基于模糊层次分析法的平原水库健康综合评价

岳　强,刘福胜,刘仲秋

(1. 山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安　271018； 2. 农业大数据中心，山东泰安　271018)



基于模糊层次分析法的平原水库健康综合评价

岳强1,2,刘福胜1,2,刘仲秋1

(1. 山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018； 2. 农业大数据中心，山东泰安271018)

摘要：为了解决平原水库安全评价中存在的忽略生态和可持续性问题，针对平原水库面积大、水深小、坝线长和基础处理差的特点，在健康功能分区的基础上，综合考虑安全、生态特征、可持续性和社会政治环境等因素构建了平原水库健康综合评价体系，指标体系包括围坝安全、水库社会效益、水库生态效应和状态持续性4类一级指标和15个二级指标。利用模糊数学方法提高层次分析法确定各指标权重的准确性，构建平原水库健康综合评价的多目标多层次模糊模型，克服了传统评价方法的主观随意性，系统分析各类指标的耦合影响，改进评判分析的不确定性。评价结果表明：该方法操作方便、效果较好，可用于一般水库的健康评价。

关键词：平原水库； 健康评价； 模糊层次分析法； 指标体系； 权重

平原水库作为人类与自然相互交流的渠道，维持其健康状况是科学发展观和社会价值观进步的必然结果。水库健康评价是确切掌握水库运行状况，明确其结构和功能存在的问题，采取改善措施以实现健康运行的可持续性。因此，平原水库健康评价的研究,不仅具有重要应用价值，且已成为当前生态环境综合评估的核心内容和热点领域之一。国内外许多学者一直关注水库安全运行、有效发挥功效的问题。R.Costanza等[1]首次提出健康生态的主要特点是在时间上具有维持其组织结构、自我调节和对胁迫的恢复能力，健康程度以活力、组织结构和恢复力来定义；S. E. Jorgenson[2]提出了生态系统健康初步评价程序；徐福留等[3]提出了生态系统健康定量评价的函数方法；肖金凤等[4]综合水库功效和生态因素，定义水库健康为生态健康和功效良好；高永胜等[5]综合了安全、经济支撑对库区及其周围生态系统和河流下游生态环境的影响，概括了健康水库的概念；李景波等[6]认为组成河流水系的水库是陆地水循环的主要途径以及陆地和海洋进行物质和能量交换的主要通道；褚克坚等[7]提出了平原河流生态评价指标体系和评价方法；张红叶等[8]对水库的营养状态和生态健康进行了定量评价；魏海等[9]对水库健康进行了综合指数评价；任子纲等[10]构建了包括水库安全、水库绩效及水库影响的水库健康状况综合评价体系，给出了指标量化和指标权重确定的方法；谢飞等[11]分析了水库生态系统的主成分，通过熵权提高了水库健康综合评价的有效性；余祥[12]考虑水库健康的概念和评价两个方面对中小型水库的健康评价进行了研究。上述学者的研究考虑结构安全、功能和能量循环等因素对水库健康进行分析，工程应用证明这些研究是评价水库健康状况的有效方法。

本文在已有研究工作的基础上，结合相关的多学科知识，采用理论与实践相结合的方法对平原水库健康评价模式进行探讨。从围坝安全、水库社会效益、水库生态效应和健康稳定的角度构建平原水库健康状况综合评价体系，选用多目标多层次模糊模型评价水库健康状况，给出了指标量化和指标权重确定的方法。

1平原水库健康综合评价指标体系

根据上述健康水库内涵选用水库安全、生态环境、社会功能、状态持续性4个要素来评价平原水库的健康状况,围坝安全是平原水库实现既定功能效益的前提和基础，是衡量水库健康与否的主要因素和首要条件；生态环境是指水库对于库区及影响区域生态系统的支撑程度，随着人们生态环境意识的提高，生态功能已经成为水库健康评价中不可忽视的重要内容；社会功能是修建水库的主要目的，体现水库自身的价值及对人类社会经济的支撑；状态持续性是水库对于自身健康状态持续性的表征，各种人为、自然干扰下对于自身结构、功能的维持和修复的能力。平原水库健康影响因素之间相互关联、相互作用，具有较强的耦合性。

平原水库健康综合评价指标体系具有多层次和递阶的结构形式，具有系统性和动态性的特点，通过一组具有代表意义，同时又能全面反映各方面要求的指标和数据的综合，得出平原水库的发展变化整体趋势。根据平原水库自身特点，基于健康水库内涵和影响因素分析，本着科学性、系统性、层次性以及可操作性等原则，参考现行《水库大坝安全评价导则》规定水库安全评价内容和分类，建立易于量化的平原水库健康综合评价指标体系由1个目标层、4个准则层及15个相关的具体指标构成，见图1。

图1　平原水库健康综合评价指标体系Fig.1　Synthetic health evaluation system for plain reservoirs

2平原水库健康模糊综合评价

2.1模糊层次分析

对平原水库健康综合评价体系建立目标层、准则层和指标层, 准则层分为4个准则，准则层指标集为U,即：U={水库围坝安全U1,水库环境功能U2,水库社会功能U3,水库状态持续性U4}

(1)

根据现行《水库大坝安全评价导则》中对水库安全评价内容、方法和标准的要求，参照《平原水库工程设计规范》(DB37/1342—2009)的要求，借鉴业内专家研究结论和平原水库科学管理实证资料，对每个指标独立确定其指标特征值(见表1)。

表1　平原水库健康综合评价指标特征

根据指标层的指标集Ui和评价标准集Vimj，得到指标层隶属度矩阵Ri：

(2)

2.2确定各层次的权重

建立第i个准则层的判断矩阵Ai：

(3)

