基于组合赋权法的水库大坝安全性评价

付志君

（1. 广东省建筑科学研究院集团股份有限公司水利科学研究所,广东 广州 510530；2. 清华大学土木水利学院,北京 100084）

0 引言

水库大坝作为重要的水利工程建筑物,对下游地区的经济社会发展起到了不可替代的作用。它为下游地区提供清洁的水源和可靠的能源保障,在防洪、灌溉、供水和发电等方面产生了巨大的效益,并成为我国防洪保安工程体系中不可或缺的组成部分[1-2]。虽然,水库大坝是储存和调节水资源的关键设施,如果大坝安全性不达标,一旦发生事故将造成巨大的人员伤亡和财产损失,可能给周边地区带来严重的破坏,还有可能对整个流域的生态环境造成长期的影响。通过对大坝的安全性进行评估,可以及时识别潜在的风险和问题,采取相应的措施保护人民的生命财产安全,同时可以及早发现潜在的环境风险,并采取预防措施确保水库大坝的安全运行,从而保护生态环境的稳定和可持续发展[3-6]。

对于水库大坝的安全性评估,国内外学者开展了许多研究。季利等[7]通过现场安全检查、检测和观测资料分析等,根据相关规范对故县水库进行综合评价,评价从工程质量、运行管理、防洪能力、大坝结构与渗流安全性、金属结构安全等多个方面展开。评价结果显示,该水库大坝的工程质量合格,运行管理良好,具备较好的防洪能力,并且大坝结构与渗流安全性以及金属结构安全均符合要求。综合评定为“一类坝”。由于现有的水库大坝安全评估方法FMECA 存在主观性,且忽略各安全隐患之间的相互影响,陈泳江等[8]提出将FMECA-模糊层次分析法应用于水库大坝安全性分析。该方法建立了水库大坝潜在安全隐患的结构体系,对隐患的发生频率和影响严重程度进行评分,得出FMECA 评分表。然后,将模糊层次分析法中风险矩阵的权重计算方法应用于FMECA 评分表的判断矩阵,对各隐患进行权重分配。最后,通过模糊综合评判分析水库大坝的安全性。将该方法应用于云南省某水库,研究结果显示该水库的安全等级为A,与实际结果相符。这证明该方法可以用于水库大坝的安全评估,并弥补了FMECA 方法的不足。为了解决大坝总体安全性评估和安全性预警指标选择中的不确定性问题,Sang 等[9]提出了一种扩展云模型（ECM）与扩展层次分析法（EAHP）相结合的方法。在这种新方法中,反映大坝安全监测的不同因素可视为一个模糊系统。考虑到前向云模型和后向云模型的特点,对原始数据进行了扩展,对划分区间进行了分类,并确定了各自的指标。每个指标的权重分布采用EAHP 方法来确定。将所建立的模型应用于吉林某堆石坝的安全性评价。仿真结果表明,该模型除了可用于评估不确定性和安全预警指标外,还能产生可靠的结果。所提出的模型也比其他方法更灵活、更易于使用。

大坝安全性评价是一个复杂的问题,因为评价过程中涉及的指标较多,各指标之间存在着诸多联系,且各指标还存在子指标。即使可采用实地调查,依据规范对各指标值进行确定,但是各指标所占权重依然是水库大坝安全性评价所面临的另一个重要难题。基于此,本文提出一种组合赋权（Combination weighting,CW）的方法对水库大坝进行安全性评价,该方法以常用的赋权法如层次分析法、CRITIC 法等为基础,通过进一步组合加权并得到最终的权重,结合各指标的实际评价值,对水库大坝进行安全性评价。该方法能够有效考虑各指标之间的相关性,同时兼顾主客观赋权法的优势,使评价结果更加准确,基于该方法得出的评价结果,可为水库大坝的除险加固提供依据。

1 组合赋权法

大坝是一个复杂的多参数系统,受到许多因素的影响。包括但不限于坝体和基岩材料的性质复杂多样,坝体内部结构的变化、运行管理的措施以及工程质量等等都可能在工程过程中或后期运行中发生随机变化。随着时间的推移和自然荷载的作用,土石坝可能出现大量的病害,这严重威胁到水库大坝的安全运行。因此,安全评价旨在确保土石坝系统的安全性。虽然可以按照规范等对各参数进行评价,但是对于各参数所占的权重,各学者之间仍存在较多争议,进而导致水库大坝整体安全性评价仍面临许多困难[10-11]。为了能够准确评价水库大坝的安全性,本文提出了一种组合赋权的评价方法,构建该方法的数学模型,其表达式如下：

