖泥船及水上清淤设备通过临时码头吊装进入库区。

3.3 评价指标

清淤方案评价指标一般包括施工工期、工程投资、作业环保、作业水深、施工难度、清淤质量等方面。基于GC 水库清淤现状下的两种方案评价指标比较见表1。

表1 两种清淤方案评价指标比较

3.4 清淤方案比选层次模型

结合清淤方案比选前人研究成果和GC 水库清淤工程实际情况，建立如图1 所示清淤方案比选层次结构。

图1 清淤方案层次模型

3.5 比选层次模型求解

3.5.1 评级指标主观权重求解

根据方案比选评价指标体系，向行业专家发放调查表。去掉样本中数据明显不合理的调查表后，采用改进层次分析法解出各个评价指标的主观权重，随后对不同专家的权重结果进行汇总和归一化处理，得出评价指标主观权重表，具体结果见表2。

表2 评价指标主观权重表

3.5.2评价矩阵求解

对于施工工期、工程投资这两个定量指标按照上述隶属度函数进行处理得出相关指标的隶属度。将GC 水库的基本资料、评价指标的初步分析情况、定性指标隶属度调查表发给行业专家，去掉样本中数据明显不合理的调查表后，根据模糊数学法来确定指标的隶属度，最后将得到的定性指标隶属度和定量指标隶属度向量组合在一起，即得到评价矩阵见表3。

表3 评价指标隶属度

根据已经计算出的组合权重和构建的评价矩阵，构造加权评价矩阵，采用基于TOPSIS 理论的综合评价方法对上述模型进行计算，得出结果为：P1（0.543）＆gt; P2（0.457）。因此，GC水库清淤方案比选结果优劣情况的排序为：气动式清淤方案＆gt;环保绞吸式清淤方案。

4 总结

本文结合气动式清淤方案与环保绞吸式清淤方案的基本情况，从施工工期、工程投资、作业环保、作业水深、施工难度、施工质量这6 个方案评价指标进行分析，建立水库清淤方案比选层次模型。分别针对定性与定量指标采用不同方法计算后建立评价矩阵，通过改进层次分析法进行赋权，并采用TOPSIS 法进行方案优劣排序，得出GC 水库气动式清淤方案综合性能优于环保绞吸式清淤方案。