式中：Ai表示第i个准则层中各个指标间的相对权重矩阵;aij为第i个指标相对第j个指标的权重值，采用Saaty提出的1-9标度法[13]。

(4)

(5)

计算判断矩阵的最大特征根λmax，进行一致性检验判断：

(6)

CI=(λmax-m)/(m-1)

(7)

CR=CI/RI

(8)

式中：CI为一致性判断指标；m为判断矩阵的阶数；RI为平均一致性指标；CR为Saaty给出的计算一致性比率，当CR≤0.1时，判断矩阵具有一致性。

2.3分层模糊综合评价

平原水库健康综合评价指标体系共有3层，因此进行两级模糊综合评价，即指标层对准则层和准则层对目标层的评价。

指标层对准则层的模糊评价为：Bi=WCi°Ri

(9)

准则层对目标层的模糊评价为：S=WB°B

(10)

3实例分析

丁东水库位于山东省德州市陵县，库区占地面积8.51km2，水面面积7.0km2，大坝坝顶高程为26.5m，高9.5m，坝顶宽8.0m，设计蓄水深7.0m，大坝轴线长11.64km，库容550 万m3，碾压式均质土坝, 是山东省内新建大型平原水库之一。水库建成蓄水以来，为推动德州市工农业生产发挥了巨大作用。

表2　平原水库健康综合评价体系指标权重

水库自1997年开始蓄水起收集了完善的监测资料，通过现场勘测和历史资料统计分析，在丁东水库同时期的安全评价计算的基础上，结合各位业内专家的模糊评价结论，对最近一个水文年内各指标的最新数据资料进行量化处理，根据表1所示的平原水库健康综合评价指标特征值，对各指标依次进行隶属度计算，所得结果如表3所示。

表3　模糊综合评价隶属度

根据式(9)和(10)，求得准则层各个指标模糊评价结果和总目标的总体评价结果(见表4)。

根据隶属度最大原则，丁东水库的健康状况为“健康”，各项功能正常，但其“亚健康”隶属度也占到了25.3%的比例，说明健康状态有可能向亚健康发展，而“病危”隶属度也有 0.148，对水库的健康状态需要提高警惕。丁东水库社会功能的 “亚健康”隶属度较高，说明水库的社会功能有向着 “病变”发展的风险，对于水库管理决策者提供了水库管理需要改进的方向。如何优化水库的调度方式，更好发挥水库的社会效益，是水库决策者对于水库运行管理需要思考的问题。因此，对于丁东水库的维护和运行，还需投入更大的人力和物力以维持水库的健康。

表4　准则层和目标层模糊评价结果

4结语

(1)健康水库应具备一定的生态调节能力，对影响区域生态系统的影响在阈值范围内。平原水库健康的内涵包括水库安全、水库绩效、生态环境影响和健康状态持续性4方面内容。

(2)平原水库健康评价指标体系具有多层次和递阶的结构形式，包括安全、环境、社会功能和状态持续性4类一级指标和15个具体二级指标，根据不同水库的具体问题可取舍相应指标。

(3)采用多目标综合模糊模型可以较真实地反映平原水库健康状况，降低指标赋权的随意性和模糊性，充分利用水库大坝安全评价和监测数据资料，水库健康评价更为客观和高效。

(4)以丁东水库为例，根据模糊评价分析得出水库健康状况属于“健康”，但是其社会功能的 “亚健康”隶属度较高，为水库管理决策指出了需要改进和完善的方向。

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Comprehensive assessment of plain reservoir health based on fuzzy and hierarchy analyses

YUE Qiang1,2， LIU Fu-sheng1,2， LIU Zhong-qiu1

(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,ShandongAgriculturalUniversity,Tai’an271018,China； 2.AgriculturalBigDataCenter,Tai’an271018,China)

Abstract：The characteristics of ecosystem and sustainability have been ignored in safety evaluation for the plain reservoir. The plain reservoir has special characteristics such as large area, shallow water depth, long dam length and poor foundation treatment. On the basis of the health function regionalization, the comprehensive health assessment system for the plain reservoirs is established according to its safety, ecosystem characteristics, persistence, and other social， political and environmental factors. This index system includes 4 first-grade indexes, namely reservoir safety, social benefits, ecological effects and health persistence, and 15 second-grade indexes. In order to overcome the shortcomings of randomness and subjectivity in the traditional evaluation method and to eliminate the uncertainty during the evaluation process, a multi-objective and multi-layer fuzzy model for comprehensive health assessment of the plain reservoir is proposed, where the weight of each indicator is determined based on an improved analytic hierarchy process(AHP) method combined with fuzzy analysis of the relevant relationships of each indicator. The case history indicates that the research method is feasible and effective, and can be used widely in the reservoir health assessment. The analysis results obtained from this study are beneficial to the sustainable development and scientific management of the plain reservoirs.

Key words：plain reservoir; health assessment; fuzzy analytic hierarchy process; index system; weighting

中图分类号：TV697

文献标志码：A

文章编号：1009-640X(2016)02-0062-07

作者简介：岳强( 1970—)，男，山东济南人，副教授，博士，主要从事水库安全评价研究工作。

基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2015BAB07B05);山东省省级水利科研及技术项目(SDSLKY201305);山东省农业重大应用技术创新项目(SDNYCX1531963)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2013EEM002)

收稿日期：2015-05-08

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.02.009

岳强， 刘福胜， 刘仲秋. 基于模糊层次分析法的平原水库健康综合评价[J]. 水利水运工程学报, 2016(2): 62-68. (YUE Qiang, LIU Fu-sheng, LIU Zhong-qiu. Comprehensive assessment of plain reservoir health based on fuzzy and hierarchy analyses[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(2): 62-68.)

E-mail：qiangyue@sdau.edu.cn通信作者：刘福胜(E-mail：liufsh@sdau.edu.cn)