江西省上高县泗溪镇熊家村防洪工程效益评价

刘淑娥，刘 琴

(江西省赣西土木工程勘测设计院，江西 宜春 336000)

调查显示，我国已完成各类河道治理长度123 571 km，治理程度仅有33%，防洪安全仍为现阶段河道治理工作的重点内容，且尚未全面遏制水质恶化的趋势，河道治理和水环境保护任务重大。近年来，各地区相继开展一系列的河道治理工程，但许多工程并未取得预期的治理成效。所以，科学评价已完成的河道整治项目，可为进一步治理未满足评价要求的河道以及治理方案的优化设计提供指导[1]。

国内学者主要侧重于河道生态治理、水污染成因等方面的探究。如李志华等[2]分析了南川河防洪、水文和生态要求，在此基础上提出科学有效的水污染治理方法；张萍等[3]通过河湖栖息地、生物状况、河湖生境生态及水环境的分析，提出修复水生态的方法；杨艳等[4]对比分析发电耗水量和发电量，科学评价河道疏浚治理成效；王寿兵等[5]通过分析中小河流现存的主要问题，从生态修复的角度提出河道整治方法；郭丽峰等[6]利用DPSIR框架模型构建水环境效益评价体系，为河道生态治理及其效益评价提供新的途径。此外，还有学者从河流净水功能的角度，对绿色基础设施运用多标准分析法进行评价分析。ABOYEJI等[7]借鉴不同污染程度、污染来源的河流治理案例，为解决水污染问题提出有效的对策建议。

根据实际调研结果和相关文献资料，现有研究以生态价值分析及河流水质改善为主，且多定性分析，量化评价比较缺乏。云模型可以利用精准的数据较好地转化定量与定性要素之间的关系，现已广泛应用于水利投资项目风险评估和水工建筑物安全评价等领域。河流防洪治理工程涉及范围广、因素多，兼具随机性与模糊性的云模型理论能够具体计算出工程“好、坏”，对推广工程经验发挥着积极作用[8-14]。鉴于此，本文结合中小河流防洪工程特点，选择13项指标构建效益评价体系，对江西省上高县熊家村防洪工程效益利用云模型理论进行评价。针对初始权重计算时，云模型利用打分值限制了其客观性，考虑对云模型利用投影寻踪法加以改进，各指标隶属度运用条件云求解，利用PP-云模型客观评价防洪工程整体效益。

1 防洪工程效益评价体系

1.1 构建评价体系

防洪工程效益评价的重要基础是建立系统、完善的评价体系，最终评价结果的合理性、科学性在很大程度上取决于能否构建客观反映实际情况的指标体系。本文遵循可获取性、代表性、科学性和客观性等原则，选择13项能够反映防洪治理客观情况的评价因子，按照梯阶层次框架构建效益评价体系，见表1。

1.2 确定评价等级

本文结合文献资料、专家经验及相关行业规范，按照国际通行标准和全国平准水平将防洪工程效益划分为Ⅰ～V级，所对应的评语为极佳、较好、一般、较差、极差，各等级划分标准见表2。

表1 防洪工程效益评价体系及其初始值

表2 防洪工程效益评价等级划分

2 防洪工程效益评价模型

20世纪90年代，李德毅等提出一种能够转换定量数值与定性概念的双向认知模式，现已在河流健康评价、灾害风险分析、膨润土涨缩、智能控制及效益评估等领域广泛应用[15]。该模型以概率统计学和模糊数学为基础，可以结合精准数据与不确定性语言揭示事物的随机性、模糊性变化特征，由此建立定量分析与定性描述互换的映射关系。由于考虑了主客观因素，云模型计算结果比较公正，但初始权重计算时该模型一般以主观打分法确定，由此使得评价结果往往偏离客观实际。鉴于此，本文将主客观赋权法相耦合求解各指标组合权重，保证权重计算和防洪效益评价的客观合理性。

2.1 综合权重的计算

2.1.1 主观权重

正态云、高斯云、三角形云和矩形云等为云模型的常见类型，其中正态云能够客观反映各类数据的分布情况以及各指标特征，所以其适用性较为普遍。考虑到河道防洪治理涉及范围广、因素多的实际情况，且不同因素之间密切关联，任何一种因素在效益评价过程中都未占据主导地位，结合中心极限定理，各参评因素近似服从正态分布。因此，各评价等级与指标的云形态选取正态云模型，其详细流程为：

