堰塞坝开发利用综合评价方法与应用

周彦章 钱逸 何宁 张中流 尹祥

摘要：现阶段堰塞坝开发利用工程设计建设大多沿用传统土石坝相关技术理论，应急抢险、风险分析及开发利用可行性分析完成后，缺少针对堰塞坝开发利用效果的定量评价方法。通过分析社会及生态、供水灌溉、发电功能及投资回报等堰塞坝开发利用需求，建立堰塞坝开发利用综合评价指标体系和多级模糊综合评价模型，引入云模型改进的层次分析法确定各指标权重，结合构建的隶属度函数确定各指标隶属度，并以红石岩、唐家山、白格、舟曲泥石流堰塞坝为典型案例，综合评价国内典型堰塞坝开发利用效果。结果表明：堰塞坝开发利用综合评价体系满足需求效果及收益最大化的评价要求，改进的多级模糊综合评价模型较好地解决了评价指标随机性、离散性等问题；综合评价结果与工程实际情况基本相符，评价体系及模型具有较好的适用性。研究成果可为堰塞坝开发利用综合评价提供理论参考和实践依据。

关键词：堰塞坝开发利用； 指标隶属度； 综合评价模型； 改进云模型

中图法分类号： TV649

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.003

0引 言

堰塞坝常常伴随着地质灾害而产生，在中国西部山区广泛分布，如2008年“5·12”地震形成以唐家山为代表的大小堰塞坝30余座。堰塞坝风险分析需要准确评估洪水、泥石流等灾难可能带来的影响，以便制定有效的预警机制和应急预案。堰塞坝应急抢险和风险分析完成后，对堰塞坝进行险情处置、整治开发，使之成为调蓄水库和绿色电站，具有良好的社会经济效益。目前堰塞坝开发利用工程及其设计建设大多沿用传统土石坝相关技术理论［1-2］，其开发利用评价工作缺少理论依据和技术支撑。

堰塞坝应急抢险、风险分析及开发利用可行性分析完成后，基于堰塞坝开发利用需求分析，本文从社会生态、供水灌溉、发电功能及投资回报等4个方面建立堰塞坝开发综合评价指标体系，引入云模型改进的层次分析法确定各指标权重，结合构建的隶属度函数确定各指标隶属度，利用最大隶属度原则，综合评价国内典型堰塞坝开发利用效果。研究成果可为类似情况下堰塞坝开发利用工程评价提供理论参考和实践依据。

1堰塞坝综合开发利用需求分析

1.1社会及生态需求

堰塞坝大多形成于高山峡谷区，使得江河断流壅水。山区河流流量随季节性变幅较大，大部分时间河道水深较浅，局部河段河面较宽阔，丰枯季节水面变化大，洪水期间水位暴涨，对下游人口形成巨大风险，枯水季节甚至出现河道断流现象，河道自净能力不足。山洪水量集中流速大时，还会导致河床面受到冲刷。堰塞坝破裂可能导致大量泥石流和洪水冲击下游生态系统，对河流、湿地、植被等造成破坏。风险分析应该考虑这些生态系统的价值和脆弱性，以便在制定措施时保护生态多样性和生态平衡。

堰塞坝开发利用工程建成后，将达到一定蓄水水位并具有防洪调蓄能力，在枯水期能够起到涵养水源的作用；降缓原有河床坡度，减慢河道流速，拦蓄洪水泥沙，起到消能防洪作用［3］。堰塞坝永久性整治开发利用后，能够消除堰塞湖上下游沿岸居民、农田的防洪隐患，并解除因堰塞坝溃决对下游梯级水电站造成的洪水威胁，消除地震引起的堰塞坝地质灾害问题。

1.2供水灌溉需求

堰塞坝两岸地形多为高陡山体，土层浅薄、植被稀少，涵养水源能力差，河流落差大，可开发利用水资源较少，开发利用程度低，人畜饮水困难，抵御各种自然灾害的能力差，尤其是在近年来极端气候变化作用下，水资源季节性分配极度不均，特别是枯水季径流减少，溪沟、小河断流，加剧干旱缺水［4-5］。

堰塞坝整治开发利用工程库容形成后能够对上游区域实现自流供水，在确保水量需求的同时，还能够最大限度地降低供水成本，并为工程下游灌区发展提供水源保障，摆脱山高谷深、水资源无法利用的现状。风险分析需要考虑到不同地区的水资源需求，以确保在应对堰塞坝事件时，水资源仍能够合理分配。

1.3发电功能需求

堰塞坝所处山区河段水能资源较为集中，上游至下游河段间存在较大的河道落差。通过综合开发利用，充分利用水能资源，在不影响防洪安全的前提下，可将堰塞坝开发成具有一定季节调节能力和发电装机容量的大坝，平均每年可为电力系统提供大量电量，促进当地社会经济发展。

1.4投资回报需求

堰塞坝整治及开发利用工程建设期，需要从外部运输大量的水泥、钢材、大型施工机械和大型水力、电器机械等，以及施工期间人员流通往来，可促进当地交通运输的发展，带动相关产业发展；同时，堰塞坝整治工程的建设还可带动当地教育、卫生事业发展，促进当地新农村建设和城镇化进程，给当地百姓带来更多的就业机会。

