辽东南地区中小河流防洪安全综合评估指标体系构建及应用

高 萌

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

当前中小河流暴雨洪水受极端气候变化影响呈现易发多发的态势，已成为当前防汛的工作重点[1]。对中小河流防洪安全进行综合评估，利于中小河流防洪安全的有效保障[2]。当前对于大型河流防洪安全综合评估已取得一定的研究成果[3-8]，但由于中小河流洪水特点，对中小河流防洪安全综合评估的研究还较少，尤其是对于辽东地区而言，由于区域内山区较多，中小河流发生较大程度洪水的频次都要高于辽宁省其他区域，属于辽宁省的暴雨洪水易发区，近些年来，辽东地区中小河流通过防洪工程治理，中小河流的防洪安全总体得到一定程度的提升，但由于缺乏有效的中小河流防洪安全综合评估体系，其防洪安全很难得到有效评估。为对辽东地区中小河流进行防洪安全的综合评估，从中小河流工程和非工程措施建立综合评估指标体系，结合当前在国内大型河流防洪安全综合评估应用较为成熟的熵权云组合模型[9-15]，对辽东地区典型中小河流防洪安全进行综合评估，研究成果对于中小河流防洪安全风险评估具有重要参考价值。

1 综合评估方法

熵权云组合模型通过建立中小河流防洪安全评估指标体系熵权值方法对其各指标的隶属度进行综合计算：

(1)

式中，μ(x)—评估模型各指标体系的边际分布云函数；EX—各指标体系数据系列的期望值；En—模型评估的各指标的隶属度值。

模型首先按照综合评估指标体系各变量进行边界分布函数的建立：

En=N(En，He2)

(2)

式中，En—随机样本数据系列的期望计算值；He—随机样本数据系列的均值。

对构建的样本指标系列进行正态分布计算：

x～N(Ex，En2)

(3)

式中，Ex—正态样本指标数据系列的期望计算值。

在指标正态分布期望计算的基础上采用云模型对评估指标的隶属度进行计算，结合隶属度计算值分期各评估指标权重和特征值，并结合熵权方法对指标判定矩阵进行计算：

R=(rij)m×n

(4)

式中，R—各指标判定矩阵计算值；r—指标判定值；i—评估指标；j—判定指标；m—评估指标总数；n—判定指标的总数。

对各指标熵权值在判定矩阵分析基础上进行计算：

(5)

式中，Hj—评估指标的计算熵权值。

在此基础上对判定指标熵权值进行计算：

(6)

对各评估指标的熵权进行综合计算：

(7)

2 综合评估计算步骤

(1)分别对集合矩阵u={u1，u2，.…un}和评价矩阵为v={v1，v2，…vm}进行建立；

(2)各评估指标的熵权值进行综合计算，建立指标熵权计算矩阵W={w1，w2，…wn}；

(3)按照单要素评价方法对各评估指标综合熵权值进行计算，建立不同评估等级下的评估指标综合熵权矩阵R，并对各评估指标的隶属度进行正态分布样本和随机分布样本数据系列期望值的计算：

(8)

(9)

按照不同评估等级对各评估指标的隶属度进行矩阵计算，确定隶属度综合计算矩阵Z=(zij)n×m，其计算方程为：

(10)

式中，N和K—模型迭代次数和评估指标的总数。

3 实例应用

3.1 综合评估指标体系

以辽东南地区本溪、丹东、鞍山、大连、铁岭、抚顺地区为研究实例，辽东南地区为中小河流堤防为10～20年一遇防洪标准，从防洪工程和非工程措施选取12个指标构建辽东南地区中小河流防洪安全综合评估指标体系，区域内各中小河流防洪安全综合评估指标体系结合区域实际情况进行指标属性值的计算，区域各指标属性均值见表1。