步骤1：将各指标初始权重按照调研专家打分值来确定，正态云的He、En、Ex3个特征值利用逆向云发生器求解，其表达式为：

(1)

式中：n为样本数；xi为样本值；S2为样本方差。

步骤2：采用正向云发生器和所获取的He、En、Ex特征值，经多次重复运算和均值化处理获取效益评价各指标主观权重。

2.1.2 客观权重

投影寻踪法(PP)是一种能够有效分析非线性、多样本的数学方法，对于形式化、数学化的非正态高维数据的处理具有较好的适用性。该方法可以将具有一定内在规律的高维空间利用计算机技术投影至1维-2维的低维子空间上，通过最优值的求解确定能够最大限度反映原高维特征的投影方向，最终利用投影函数达到高维数据处理的目的，其流程如下：

步骤1：采用归一化公式和现有相关数据资料构造初始矩阵R=(xij)m×n，其中m、n为评价样本数和指标数，xij为指标i关于样本j的标准化值。

步骤2：引入线性投影法将高维数据转换至一维线性空间上，在方向向量a=(a1,a2,…,an)上投影n维初始指标数据，从而获取相应的投影值Zi，其表达式为：

(2)

设S(a)、d(a)为投影值Zi的标准差和局部密度，可以利用下式描述构造的投影函数Q(a)，即：

(3)

步骤3：通过构造适应度函数maxQ(a)实现非线性最优求解问题与最佳投影方向的转换处理，其表达式为：

(4)

采用加速遗传算法(RAGA)经多次反复迭代运算，以最优个体的平均值作为各参评因子的客观权重。该方法是一种全局择优的概率搜索法，主要结合生态系统中生物遗传和进化过程实现多目标问题的模拟分析，内容包括选择、交叉和变异等过程。

2.1.3 组合权重

将云模型和投影寻踪法求解的主观权重w1i、客观权重w2i相耦合，利用以下公式求解组合权重，即：

wi=0.5wi1+0.5wi2

(5)

2.2 隶属度计算

为更好地确定效益评价等级，将各项评价指标等级与标准利用条件云发生器来求解，主要步骤为：

步骤1：根据河道治理目标要求及防洪工程实际状况，合理确定各项指标的期望值和初始数据。

步骤2：采用云模型的3个特征值确定不同评价等级下各指标的隶属程度，利用下式求解特征指数，即：

(6)

式中：Cij,min、Cij,max为评价等级j中效益评价因子i的下限、上限值；Eij，x、Ei，n为第j个评价等级中效益评价因子i的期望与熵；Hij,e为描述变量不确定程度的超熵，一般按照经验或实验确定，若云滴数m取1 000，则超熵He取0.01。

步骤3：归一化处理各项指标值。对于防洪工程效益评价正向指标，其计算式如下：

(7)

若参数值符合条件xi≥Exi1，则有：

若参数值符合条件xi

对于防洪工程效益评价负向指标，其计算式如下：

(8)

若参数值符合条件xi

若参数值符合条件xi>ExiN，则有：

(9)

(10)

采用公式C=W·U将上述获取的隶属度矩阵U和组合权重W进行综合运算，按照最大隶属度原则确定防洪工程效益最终评价等级。

2.3 评价流程

为更加直观、清晰地反映上述评价流程，总体上可以按照6个步骤完成防洪工程效益评价，其基本流程见图1。

图1 评价流程

3 实例分析

3.1 工程概况

上高县泗溪镇熊家村防洪工程位于锦河一级支流棠浦港中下游两岸，起点为泗溪镇熊家村罗家大桥处，终点为下浦城，河道综合整治长度为3.57 km。圩堤保护面积为3.5 km2，保护0.027 33×104hm2耕地和0.27万人口，承担着沿河防洪安全、农业生产和经济建设的重要任务。圩堤内农作物以种植两季水稻为主，另有旱地经济作物花生、油菜等，农民人均收入7 550元。熊家村防洪工程现有堤顶宽窄不一，堤身边坡陡，部分堤段迎水面迎流顶冲严重；洪水经常上岸，历年来港东罗家均受到洪水冲击的影响；加之棠浦港蜿蜒曲折，多处河岸迎流顶冲、塌岸严重。长期以来，受洪水影响防护区内洪涝灾害频频发生，给当地人民生活带来许多困难、给工农业生产带来较大损失，对进一步提高人们生活水平和推动当地经济发展产生严重的制约[16-17]。