式中：M 为水库大坝的得分；mi为第个指标的值；wi为第个指标的平均权重,可以用下式表示：

式中：Pi,l为采用方法得到的第个指标所占的初始权重；Wi,l,a为方法所占的平均权重,其计算如下：

式中：Wi,l为根据方法得到的第个指标所占的二次分配权重。

需要注意的是,初始权重可采用常用的专家判断法、层次分析分析法、熵权法和CRITIC 法等[12,13]。关于这些方法可参考相关研究,本文不再重述。

2 水库大坝安全评价

本文以五座水库为例,说明本文提出方法的实现过程,其中,胖某沟水库是一座中型水库,主要用途是防洪和灌溉,碾某沟水库是一座兼灌溉、防洪和养育等功能的中型水库,高某水库是一座小（2）型水库,兼顾防洪、灌溉和养鱼等功能。新某水库是一座集灌溉、防洪等功能于一体的中型水库,小某河水库属于小（1）型水库,兼顾供水、防洪等功能。根据《水库大坝安全评价导则》（SL 258-2017）[14]及相关研究[15],确定了水库大坝安全评价层次结构图,见图1,同时,结合该研究,给出了水库大坝安全等级评价表和水库大坝各指标的评分,见表1 和表2。下面将采用2 种不同的方法对五座水库进行评价,即本文提出的方法和规范法,其中规范法则是用于验证本文提出的方法的可行性。需要注意的是,为简化案例分析,初始权重确定时采用了常用的层次分析法（即AHP法）和CRITIC 法,它们分别代表了主观赋权法和客观赋权法。

表1 水库大坝安全等级评价表

表2 水库评分表

图1 大坝安全评价层次结构图

根据AHP 法的计算步骤,分别计算权重。根据表2 给出的水库大坝的评分及本文介绍的CRITIC 法,分别求出各评价层的权重,然后计算各准则层的得分,进而计算准则层的权重。AHP法和CRITIC法计算得出的准则层权重和评价层权重,见表3。由表可知,对于准则层,两种方法得到的权重各不相同。例如,两种方法得出的结果中差异最大的是准则层A1,基于CRITIC 法的权重比AHP 法增加了114.6%。对于评价层,两种方法得出的权重也各不相同。例如,两种方法得出的结果中差异最大的是评价层A37,基于AHP 法的权重比CRITIC法增加了165.3%。这些结果也表明,采用单一方法计算权重是不可靠的。

表3 基于AHP 法和CRITIC 法的权重对比

根据准则层指标的权重和评价层指标的权重,计算评价层指标所占的总权重,结果见表4。由表可知,基于AHP 法的权重与CRITIC 法依然各不相同,而基于本文提出CW 法的权重则位于前两种方法中间。例如,与CW 法相比,基于AHP 法和CRITIC 法的权重相差最大的都是评价层A12,差异百分比分别为50.9%和51.3%。该结果进一步表明,采用单一方法计算权重会进一步导致评价结果失真,而结合两种方法（即CW 法）,则可对评价指标的权重评价更加合理化。

表4 评价层指标总权重

根据表2 水库大坝评价层各指标的得分、表4 评价指标的总权重和表1 水库大坝安全性评价等级表,对文中研究的五座水库大坝大进行安全性等级评价,结果见表5。由表可知,除了小某河水库,采用AHP 法、CRITIC 法和本文提出的CW法得到的水库大坝安全性等级评价结果基本一致。对于小某河水库,基于AHP 法和CW 法得到的安全性评价结果为不安全,而基于CRITIC 法得到的安全性评价结果为极不安全。该结果表明,采用单一方法会出现评估结果失真的问题。水库大坝安全关乎着人们生命和财产安全,如果出现溃坝等灾害,将会产生严重的经济损失、人员伤亡以及极其恶劣的社会影响。因此,对于大坝安全性等级,务必采用组合方法对大坝进行综合评价。

表5 水库大坝安全性等级评价表

为了验证本文给出的CW 法的有效性,采用《水库大坝安全评价导则》（SL 258-2017）对五座水库大坝进行评价,规范法和CW 法的评价结果见表6。其中,规范法中涉及了7个指标,即文中准则层的指标,统计各指标达到相应等级的数量,即为表中规范法的结果。同时,该表也给出了五座水库大坝的优劣性排序。由表6 可知,CW 法的优劣性排序与规范法一致,该结果验证了本文提出的CW 法的有效性。

表6 基于规范法和CW 法大坝安全性对比

3 结论

本文提出了一种组合赋权（CW）的水库大坝安全性评价方法,以五座水库为例,对比分析了基于AHP 法、CRITIC 法和CW 法的安全性等级评价结果,同时,采用规范对五座水库进行安全性评价,得出以下主要结论：

（1）基于AHP 法和CRITIC 法得出的准则层和评价层权重各不相同,对于准则层,差异最大的是工程质量评价,CRITIC 法与AHP 法相差114.6%,对于评价层,差异最大的是坝基渗流稳定,AHP 法与CRITIC 法相差165.3%。

（2）基于AHP 法、CRITIC 法和CW 法的评价层总权重各不相同,且基于CW 法的总权重位于AHP 法和CRITIC 法之间,与CW 法相比,基于AHP 法和CRITIC 法的权重相差最大的都是连接情况,差异百分比分别为50.9%和51.3%。

（3）基于AHP 法和CRITIC 法的水库大坝安全性评价结果存在细微差异,但鉴于水库大坝安全的重要性,务必采用组合方法即CW 法对水库大坝进行综合评价。

（4）基于CW 法的水库大坝评价结果与基于规范的评价结果一致,验证了本文提出的CW 法的可行性和有效性。