基于模糊网络分析法的小型水库退役影响评价

胡国平 王超群 黎良辉

摘要：

为应对小型水库病险老化、功能丧失、经济效益衰退及生态系统退化等影响，保障水库退役科学决策、促进退役工作开展，应用模糊网络分析法从生态环境、经济和社会3个方面建立了小型水库退役影响评价模型，对水库退役影响进行分析评价。以江西省某小型水库为例进行验证，考察水库退役后基本情况，确定模糊关系矩阵与权重并进行综合评价，结果表明：评价模型合理，评价结果与现状相符。所构建的方法体系对于小型水库退役决策适用性较强，可为相关部门制定水库退役计划提供技术支撑。

关键词：

小型水库； 退役影响； 模糊网络分析法； 评价模型

中图法分类号：TV697

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.014

文章编号：1006-0081（2023）04-0082-07

0 引 言

退役是小型水库运行周期的重要阶段和必然结果。中国10万多座水库中，大部分建于20世纪50年代，存在工程质量和管理缺失等方面的问题，病险水库多达40%。据统计，截至2017年年底，中国实施降等与报废的水库6 539座，其中降等4 021座（中型3座、小型4 018座），报废2 518座（中型3座、小型2 515座），水库降等与报废工作严重滞后，危害人民生命和财产安全。为规范水库的降等与退役，中国于2003年出台《水库降等与报废管理办法》，2013年发布配套技术标准《水库降等与报废标准》，并在2016年底发布的《水电“十三五”规划》中提到“建立中小水电破坏生态环境惩罚退出机制”。这些政策为水库大坝降等和退役提供依据，但仅针对水库大坝运行管理方面，而对退役大坝的拆除方面，如拆除大坝后如何修复河道和周围生态系统以及拆坝后的社会经济和生态影响评价等问题未出台相关的政策和实施细则。总结现有的水库退役影响研究相关文献，水库退役影响研究以定性分析为主，且偏向于退役后的生态环境影响，定量分析和综合性分析较少。Doyle等［1］提出了概念性渠道演变模型（CEM），Bednarek［2］从时间维度入手，分析总结拆坝后短期内生态指标变化和达到新的准平衡状态的长期生态效应。方崇等［3］聚焦于鱼类种类和数量变化的研究，指出拆坝后受河流生态系统的影响，静水环境消失，新生态系统构建使得鱼类丰度增强的状况。王若男、俞云利等［4-5］针对拆坝对生态系统的影响，提出了河流修复措施的研究方向和应用前景。本文基于现状，对小型水库退役影响进行分析研究，系统整理了水库退役的生态、经济和社会影响，并就江西某小型水库的退役影响进行综合评价，优选网络分析法建立评价体系，考虑到影响评价的模糊特性，引入模糊数学理论以降低网络分析法的主观影响，使评价结果更为准确客观。

1 小型水库退役影响评价方法

水库退役相关评价方法主要有层次分析法、熵值法及其变种反熵值法等，但上述方法不能准确表达各影响指标间的耦合关系及模糊特性。本文采用模糊网络分析法（F-ANP）［6］研究小型水库退役影响。该方法是基于网络分析法（ANP）［7］和三角模糊数理论［8］的综合分析方法，考虑了各评价指标之间的相互关系，具有一定层次性，一定程度上克服了模糊综合评判和网络分析法的局限性，整体系统性较强，是网络分析法在偶然性、模糊性和不确定性上定性量化的一种延伸方法。