为提高居民生活质量及改善河道周边生产生活环境，防止洪水冲刷堤坡、圩堤与河岸迎水坡受风浪及水流的冲刷侵蚀，以及保证河岸和农田安全，上高县水利局及相关部门将泗溪镇熊家村防洪工程纳入重点中小河流治理项目，2018年开展专项整治工程。综合整治工程对河道实施了疏浚、堤岸与渡槽加固、堤防培厚、砼镂空预制块护坡、砼挡墙护岸、新建T50型槽排水沟、新建C25砼防汛公路、景观设计、新建穿堤建筑物、生态修复等多项治理措施。结合实地调研结果和河道治理报告，经计算分析确定各项指标初始数据，见表1。

3.2 组合权重

结合多位专家对防洪工程打分结果，利用云发生器构造各子系统以及相应指标的客观权重云模型，然后结合以上模型确定评价体系中每项指标和子系统的权重系数，见表3。

表3 云模型客观权重值

从表3可知，在改善生态环境方面专家打分有所侧重，所以该子系统权重占比达到0.548，其重要程度超过其它两子系统，且相对其它指标林草覆盖率、水土流失强度和水质达标率等定量指标权重也整体偏高。然而，防洪工程不仅要考虑生态环境，更要注重防洪体系增量效益、就业效益、居民满意度及经济效益等因素，受人为主观因素影响无法客观、全面地反映防洪工程整体效益。

为保证评价结果客观性与科学性，将各评价指标客观权重利用投影寻踪法求解，并运用文中所述相关公式求解各指标组合权重，见表4。

表4 防洪效益评价指标权重

根据组合权重计算值，经济效益、公众环保意识及就业效益指标权重有所增大，水土流失强度和水质达标率权重有所减少。防洪效益评价全面考虑社会、经济效益以及对周边居民生产生活的影响，充分体现了防洪治理的安全、生态、自然理念，评价结果更加客观准确。

3.3 效益评价等级

将各参评指标的隶属度利用条件云发生器和计算公式(6)-式(10)求解，为确保计算精准度，设定重复迭代运算1 000次，防洪工程效益评价等级即为最大隶属度所对应的级别，见表5。

表5 防洪工程效益评价

3.4 结果与分析

根据表5可知，上高县泗溪镇熊家村防洪工程整体达到Ⅱ级(较好)水平，居民满意度、景观效益及林草覆盖率指标达到较好等级。实际工程中仍有部分指标未达到预期目标，如物种多样性指数、水土流失强度和水污染控制处理费用等。所以，有关部门应在今后的河道治理中注重考虑污染源控制措施，可持续合理利用有限的水土资源。

通过对溪镇熊防洪工程实地调查发现，该工程的实施显著提升了防洪标准，有效保证了项目区人员和财产安全，显著减少了社会不安定因素。此外，项目的实施对降低洪涝灾害发挥着积极作用，为充分利用区内的水土资源和工农业生产提供重要保障。生态修复、景观设计等措施的实施，有利于形成完善的水景观平台和大大提升项目林草覆盖率，加强了河道的娱乐、生态和景观功能。评价结果与项目区实际情况基本一致，可见所运用的模型具有较强适用性与可行性。

4 结 论

1) 从生态、经济和社会3个方面选择代表性评价指标，按照梯阶框架体系构建防洪工程效益评价体系。将主客观属性相结合构建PP-云模型，并以上高县泗溪镇熊家村防洪工程验证了模型的可行性和精准度。

2) 河道防洪治理涉及内容多、覆盖范围广，效益评价时未考虑人员组织、工程管理等方面因素。所以，今后仍需要进一步研究如何设定合理的评价标准和指标体系，为更好地指导防洪治理工作提供决策依据。