堰塞坝开发利用工程建设，能够创造较好的生产、生活条件，显著改善人民群众的生活环境，促进当地经济社会稳定，生产可持续发展。

2堰塞坝开发利用综合评价指标体系及模型

2.1综合评价指标体系建立

堰塞坝风险分析、开发利用可行性分析等前期工作完成后，其开发利用还涉及多方面需求和目標，需全方面综合评价堰塞坝开发利用工程对各项需求指标的满足程度，以满足各需求效果或收益最大化为目标，建立涵盖多目标性、效益性和综合性的堰塞坝开发利用综合评价体系［6-7］。

根据堰塞坝开发利用目标需求（A），归纳总结社会及生态需求（B1）、供水灌溉需求（B2）、发电需求（B3）和投资回报需求（B4）等4类需求目标。综合考虑堰塞坝社会及生态需求的防洪减灾能力（C1）、水土保持能力（C2）、景观丰富度（C3）；供水灌溉的农业灌溉能力（C4）、生活供水能力（C5）、工业供水能力（C6）和生态水保障性（C7）；发电需求的装机特性（C8）和发电量（C9）以及投资回报的投资回报率（C10）等要素确定堰塞坝开发利用的综合评价指标。其中B类需求准则的不同组合决定了相应需求A满足程度，而B类准则的确定则通过C类指标的组合来实现。根据指标因子层给出了各指标因子的指标说明，并对各指标因子给出了赋分标准区间，采用专家打分，再利用隶属度云模型进行加权平均运算的方法进行评价。根据上述原则，采用层次分析法对堰塞坝开发利用效益进行系统评价：将效益性以百分制划分等级，对于目标层，分别用效益低（0～25）、效益较低（25～50）、效益较高（50～75）和效益高（75～100）来表征。以社会及生态需求、供水灌溉需求、发电需求和投资回报需求满足度构成准则层，并将准则层向下分解出指标层，从而建立包括目标层、准则层和指标层等多个层次的堰塞坝开发利用综合评价体系，如表1所列。

2.2多级模糊综合评价模型

多级模糊综合评价是一种应用广泛的多因素和多目标决策技术，集成了层次分析法和模糊综合评判法的各自优点，主要体现在将评价指标体系分成递阶的多级结构，运用层次分析法确定各层的指标权重，然后分层次进行模糊综合评判，最后综合给出总的评价结果。堰塞坝开发利用综合评价系统是一个复杂的模糊系统，可以在上述效益评价指标体系的基础上，采用多级模糊综合评价方法，对其进行综合评价。

在已建的堰塞坝开发利用评价体系基础上，只要确定了其中各层次、各因子的权重和指标隶属度，就可以通过多级模糊映射，综合评价出具备特定效益因子组合条件下的堰塞坝治理开发所对应的开发利用效目标层准则层指标因子层指标对应于目标层的综合评价结果，即为多级模糊综合评价模型的最终评价结果矩阵，根据最大隶属度原则，隶属度最大的元素对应的效益等级，即为堰塞坝多级模糊开发利用评价模型的最终评价结果。

2.3改进的多级模糊综合评价模型

在上述堰塞坝开发利用效益评价过程中，主要考虑了堰塞坝评价系统的模糊性，而忽略了系统的随机性和离散性，因此利用云模型进行改进。

云模型在传统概率论和模糊数学基础上，通过期望（Ex）、熵（En）和超熵（He）3个数字特征，将模糊性、随机性和离散性有机结合起来，并实现了不确定语言和定量数值之间的自然转换。由此可见，利用云模型改进多级模糊综合评价模型，可以考虑效益评价系统中的模糊性，同时，也可较好地处理系统中的随机性和离散性，从而在不确定条件下，对堰塞坝开发利用进行综合评价。具体流程如图1所示。

2.3.1评语集云模型

2.3.2云模型标度

堰塞坝治理开发评价因子的状态分析中，其重要性的比较常常会受到专家个人经验和主观因素的影响，为此，本文通过构建基于云模型标度的评价因子两两比较判断矩阵来对其进行改进［8-10］，云模型的标度准则如表3所列。

與传统层次分析法的权重计算相比，采用云模型标度的判断矩阵计算各评价因子的权重，不仅对重要性标度进行了比较，同时对熵和超熵也进行了计算，从而对评价语言的模糊性和离散性有了更加客观的描述［11］。

2.3.3因子隶属度云模型

分别建立堰塞坝治理开发评价因子的隶属函数，这个过程实质上是一个统计分析的过程。

确定了云模型的期望值（Ex）、熵（En）和超熵（He）3个数字特征以后，其相应的隶属云模型也就由此确定了。利用云的期望、熵和超熵这3个数字特征值来表示隶属度的数学特征，充分考虑了评价因素对治理开发效益等级的隶属度关系间的随机性和离散性。其中，期望表示其预期值，熵表示隶属度相对于预期值的离散程度，超熵表示隶属度的真实情况偏离预期的程度［12］。

