遼河昌圖縣河段河道防洪工程安全綜合評價

張 平

(昌圖縣水利事務服務中心，遼寧 鐵嶺 112599)

防洪工程對保障沿河居民生命財產安全和抵御洪水等自然災害方面發(fā)揮著重要作用，屬國家社會與經濟發(fā)展的生命線。受各類外界環(huán)境、堤基和堤身等條件影響，防洪工程若發(fā)生潰堤、漫堤等災害將給國家產生巨大的經濟損失。因此，評價和分析工程潛在或固有的災害程度及其危險，為確保防洪工程安全和各項水利設施效應的重要依據(jù)。當前，對于防洪工程安全評價國內外學者運用多種方法做了大量工作，并以荷蘭和日本為代表，結合工程自身特征和當?shù)厣鐣l件構建了適用于當?shù)氐陌踩u估體系。防洪工程廣泛分布于我國各個地區(qū)，因不同區(qū)域的自然條件、環(huán)境氣候和工程特征存在較大差異，尚未形成科學、完整的防洪安全評價體系，且調查技術標準和方法也比較缺乏。目前，對于防洪工程的安全評價主要借鑒大壩安全評價法，將定量因子與定性指標相結合構建綜合評價體系[1-3]。

現(xiàn)有研究一般側重于內河堤防工程的安全分析，對于遼河昌圖縣河段河道防洪工程而言，由于其特殊的氣候條件和地理位置，該河道長期受到灘涂圍墾和風暴潮的影響，堤身結構和所受荷載較其它防洪工程存在較大差異。文章通過收集防洪工程安全相關基本資料和遼河昌圖縣段重要河道損壞情況、歷史洪水及運行現(xiàn)狀，按照外部和內部兩大類型準確識別了風險因素，選擇水位值、保攤護提、滲控措施、堤頂高程等指標構建防洪安全綜合評價體系，各項指標權重利用熵權法和改進模糊層次法(FAHP)法求解，依據(jù)專家評分值和工程現(xiàn)場調查數(shù)據(jù)確定安全評價值，最終客觀科學的評價了該河段防洪工程運行狀態(tài)[4-6]。

1 防洪工程風險因子

通過對防洪工程案例的總結分析和廣泛調研，結合遼河昌圖縣河段的堤岸損壞特征識別各類風險因子。將防洪工程風險因子按照各種失事模式下的作用特征劃分為外部、內部兩大類型。其中，外部因素包括防洪工程荷載特性及其它要素；內部因素包括施工質量、護坡、保攤護堤、堤基和堤身特性。根據(jù)梯階層次框架模型和識別的各類風險要素，按照一定的原則構建多要素多層次防洪工程安全評價體系，圖1為構造的防洪安全評價模型。

2 改進模糊綜合法的應用

目前，主觀和客觀權重法為確定多目標多層次評價體系各因子權重的兩類常用的方法，其中主觀權重法為依據(jù)決策者知識偏好和實踐經驗賦予權值的方法，如AHP法、乘積標度法和專家咨詢法等；客觀權重法為考慮各參評要素客觀信息和有效數(shù)據(jù)賦予權重的方法，如熵權法、投影尋蹤法、BP網(wǎng)絡法、因子分析法等。為解決單一方法解釋性差及主觀隨意性強的問題，考慮對防洪工程風險因子權重利用熵權法和改進的模糊層次分析法確定，從而保證評價結果的系統(tǒng)性和科學性。多目標多層次防洪工程安全評價模型，見圖1。

圖1 多目標多層次防洪工程安全評價模型

2.1 評價指標組合權重

改進的模糊層次分析法具備迭代速度快、形式簡單、適用性強等特點，可有效解決傳統(tǒng)AHP法存在的主觀隨意性問題。運用0.1-0.9標度法確定優(yōu)先判斷矩陣F={fij}n×n中的元素，改進FAHP法的標度準則見表1。

表1 優(yōu)先判斷矩陣標度準則表1 0.1-0.9數(shù)量標度

熵權是反映系統(tǒng)離散化程度的重要參數(shù)，防洪安全評價中信息熵代表了參評要素所包含有效信息量的。評價指標權重利用熵權法求解時，參評因子信息熵值越小則其提供的有效信息量越大，所以賦予的權值就越高；反之，信息熵越大則其攜帶的有效信息量越小，評價過程中其重要性就越低。采用該方法確定因子權重時，可有效避免主觀因素的干擾，從而更加客觀、準確的反映待評對象的真實情況。

