基于投影尋蹤分類模型的河道堤防護坡方案優(yōu)選

孔德華

（江蘇省金湖縣河湖管理所，江蘇 淮安 211600）

河道堤防護坡工程建設(shè)是改善城市水環(huán)境、打造濱水宜居城市的重要手段。護坡同時也是堤防安全保障的重要元素，是堤防除險加固工程建設(shè)內(nèi)容的重要組成部分。目前，人們對水環(huán)境的要求逐漸提高，河道不僅需要具備泄洪、排澇、蓄水的基本功能，還需符合景觀美學(xué)，兼具環(huán)境與生態(tài)效益。

在以往河道堤防護坡方案的選擇上，考慮較多的因素是防洪功能、工程的造價或耐久性等，受主觀經(jīng)驗影響較大，對工程綜合效益的把控不夠全面。本研究以工程實例為基礎(chǔ)，提出不同的河道堤防護坡方案，引入投影尋蹤分類模型，建立包括基本功能（防洪、引水、排澇、蓄水、航運）、施工難度、工程造價、施工進度、工程耐久性、景觀美學(xué)、環(huán)境協(xié)調(diào)性、政府與群眾支持力度在內(nèi)的指標(biāo)結(jié)構(gòu)，優(yōu)選綜合效益最佳的河道堤防護坡方案，以期為今后堤防護坡工程的建設(shè)提供有益參考。

1 工程概況

研究以外秦淮河清涼門—定淮門橋段堤防護坡工程為實例。秦淮河的干流總長為34 km，流域面積2631 km2，流經(jīng)鎮(zhèn)江和南京兩市，在江寧區(qū)定河橋部分存在兩條支流，西支的人工河被稱為秦淮新河，東支流經(jīng)南京城區(qū)，習(xí)慣上稱為外秦淮河。

近年來，南京城市發(fā)展迅速，受水體污染、河床淤積、生態(tài)環(huán)境破壞等因素影響，使得外秦淮河承受了巨大壓力，原堤防護坡工程有待重建或改造。采用何種護坡方案，才能獲得最優(yōu)綜合效益，成為外秦淮河清涼門—定淮門橋段堤防護坡工程設(shè)計階段的關(guān)鍵問題。

2 方案比較

根據(jù)工程的實際規(guī)模與需要，設(shè)計了5 種不同的河道堤防護坡方案，并對這5 種方案的優(yōu)缺點進行了深入挖掘。

方案一：現(xiàn)澆混凝土面板護坡。現(xiàn)澆混凝土面板護坡方案已有較為成熟的設(shè)計規(guī)范與施工標(biāo)準(zhǔn)，可操作性強。然而，其在實際應(yīng)用過程中，往往會存在一些問題：混凝土面板采用現(xiàn)澆的形式，質(zhì)量難以得到保障；現(xiàn)澆面板尺寸較大，澆筑和安裝存在一定難度；堤防出現(xiàn)不均勻沉降或凍脹作用時，易出現(xiàn)裂縫或隆起現(xiàn)象，導(dǎo)致局部或較大面積的破壞；對于河道走勢的適應(yīng)性較差。

方案二：植被型生態(tài)混凝土加栽植護坡。植被型生態(tài)混凝土加栽植護坡方案屬于新型護坡形式，符合景觀美學(xué)要求，具備較好的親水性，施工工藝簡單，技術(shù)合理，實用性好。其缺點是：會出現(xiàn)栽植成活率低、草籽被沖走等問題；栽種過程中需要一定的人工成本；在長期浸水地段的應(yīng)用存在局限性。

方案三：漿砌石護坡。漿砌石護坡方案的優(yōu)點是：造價低廉、施工簡單、強度和耐久性較好。其缺點是：在高速水流淘刷的作用下，漿砌石護坡會受到不同程度的破壞；坡中的沙性土、輕粉質(zhì)壤土易被水流帶走，使得石料滑動或坍塌；需要較大量的石料。

方案四：鉸接式連鎖磚護坡。與混凝土面板護坡不同，鉸接式連鎖磚護坡方案能夠很好地適應(yīng)河道走勢及地形的變化，對于砌塊抗凍、抗?jié)B、耐久性等性能的要求能夠通過選擇不同的原材料來實現(xiàn)，批量化生產(chǎn)難度較低，鉸接式連鎖磚護坡的生態(tài)性能好，其鉸接處存在的間隙便于河流水滲入地下，也利于地下水上行補給。其缺點在于：后期的維護較為困難。

方案五：混凝土模袋護坡。混凝土模袋護坡方案能適應(yīng)地形變化與河道走勢，整體性好；施工工藝成熟、機械化程度高，可節(jié)省較大的人力成本；后期維護簡單，維護成本低廉。其缺點在于：模袋的耐久性較差，長時間使用后易破損，且修補難度大；灌注過程中易出現(xiàn)灌注不飽滿的現(xiàn)象。

3 不同河道堤防方案的投影尋蹤分類模型

3.1 指標(biāo)結(jié)構(gòu)

本研究選取基本功能、施工難度、工程造價、施工進度、工程耐久性、景觀美學(xué)、環(huán)境協(xié)調(diào)性、政府與群眾支持力度9 項指標(biāo)作為河道堤防方案的評價指標(biāo)，其中，基本功能包括防洪、引水、排澇、蓄水、航運5 個方面，如圖1 所示。對基本功能、施工難度、施工進度、工程耐久性4 項指標(biāo)的獲取采用了專家打分制的方法，由3 位水利工程領(lǐng)域?qū)＜掖蚍植⑷∑渚?；工程造價根據(jù)實際情況計算獲得；景觀美學(xué)、環(huán)境協(xié)調(diào)性2 項指標(biāo)由水環(huán)境領(lǐng)域?qū)＜掖蚍肢@得；政府支持力度由工程所在地河道管理職能部門負責(zé)人打分獲得；群眾支持力度由工程所在地各區(qū)群眾代表打分獲得。打分標(biāo)準(zhǔn)為：＜60，較差；60～80，一般；80～90，良好；＞90，較優(yōu)。