表1 辽东南地区中小河流防洪安全综合评估指标体系

3.2 不同防洪标准下评估指标熵权值

按照区域10年一遇和20年一遇中小河流防洪堤防标准结合熵权分析方法对其防洪安全综合评估指标的熵权中进行计算，结果见表2—3。

表2 10年一遇防洪标准下辽东南地区中小河流防洪安全综合评估指标熵权值

表3 20年一遇防洪标准下辽东南地区中小河流防洪安全综合评估指标熵权值

从10年一遇和20年一遇防洪标准下各指标熵权值可看出，不同防洪标准下的评估指标的熵权值具有一致性，在各指标中，人均GDP和单位面积人口两项指标的熵权值要高于其他指标，这也是区域中小河流防洪安全影响的两项重要因素。水政法规体系在不同防洪安全下其熵权值相对较低，对于区域中小河流防洪安全总体影响程度较低。通过对比分析，区域各防洪安全综合评估指标体系的熵权值总体计算结果较为合理，和区域中小河流防洪安全影响实际情况吻合度较高。

3.3 标准化下各指标计算值

考虑到各指标属性差异性较大，为统一对各指标进行综合评估，采用正态云模型对各评估指标进行标准化计算，不同防洪标准下区域不同等级下评估指标的标准化计算值分别见表4—5。

表4 10年一遇防洪标准下辽东南地区中小河流防洪安全综合评估指标各标准值

表5 20年一遇防洪标准下辽东南地区中小河流防洪安全综合评估指标各标准值

3.4 评估指标隶属度计算

在采用正态云模型对区域评估指标标准化计算基础上，按照10000次对模型样本进行训练计算，对不同评估指标的隶属度按照正向标准化进行计算，10年一遇和20年一遇防洪标准下辽东南地区防洪安全评估指标的隶属度计算结果见表6—7。

表6 10年一遇防洪标准下辽东南地区中小河流防洪安全综合评估指标隶属度

表7 20年一遇防洪标准下辽东南地区中小河流防洪安全综合评估指标隶属度

从10年一遇和20年一遇辽东南地区防洪标准下辽东南地区中小河流防洪安全综合评估指标隶属度呈现正态标准分布，这主要是因为不同防洪标准下区域中小河流防洪安全评估各指标采用正态云模型进行标准化计算，使得各评估指标隶属度呈现标准正态分布，降低了各评估指标之间的非线性和随机性，通过多层次样本数据序列后其各指标的隶属度也逐步趋于稳定变化。

3.5 防洪安全综合评估

结合熵权云模型在各评估指标隶属度计算基础上对不同防洪标准下辽东南各分区的防洪安全进行综合评估，结果见表8—9所示。

表8 10年一遇防洪标准下辽东南地区中小河流防洪安全综合评价结果

表9 20年一遇防洪标准下辽东南地区中小河流防洪安全综合评价结果

结合辽宁地区中小河流防洪安全实际情况，当综合评估值在(0，0，0.10)之间时为不安全，在(0.11，0.15]之间时为较不安全，在(0.16，0.20]之间时较安全，在(0.21，0.25]之间时为安全，在(0.26，0.30]之间时非常安全，在10年一遇防洪标准下本溪地区综合评估值为0.27842，处于非常安全等级，而在20年一遇防洪标准下其评估值为0.13477，处于较不安全等级，通过分析主要是因为本溪地区中小河流20年一遇防洪标准达标率总体不是很高，使得其20年一遇防洪安全总体为较不安全。丹东、鞍山、大连地区在20年一遇和10年一遇防洪标准下其评估结果均为较安全。铁岭地区在10年一遇防洪标准下其防洪安全综合等级为安全，而在20年一遇防洪标准下其防洪安全综合等级为较安全，这主要是因为20年一遇下铁岭地区中小河流堤防达标率总体不是很高影响所致。抚顺地区中小河流防洪安全经过评估总体为不安全。综合分析辽东南地区总体在0.16～0.20之间，处于较安全程度。

4 结语

(1)在进行评估指标隶属度计算时，当样本训练计算次数达到10000次以上时，各评估指标隶属度总体可处于标准正态分布，此时计算的各评估指标隶属度逐步趋于稳定变化。

(2)在进行非工程措施指标赋值时，主要采用专家赋分方式对其进行赋值计算，如防洪工程体系、水情测报系统两项指标，通过专家评估方式按照0～100对其进行赋分，再结合标准化方式对其指标进行标准化计算，解决不同指标属性差异较大的问题。

(3)本文未对评估等级范围进行合理性分析，在后期的研究中应重点对各评估等级的取值范围进行合理性分析，进一步提高其综合评估的客观性。