1.1 网络分析法

网络分析法ANP网络结构分为控制层和网络层。建立指标评价体系后，各指标间并不是相互独立的，而是互相影响，存在一定的耦合关系，ANP网络结构见图1。

利用指标间的相对重要性，建立判断矩阵：

ejl=ei1ei2…ei2

ei2ei2…ei2

einieini…eini（1）

由特征根法得到排序向量W（jl）i1，W（jl）i2，…，W（jl）ini，记Wij为：

W=W（j1）i1W（j2）i2…W（jnj）i2Wi2W（j2）i2…W（jnj）i2

W（j1）iniW（j2）ini…W（jnj）ini（2）

W为所有因子相互影响下所得的超矩阵，求解后即为各因子之间的相对权重。

胡国平 等 基于模糊网络分析法的小型水库退役影响评价

1.2 三角模糊数理论

模糊数是对某个对象模糊特性的表达，利用三角模糊数整合意见，克服人为主观性，使决策更加科学合理。

设有函数F=x∈RμF（x），Rl：－∞

μM（x）=   0      xu

（x－l）/（m－l）   l≤x≤m

（x－u）/（m－u）  m≤x≤u（3）

式中：l≤m≤u，l是M的上界，m是M的中值，u是M的下界。l和u代表著判断的模糊程度，u－l与模糊程度成正比，当l=m=u时，M是普遍意义的实数。三角模糊数转化标度见表1。

1.3 模糊网络分析法评判步骤

该方法通过网络分析法构建指标体系，运用三角数学运算原理，建立模糊评判矩阵，并对结果进行综合评判，主要步骤如下。① 确定ANP网络结构。基于评价因素之间的相互关系，确定出合理的网络结构模型。② 确定因素集及评语集。确定评价目标的评语集：V=V1，V2，…，Vm；确定评价因素集U=U1，U2，…，Uk，…，Un。③ 确定模糊关系矩阵。进行单因素评价，建立模糊关系矩阵。即U到V的关系矩阵R。④ 用ANP法确定权重。采用1～9标度法确定判断矩阵具有一定离散性，因素之间的相对重要性判断标准很大程度上取决于主观判断，使用三角模糊数学是网络分析法在偶然性、模糊性和不确定性方面进行量化的一种延伸方法。⑤ 确定结果。运用模糊数学运算方法，确定综合评价结果。计算取用不同算子解决不同实际问题。常用的为M（∧，∨），M（g，∨），M（∧，），M（g，），见表2。本文选择M（∧，）算子来计算加权平均值，根据最终指标向量，结合评语集确定评价结论。

2 模糊网络分析法评价模型构建

小型水库退役影响在时间和空间上是综合变化的过程［9］，时间变量维度上，本文选取的各影响指标以生态影响为初始影响、经济影响为次生影响、社会影响为最终效应，综合对空间维度的考量，以水库上游、主体和下游等指标建立模糊网络分析法评价模型。

2.1 ANP网络结构

ANP网络结构中各指标间相互影响，存在一定的耦合关系，见图2。

2.2 构建因素集与评语集

2.2.1 因素集构建

根据模糊网络分析法原理构建水库退役影响评价因素集，建立某水库退役影响评价体系，见图3。结合上述ANP网络结构示意图和某水库退役影响分析体系，进一步厘清各个指标水间的耦合关系，见表3。

2.2.2 评语集构建

评语集是对各层次评价指标的一种语言描述，是专家评审人对各评价指标所给出的评语集合。本模型根据水库退役各种影响大小将评语分为五级，将标准定量化为百分制，具体的评价集确定为V=v1，v2，v3，v4，v5=特优，优，良，中，差，具体评价标准：评价得分90分以上，评价等级为特优，表示超出预期结果；得分80分以上，等级为优秀，表示达到预期结果；得分70分以上，等级为良好，表示比较符合预期结果；得分60分以上，等级为中等，表示基本符合预期结果；得分低于60分时，等级为差，表示达不到预期结果。

2.3 确定模糊关系矩阵

对三级因素进行单因素评价，建立单因素评价矩阵。即A到V的关系矩阵R。

R=r11r12r13…r1nr21r22r23…r2nrm1rm2rm3…rmn（4）

2.4 确定权重

本文从二级指标物理化学影响C11、生境影响C12、生物影响C13、经济成本C21、经济效益C22、社会效益损失C31、社会效益C32等7个方面进行评价。邀请专家对评价对象进行评估，对评估结果进行统计，得到模糊两两判断矩阵，再用特征根法（借助MATLAB软件进行运算）计算出合适权重向量。具体步骤如下。