3.2 模型建立

投影尋蹤分類模型是處理“多目標(biāo)、多指標(biāo)”高維數(shù)據(jù)的有效手段，在工程方案的優(yōu)選中已有一些應(yīng)用［1-2］。其實質(zhì)是利用計算機技術(shù)將高維數(shù)據(jù)通過某種方式投射到低維子空間，在低維子空間研究高維數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)與特征，從而達到處理高維數(shù)據(jù)的目的［3］。其建模方法如下［4-5］：

圖1 指標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

表1 無量綱化后的指標(biāo)及指標(biāo)值

（1）建立堤防護坡方案的評價矩陣。假設(shè)n 為堤防護坡方案個數(shù)，p 為評價指標(biāo)個數(shù)，xij*指第i 種堤防護坡方案下的第j 個評價指標(biāo)值，本試驗中n=5，p=9，則堤防護坡方案評價矩陣X*為：

（2）矩陣X*無量綱化處理。本研究中，堤防護坡方案的評價指標(biāo)分為兩類：施工難度、工程造價和施工進度3 項指標(biāo)為“損失性”指標(biāo)，即指標(biāo)值越低，該項指標(biāo)越優(yōu)；其余6 項指標(biāo)為“收益性”指標(biāo)，即指標(biāo)值越高，該項指標(biāo)越優(yōu)。

對于“收益性”指標(biāo)：

對于“損失性”指標(biāo)：

經(jīng)過無量綱化處理，矩陣X*可轉(zhuǎn)化為X：

式中：

max（xj*）—第j 個指標(biāo)的最大值；

min（xj*）—第j 個指標(biāo)的最小值。

本研究中，無量綱化處理后的指標(biāo)及指標(biāo)值如表1 所示。

（3）線性投影。線性投影的實質(zhì)是將高維數(shù)據(jù)降維，即通過某種方式將高維數(shù)據(jù)投射到低維子空間。本研究中，假設(shè)單位向量a 為一維線性投影方向，那么矩陣X 投影到a 上的一維投影特征值zi為：

（4）構(gòu)造投影目標(biāo)函數(shù)。一般來說，投影值的空間分布以密集的投影點最佳，凝聚成點團效果更好。而從點團的情況來看，其分布應(yīng)盡可能分散。即在投影目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造過程中，應(yīng)考慮使得多元數(shù)據(jù)分布的類間距離和類內(nèi)密度同時達到最大。則投影目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

式中：

Q（a）—投影目標(biāo)函數(shù)；

SZ—投影特征值zi的標(biāo)準(zhǔn)差，即類間距離；

DZ—投影特征值zi的局部密度，即類內(nèi)密度。

式中：

E（z）—序列zi的均值。

式中：

R—局部密度的窗口半徑。

i，k=1，2，3，…，n，表示樣本容量。

（5）優(yōu)化投影目標(biāo)函數(shù)。通常情況下，對于給定的樣本集指標(biāo)值，投影指標(biāo)函數(shù)Q（a）會隨著投影方向a的不同而發(fā)生變化，能夠在最大程度上反映高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征的投影方向為最佳的投影方向。為了優(yōu)化投影目標(biāo)函數(shù)，可采用目標(biāo)函數(shù)最大化的方法：

（6）評價。最佳投影方向a*的取值反映指標(biāo)貢獻程度（即傳統(tǒng)評價模型中的權(quán)重）。按照投影值z（i）*取值大小排列，可以得到不同河道堤防護坡方案綜合效益的優(yōu)劣排序。

3.3 模型求解

采用matlab7.1 對表1 中的指標(biāo)建立投影尋蹤分類模型。在RAGA（遺傳算法）優(yōu)化過程中選定父代初始種群規(guī)模為n=400，交叉概率Pc=0.8，變異概率Pm=0.8，優(yōu)秀個體數(shù)目為20 個，α=0.05，加速20 次，得出最大投影指標(biāo)值為0.6590，最佳投影方向a（j）*=（0.3017，0.2122，0.1302，0.4831，0.1787，0.4278，0.2863，0.5060，0.2465），5 種堤防護坡方案的投影值依次為0.7913）。依據(jù)“投影值越大，河道堤防護坡方案綜合效益越優(yōu)”的準(zhǔn)則，方案四（鉸接式連鎖磚護坡）為綜合效益最優(yōu)的方案，投影值達到2.1140；方案二（植被型生態(tài)混凝土+栽植護坡）次之，投影值為2.1033；方案五綜合效益最差，投影值僅為0.7913。

4 結(jié)論

通過上述分析可知，投影尋蹤分類模型克服了單獨使用主觀權(quán)重造成的片面性，計算過程遵循原始數(shù)據(jù)規(guī)律，原理更為科學(xué)。借助投影尋蹤分類模型優(yōu)選綜合效益最佳的河道堤防護坡方案，可靠性和可行性強，具備廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。

值得注意的是，在使用投影尋蹤分類模型計算過程中，指標(biāo)和方案數(shù)目越多，其計算精確度越高。即指標(biāo)體系越龐大，應(yīng)用效果越好。在后續(xù)研究中，也可考慮建立標(biāo)準(zhǔn)化的河道堤防護坡方案的綜合評價體系，將其應(yīng)用于特定工程中時，只需適當(dāng)增添和刪減指標(biāo)即可，可使得計算更為簡便。

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