3典型堰塞坝开发利用综合评价结果

将效益评价因子权重云模型与10个评价因子状态对应的隶属度云模型进行加权平均运算，按式（9）～（11）计算各典型堰塞坝开发利用综合评价因子的隶属度云模型，结果如表5所列。

3.1红石岩堰塞坝

牛栏江红石岩堰塞坝是2014年云南鲁甸地震导致两岸山体塌方（主要为右岸边坡发生特大型崩塌）而形成的。堰塞体堆积总方量约1 000万m3，控制流域面积12 087 km2，占全流域面积的88.4%，多年平均流量127 m3/s，正常蓄水位1 200 m，相应库容1.41亿m3，形成的水库具备季节调节性能［13-14］。

按式（9）～（11）计算，红石岩堰塞坝开发利用综合评价效益评分为71.21，属于效益较高等级，根据其熵值（2.12）计算得分区间为［64.85，77.57］，属于效益较高与效益高等级之间，综合开发利用结果理想。

3.2唐家山堰塞坝

唐家山堰塞湖位于北川县城上游约3.2 km处的通口河峡谷中，堰塞坝顺河向长803.4 m，横河向宽611.8 m，最大高度约124 m，体积约2 037万m3，上游集雨面积3 550 km2，最大可蓄水量3.16亿m3。自2009年6月开始，先后开展了左岸裂缝、右岸滑坡、泄流明渠整治、左岸应急整治、右岸滑坡堆积体整治以及唐家山大型滑坡体治理等应急工程，有效处置了一系列险情。2012年底前，建成了堰塞湖左岸泄洪洞、禹里乡防洪堤等工程，完善了堰塞湖管理用房、监测站、人行索桥以及应急抢险公路等配套设施，使唐家山堰塞湖成为一座比较稳定安全的水库［15-17］。

按式（9）～（11）计算，唐家山堰塞坝开发利用综合评价效益评分为64.82，属于效益较高等级，根据其熵值（3.69）计算得分区间为［53.75，75.89］，属于效益较高等级范围内，综合治理开发结果较为理想。

3.3白格堰塞坝

白格堰塞体的体积约为2 750万m3，堰塞坝顺河道方向长度约2 km，横河向宽度约450～700 m，堰塞坝整体呈鞍型，左高右低。左侧最高点高程3 002 m，右侧垭口高程2 930 m，堰塞坝高度60～100 m［18-19］。

按式（9）～（11）计算，白格堰塞坝开发利用综合评价效益评分为41.85，属于效益较低等级，根据其熵值（371）计算得分区间为［30.72，52.98］，属于效益较低与效益较高等级之间，综合治理开发结果较差。

3.4舟曲泥石流堰塞坝

舟曲县位于甘肃省甘南藏族自治州东南部，东、北邻陇南市武都区、宕昌县，西南与迭部县、文县以及四川省九寨沟县接壤。2010年8月，县城北部山区突降特大暴雨，1 h降雨量达77.3 mm。县城北面的三眼峪、罗家峪发生特大山洪泥石流，山洪泥石流带来的砂石和冲毁的房屋等物体，在流入白龙江后形成长约15 km、宽100～120 m、淤积厚度约9 m、淤积量约140万m3的堰塞体，并在其上游形成长1.5 km、宽100～120 m、水深约10 m、蓄水量约150万m3的堰塞湖，导致舟曲县城1/3面积淹没［20-22］。

按式（9）～（11）计算，舟曲泥石流堰塞坝开发利用综合效益评分为35.08，属于效益较低等级，根据其熵值（4.15）计算得分区间为［22.63，47.53］，属于效益较低与效益低等级之间，开发利用综合效果差。

4结 论

（1） 根据堰塞坝开发利用要求，从社会及生态需求、供水灌溉、发电功能及投资回报等方面分析了堰塞坝整治开发综合利用的需求，同时评估了堰塞坝开发利用的经济社会效益。堰塞坝的建成，消除了防洪隐患，降低了供水成本，提供了清洁的电能资源，对社会经济发展起到了极大的促进作用。

（2） 在满足可行性开发利用需求的基础上，堰塞坝开发利用综合评价体系满足需求效果及收益最大化的评价要求，改进的多级模糊综合评价模型较好地解决了评价指标随机性、离散性等问题。

（3） 红石岩堰塞坝开发综合评价高，改建为水电枢纽工程已发挥显著综合效益；唐家山堰塞坝综合开发利用效益较高，工程安全风险是制约其开发利用的关键因素；白格堰塞坝综合开发结果较差，一旦溃决会给下游带来巨大灾难；舟曲泥石流堰塞坝综合利用效果差，已清除整治，恢复原河道。

（4） 得到的堰塞坝开发利用综合评价结果与实际工程情况基本相符，评价体系及模型具有较好的适用性，能够为堰塞坝开发利用综合评价提供理论参考和实践依据。

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（编辑：谢玲娴）