基于模糊聚類的病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固順序研究

連幼奇

(山西省晉中市水利建筑工程總公司，山西 晉中 030600)

受地理?xiàng)l件和自然環(huán)境等因素的影響，部分水庫(kù)存在不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)因素，變成了風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)極高的病險(xiǎn)水庫(kù)，難以幫助附近村落及城市安全度過(guò)汛期。在傳統(tǒng)的病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固方法中，根據(jù)每年的汛期水位漲落變化，設(shè)置除險(xiǎn)加固順序，以此控制病險(xiǎn)水庫(kù)帶給下游區(qū)域的危害。此方法由于考慮的影響因素較少，識(shí)別出的水庫(kù)險(xiǎn)情不夠精準(zhǔn)，影響了加固順序，繼而影響病險(xiǎn)水庫(kù)加固效果，因此提出基于模糊聚類的加固順序設(shè)置方法。該方法考慮的影響因素全面，劃分的影響因素種類明確，得出的險(xiǎn)情系數(shù)精準(zhǔn)，最終設(shè)置的除險(xiǎn)加固順序符合水庫(kù)的實(shí)際情況[1- 3]。

1 病險(xiǎn)水庫(kù)存在問(wèn)題

現(xiàn)階段病險(xiǎn)水庫(kù)的出現(xiàn)主要是在水庫(kù)施工建設(shè)過(guò)程中，未按照基建程序?qū)嵤┙ㄔO(shè)；或是由于無(wú)直接經(jīng)濟(jì)效益，且無(wú)穩(wěn)定投入資金出現(xiàn)經(jīng)費(fèi)不足[4- 5]，導(dǎo)致存在以下問(wèn)題：①水庫(kù)基建標(biāo)準(zhǔn)低，不能滿足實(shí)時(shí)變化的環(huán)境要求；②主建筑結(jié)構(gòu)、滲流穩(wěn)定不能滿足水庫(kù)基建的規(guī)范要求，抗洪效果差，加上建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)，很多水庫(kù)資金周轉(zhuǎn)成問(wèn)題，不能及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)，直接危及水庫(kù)安全；③水庫(kù)安全運(yùn)行管理制度缺失，操作不規(guī)范，調(diào)度不科學(xué)；④水庫(kù)運(yùn)營(yíng)配套設(shè)備不完善，機(jī)電設(shè)備老化破舊不能正常運(yùn)行；⑤在水庫(kù)建設(shè)初期對(duì)各措施考慮不周，如未安裝反濾體，無(wú)安全泄洪設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)，或安全泄洪設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低，交通不發(fā)達(dá)甚至沒有基礎(chǔ)運(yùn)輸公路等。

2 基于模糊聚類設(shè)置病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固順序

2.1 基于模糊聚類提取病險(xiǎn)水庫(kù)特征

導(dǎo)致水庫(kù)出現(xiàn)病險(xiǎn)的因素很多，包括：地殼運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的大陸板塊遷移、水庫(kù)所在區(qū)域氣候惡劣、巖體隨著時(shí)間的增加自然脫落、附近有數(shù)量龐大的蟻群等自然環(huán)境因素；壩土碾壓不結(jié)實(shí)，令大壩普遍存在漏水、滲水和散浸等情況；觀測(cè)、通訊、報(bào)警、管理設(shè)施不完善等人為影響因素。因此基于模糊聚類思想，對(duì)水庫(kù)影響因素聚類，提取病險(xiǎn)水庫(kù)特征[6- 8]。設(shè)置一個(gè)集合A作為所有影響因素的集合，則有A={x1，x2，…，xn}，其中xn表示存在的n個(gè)影響因素。根據(jù)集合中的xn，設(shè)置影響因素特征集合，用B來(lái)表示，且B={xa1，xa2，…，xam}，其中xmn表示對(duì)應(yīng)n個(gè)影響因素x，存在m個(gè)特征數(shù)據(jù)，且a=(1，2，…，n)。將上述數(shù)據(jù)模糊聚類，得到矩陣：

(1)

對(duì)上述影響因素矩陣進(jìn)行無(wú)量綱化處理，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，將影響因素特征標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的病險(xiǎn)水庫(kù)特征ki，公式為：

(2)

式中，ki—第i類影響因素作用下的水庫(kù)特征；λ—影響參數(shù)常量；ηi—各項(xiàng)影響因素權(quán)重指標(biāo)。通過(guò)分析不同影響因素，提取病險(xiǎn)水庫(kù)的特征數(shù)據(jù)。

2.2 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別參數(shù)設(shè)計(jì)測(cè)損模型

(3)

式中，yij—水庫(kù)表征病險(xiǎn)指標(biāo)為j時(shí)，獲取的水庫(kù)常量在第i個(gè)區(qū)間內(nèi)；ωu—類別u下的除險(xiǎn)區(qū)間中心值。結(jié)合式(2)、式(3)，得到測(cè)損模型F：

(4)

式中，ε—固定條件常量；γ—順序參數(shù)。結(jié)合水庫(kù)實(shí)際情況選取定值ε，得到不同條件下的病險(xiǎn)水庫(kù)測(cè)損值[9- 11]。