（1） 构造三级指标模糊权重矩阵。构建退役影响评价模型，考虑各元素组之间存在互相影响关系，得到成分模糊关系矩阵A。

A=a11a12a13a14a15a16a17a21a22a23a24a25a26a27a31a32a33a34a35a36a37a41a42a43a44a45a46a47a51a52a53a54a55a56a57a61a62a63a64a65a66a67a71a72a73a74a75a76a77（5）

（2） 在元素集C11（物理化学影响）中，以元素D11（水文影响）为准则，元素集C11（物理化学影响）中的元素D11（水文影响）、D12（泥沙影响）、D13（地形地貌影响）、D14（水质影响）对元素D11（水文影响）的影响大小按照1～9标度法构建模糊判断矩阵。

通过特征根法可得排序向量（W（11）11，W（11）12，W（11）13，W（11）14）T，即元素集C11中元素D11，D12，D13，D14对元素D11影响程度的排序向量。同理，分别以元素D12（泥沙影响）、元素D13（地形地貌影响）和元素D14（水质影响）为准则，可得排序向量（W（12）11，W（12）12，W（12）13，W（12）14）T、（W（13）11，W（13）12，W（13）13，W（13）14）T和（W（14）11，W（14）12，W（14）13，W（14）14）T。将上述4个特征向量进行矩阵组合，可以得到模糊判断矩阵W11。

（3） 按照相同计算原理，最终可得模糊判断矩阵W11，…，W17；W21，…，W27；W31，…，W37；W41，…，W47；W51，…，W57；W61，…，W67，W71，…，W77求得二级结构模糊矩阵，即模糊超矩阵W。

W=W11W12W13W14W15W16W17W21W22W23W24W25W26W27W31W32W33W34W35W36W37W41W42W43W44W45W46W47W51W52W53W54W55W56W57W61W62W63W64W65W66W67W71W72W73W74W75W76W77（6）

（4） 构造模糊加权超矩阵计算权重W—。

W—=A·W=

a11W11a12W12a13W13a14W14a15W15a16W16a17W17a21W21a22W22a23W23a24W24a25W25a26W26a27W27a31W31a32W32a33W33a34W34a35W35a36W36a37W37a41W41a42W42a43W43a44W44a45W45a46W46a47W47a51W51a52W52a53W53a54W54a55W55a56W56a57W57a61W61a62W62a63W63a64W64a65W65a66W66a67W67a71W71a72W72a73W73a74W74a75W75a76W76a77W77（7）

重复上述步骤可得层次B（B1，B2，B3）的成分模糊关系矩阵B、模糊超矩阵M及以层次B准则的加权超矩阵M—。且A=M—，可得

W—=A·W=M—·W=B·M·W（8）

（5） 计算极限排序。利用最大特征根法求得W的最大特征根1所对应的歸一化特征向量Wt，Wt即为各项评价指标对大坝退役影响评价的权重。根据Wt中各数值的大小所对应的评价指标进行降序排列，其排序即为所选评价指标对大坝退役影响评价权重大小的排序。

2.5 确定评价结果

根据权向量Wt和模糊评价值矩阵R，进行综合评判，可得评判模型Q。

Q=Wt·R（9）

式中：Q为综合评判向量；R为综合评判矩阵；Wt表示该层指标的权向量；运算符“·”为模糊算子。

3 实例分析

3.1 水库基本情况

3.1.1 水库退役前基本情况

江西省抚州市高新区某水库设计灌溉面积约33.33 hm2（500亩），影响人口800人，是一座以防洪为主，兼有灌溉、养殖等综合效益的小（2）型水库。水库实际总库容5.03万m3，未达到原库容26.1万m3，实际功能指标达不到水库原工程设计。该水库位于改造提升示范项目规划区内，退役后为城市景观湖，在经济、社会生活及生态等方面具有重大意义，水库原状及退役效果见图4～5。

3.1.2 水库退役后基本情况

（1） 生态系统状况。生态系统状况调查主要分为以下6个方面。① 水文。测量拆坝前后大坝上下游的流速比、水温比和径流量比。② 泥沙。原库区大部分泥沙已在枯水期挖除，遗留泥沙采取原地固置和自然冲蚀的方式处理，该河流自然美观，不存在明显的堵塞现象。③ 地形地貌。专家组走访了库区周边，拆坝前大部分河岸不稳定情况得到明显改善，拆坝后加固河岸，河岸稳定性增加。④ 水质。水质评价共选取pH值、溶解氧、浊度、生物需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）等指标，拆坝后水质得到明显改善。⑤ 河流。拆坝后未发现河流有明显堵塞现象，下游河段块石卵石较多，河床基质较为丰富。⑥ 植物覆盖率。通过历史遥感影像资料和现场调查，河道及岸边整治工作全部完成后植物覆盖率显著提升。

（2） 经济影响状况。专家组复核了该水库退役资金，以其有效利用率作为评分标准打分，水库退役节省的运行维护费用和安全费用等粗略采用历年平均费用，由专家进行评分。现场走访得知生态公园周边土地的财产价值得到极大提升，生态公园的美学价值和观光旅游等生态系统服务价值显著增强。

（3） 社会影响状况。采用发放问卷的方式调查社会影响满意度，共发放100份问卷，回收100份，有效问卷92份。专家根据问卷调查结果评估其社会影响。

3.2 确定模糊关系矩阵

为得到较为真实的水库退役影响评价，本文征求水库降等与报废工程项目专家共20人组成评审团，结合上文指标评价，以问卷调查的形式对综合评价系统第三层元素进行单因素评价。通过对调查表的回收、整理、统计，得到评价结果如表4所示。根据表4，建立单因素评价矩阵，即U到V的关系矩阵R。

3.3 确定权重

根据上述统计，构造模糊加权超矩阵并计算权重。利用最大特征根法求得W—的最大特征根1所对应的归一化特征向量Wt，见式（10），Wt为各项评价指标对大坝退役影响评价的权重。根据Wt中各数值的大小所对应的评价指标进行降序排列，其排序即为所选三级评价指标对大坝退役影响评价权重大小的排序，各项评价指标权重见表5。

Wt=（0.0303，0.0285，0.0223，0.0289，0.0530，

0.0505，0.0586，0.0277，0.0515，0.0893，0.0631，

0.0553，0.0867，0.0715，0.0445，0.0355，0.0315，

0.0471，0.0809，0.0435）T（10）

3.4 综合评价

本文综合评价合成算子选择M（∧，）型，即加权平均型算子，计算结果如下。

Q=Wt·R=

0.0303

0.0285

0.0223

0.0289

0.0530

0.0505

0.0586

0.0277

0.0515

0.0893

0.0631

0.0553

0.0867

0.0715

0.0445

0.0355

0.0315

0.0471

0.0809

0.0435T

0.000.150.750.100.00

0.000.100.700.200.00

0.000.150.650.200.00

0.000.150.600.250.00

0.000.350.600.050.00

0.000.450.550.000.00

0.000.600.400.000.00

0.000.200.550.250.00

0.200.650.150.000.00

0.300.650.050.000.00

0.000.550.450.000.00

0.350.400.250.000.00

0.000.400.600.000.00

0.000.000.850.150.00

0.000.150.600.250.00

0.000.300.600.100.00

0.000.500.500.000.00

0.000.600.400.000.00

0.000.250.500.250.00

0.000.200.650.150.00=

（0.05640.37020.49120.08210.0000）（11）

最終得分计算公式为

S=Q·F（12）

式中：S表示水库退役影响评估综合得分；F为评价集分值向量，且F=10090807060T。经计算S=84.01分，根据评语集判断标准，评分80分以上，达到预期结果。