2.3 確定病險(xiǎn)水庫(kù)加固順序

根據(jù)病險(xiǎn)水庫(kù)的所在位置，計(jì)算在汛期時(shí)的洪水量最大值，分析該水庫(kù)可以調(diào)節(jié)洪水的最大調(diào)節(jié)量，根據(jù)上述條件確定病險(xiǎn)水庫(kù)的最高水位。將該數(shù)據(jù)代入式(4)中，分析該水庫(kù)當(dāng)前的病險(xiǎn)程度，根據(jù)每一位置病險(xiǎn)程度的不同，確定水庫(kù)的加固順序。該順序可通過(guò)式(5)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)置：

(5)

式中，Ej—j處的險(xiǎn)情數(shù)值；h1—洪水浪高；h2—風(fēng)力高度；v1—洪水浪涌速度；v2—最大風(fēng)速；μ—組合摩擦系數(shù)；T—洪水周期；D—波浪爬坡高度；S—水庫(kù)蓄水總面積；θ—水域中線與風(fēng)向的夾角；P—水庫(kù)的泄洪渠平均坡率[12- 14]。

利用上述公式，對(duì)水庫(kù)不同功能區(qū)域進(jìn)行險(xiǎn)情檢測(cè)，當(dāng)Ej≤10%時(shí)，說(shuō)明檢測(cè)位置的險(xiǎn)情較輕，只需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)即可；當(dāng)10%

3 試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文方法的可行性，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，將所研究的加固順序與傳統(tǒng)加固順序相比較。

選擇一個(gè)相對(duì)封閉的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，2臺(tái)試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)型號(hào)為510S- 08IKL- G3904，設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)為Windows xp；選取2臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)儀，該監(jiān)測(cè)儀型號(hào)為KDH310SC5230。連接上述2臺(tái)設(shè)備，形成一個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)組合。下載監(jiān)控軟件，載入試驗(yàn)記錄工具，同時(shí)隨機(jī)選擇10個(gè)病險(xiǎn)水庫(kù)作為試驗(yàn)對(duì)象，該水庫(kù)中的各項(xiàng)基本參數(shù)，見表1。將這些參數(shù)默認(rèn)為基本試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理歸納上傳到測(cè)試軟件中。

表1 試驗(yàn)對(duì)象基本參數(shù)

此次試驗(yàn)測(cè)試，設(shè)置所研究方法下的測(cè)試結(jié)果為試驗(yàn)組，傳統(tǒng)方法下的測(cè)試結(jié)果為對(duì)照組。

為保證試驗(yàn)結(jié)果的普遍性和可靠性，模擬一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)景，分別用2種方法，對(duì)10個(gè)試驗(yàn)對(duì)象設(shè)置加固順序，取平均結(jié)果作為最終參考數(shù)據(jù)，該測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

在試驗(yàn)對(duì)象、試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)條件以及試驗(yàn)參數(shù)均相同的情況下，所提出的加固順序控制方法，得出的測(cè)試結(jié)果曲線，與理想曲線走勢(shì)相似，基本與該曲線吻合，可見在相同模擬數(shù)據(jù)作用下，本文提出的方法識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)的能力更強(qiáng)，得到的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)更加精準(zhǔn)。而傳統(tǒng)方法下得到的險(xiǎn)情系數(shù)曲線，與理想曲線走勢(shì)差別過(guò)大，可見該方法識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因素的能力偏弱，得到的險(xiǎn)情系數(shù)存在較大偏差。綜上所述，提出的方法在得到精準(zhǔn)險(xiǎn)情系數(shù)的前提下，所設(shè)置的除險(xiǎn)加固順序符合實(shí)際情況，提升了病險(xiǎn)水庫(kù)的安全等級(jí)；而傳統(tǒng)方法由于存在較大誤差，致使得出的加固順序不符合實(shí)際情況，極易擴(kuò)大水庫(kù)險(xiǎn)情。

4 結(jié)語(yǔ)

此次研究從傳統(tǒng)方法對(duì)險(xiǎn)情識(shí)別相對(duì)偏弱這一問(wèn)題入手，基于模糊聚類的分析方法，結(jié)合病險(xiǎn)水庫(kù)實(shí)際情況，研究一個(gè)險(xiǎn)情識(shí)別能力更強(qiáng)，除險(xiǎn)加固順序設(shè)置方法。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，采用該方法得到的險(xiǎn)情系數(shù)曲線，具有一定規(guī)律可循，更加貼合理想狀態(tài)下的險(xiǎn)情數(shù)據(jù)；反觀傳統(tǒng)方法得到的險(xiǎn)情系數(shù)曲線，不具有規(guī)律性，且數(shù)據(jù)值存在忽高忽低的連續(xù)性變化，與實(shí)際情況不符，不適合大范圍的使用。本文在研究病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固順序安排時(shí)，雖然得到了較優(yōu)的結(jié)果，但對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)存在問(wèn)題考慮不夠全面，需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，同時(shí)也希望本文研究為病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固提供依據(jù)。