3.5 评价模型应用

根据上述评价模型及计算步骤，可将模型应用于其他类型水库。某水库是一座小（2）型水库。水库正常高水位为59.60 m（黄海系统，下同），相应库容63.2万m3；死水位53.60 m，相应库容1.1万m3，因城区开发及水库原设计功能逐渐丧失，该水库退役后应用上文评价模型计算得到的最终结果为

Q=（0.04320.42380.41400.08360.0354）

经计算S=83.56分，根据评语集，评分80分以上为达到预期结果，通过本文评估体系得出该水库退役影响在准确性上较可靠，验证了评价模型建立合理，评价方法可行有效。

4 结 论

本文运用模糊网络分析方法评价江西省某小型水库的退役影响，考虑了水库退役影响指标之间的耦合关系与影响指标模糊特性，应用模糊数学原理降低网络分析法的主观影响，最终的评价结果与实际情况相符合，文中所建立的模型较为准确，为水库退役工作提供一定借鉴和指导。

参考文献：

［1］ DOYLE M W，STANLEY E H，HARBOR J M.Channel adjustments following two dam removals in Wisconsin［J］.Water Resources Research，2003，39（1）：1011.

［2］ BEDNAREK A T.Undamming rivers：Areview of the ecological impacts of damremoval［J］.Environmental Management，2001，27（6）：803-814.

［3］ 方崇，苏超，陆克芬，等.退役大坝拆除后对河流鱼类生长环境的影响［J］.安徽农业科学，2008（19）：8120-8122.

［4］ 王若男.退役闸坝拆除对河流生态环境影响调查评价技术［D］.邯郸：河北工程大学，2015.

［5］ 俞云利，史占红.拆坝措施在河流修复中的运用［J］.人民长江，2005，36（8）：15-17.

［6］ 周志维，马秀峰.基于F-ANP法的大坝风险评价与管理技术研究［J］.中国水利，2021（4）：41-44.

［7］ 王莲芬，蔡海鸥.网络分析法（ANP）的理论与算法［C］∥中国系统工程学会.中国系统工程学会决策科学专业委员会第四届学术年会论文集.北京：海洋出版社，2001.

［8］ 柏茜，刘波，姜新佩.三角模糊数在水利工程建设项目风险评估中的应用［J］.水利建设与管理，2021，41（9）：74-78.

［9］ 谭界雄，李星，杨光，等.新时期我国水库大坝安全管理若干思考［J］.水利水电快报，2020，41（1）：55-61.

（编辑：唐湘茜，张 爽）

Impact assessment of small reservoirs decommissioning based on Fuzzy Analytic Network Process

HU Guoping1，WANG Chaoqun2，LI Lianghui2

（1.Jiangxi Academy of Water Sciences and Engineering，Nanchang 330029，China； 2.School of Engineering and Construction，Nanchang University，Nanchang 330031，China）Abstract：

In order to cope with the effects of dangerous aging，function loss，economic decline and ecosystem degradation of small reservoirs in China，ensure the scientific decision of reservoir decommissioning and promote the decommissioning work，the Fuzzy Network Analysis Process was applied to establish a small reservoir decommissioning impact evaluation model from three aspects of ecological environment，economy and society，to analyze and evaluate the impact of reservoir decommissioning.Taking a small reservoir in Jiangxi Province as an example，the basic situation of the reservoir after decommissioning was investigated，the fuzzy relation matrix and weight were determined and the comprehensive evaluation was carried out.The results showed that the evaluation model was reasonable and the evaluation results were consistent with the current situation，which indicated that the constructed method system has strong applicability to the decommissioning decision of small reservoirs，and can provide technical support for the relevant departments to make reservoir decommissioning plans.

Key words：

small reservoirs； decommissioning impact； Fuzzy Analytic Network Process； evaluation model

收稿日期：

2022-06-10

基金項目：

江西省水利厅科技项目（202022YBKT25）；江西省水利行业地方标准制定项目（202223BZKT03）；江西省水利行业地方标准制定项目（202324BZKT02）

作者简介：

胡国平，男，高级工程师，硕士，主要从事水工程安全评价及防灾减灾研究工作。E-mail：190373590@qq.com