設熵權法和改進的模糊AHP法求解的n個防洪安全評價指標賦予的權重為Wo=[wo1，wo2，…，won]T、Ws=[ws1，ws2，…，wsn]T。為最大限度的減少改進組合賦權法和模糊AHP法確定的權重偏差，考慮選用最小信息熵原理構造目標函數(shù)，其表達式為：

(1)

運用拉格朗日乘法算子綜合計算各評價因子主、客觀權重，從而獲取防洪安全各評價因子組合權重，即：

2.2 防洪安全評價指標集

借鑒堤防工程安全評價導則選取防洪工程安全評價因子，結合防洪工程實際情況和大壩安全評價標準，將防洪安全等級劃分為危險、輕度危險、安全較好、安全性好4個等級，詳見表2。

表2 堤防安全評價等級

2.3 防洪工程安全評價

根據(jù)防洪工程實際運行情況和專家評分法，賦予各參評因子具體的數(shù)值，防洪安全評價各因子評價值為Li，同時利用文中所述組合權重計算公式獲取最終的權重值。因此，可采用下式確定防洪安全綜合評價值S，表達式為：

(3)

式中：S為河道防洪工程安全評價值；Zi、Li為防洪安全評價中各項指標的權重及其評價值。

3 案例分析

東遼河發(fā)源于遼源市哈達山脈的小寒蔥頂子峰，流經遼寧省昌圖縣、康平縣、內蒙古自治區(qū)后于福德店與西遼河匯流。東遼河昌圖縣河段全長92.82km，流域面積471.4km2，堤防長度72.71km，流經鄉(xiāng)鎮(zhèn)均為河流左岸，河流起點為三江口鎮(zhèn)大力村王二莫屯，途徑三江口鎮(zhèn)、古于鎮(zhèn)、七家子鎮(zhèn)，至終點長發(fā)鎮(zhèn)王子村福德店。調查顯示，昌圖縣河段為東遼河下游劇烈演變河段之一，歷史上洪澇災害和崩岸事件頻繁發(fā)生，對兩岸居民正常的生產生活和下游國民經濟建設產生嚴重的不利影響。2018年，遼寧省水利部門將遼河昌圖縣河段作為重點治理區(qū)，通過采取一系列治理措施有效控制了河流走勢，對當?shù)亟煌ê竭\、工農業(yè)生產生活用水、保障兩岸及灘區(qū)防洪安全等產生了深遠的社會影響和積極的意義[7-9]。

由于不同歷史條件下形成的防洪工程，存在影響因素多、情況復雜、堤線較長、分布范圍廣以及全線監(jiān)測難度大等特點，全面掌握整個堤線的運行狀況并給出科學的評判往往存在較大的困難。因此，文章結合遼河昌圖縣河段防洪工程現(xiàn)場監(jiān)測與調查分析結果，將各個風險因子利用專家打分法賦予相應的安全評分，詳見表3。

表3 遼河昌圖縣河段防洪安全評分

3.1 風險因子權重

根據(jù)防洪安全綜合評價各要素之間的相對貢獻率和專家評判意見，按照0.1-0.9標度準則構造多目標多層次優(yōu)先判斷矩陣如下：

防洪安全綜合評價各指標權重利用文中所述相關公式求解，結果為：A-B∶(0.740，0.260)T，B1-C∶(0.313，0.280，0.245，0.162)T，B2-C∶(0.635，0.365)T，C1-E∶(0.314，0.219，0.264，0.203)T，C2-E∶(0.247，0.448，0.305)T，C3-E∶(0.193，0.446，0.361)T，C4-E∶(0.568，0.432)T，C5-E∶(0.474，0.526)T，C5-E∶(0.403，0.325，0.272)T。

3.2 防洪安全綜合評價

依據(jù)專家現(xiàn)場調查獲取的各風險因子賦分以及計算確定的各層次指標權重，利用文中所述公式(3)求解防洪安全綜合評價組合權重，經加權運算確定綜合評價值為86.160，詳見表4。

按照已劃分的防洪安全評價等級和綜合評價值，遼河建昌縣河段防洪工程達到較好安全水平。根據(jù)各風險因子綜合評價值確定能夠顯著影響防洪工程安全的要素有：堤頂高程、保灘護堤、水位、風暴潮、滲控措施等，同時防洪安全還與堤基處理、生態(tài)防護、施工質量等因素緊密相關。該評價結果與防洪工程實際運行基本相符，可見綜合考慮主、客觀權重的組合方法提高了權重計算的合理性與可靠性，能夠更加客觀的反映專家意愿以及各參數(shù)信息的實際情況[10-12]

表4 遼河建昌縣河段防洪安全綜合評價值

4 結 論

1)文章以遼河建昌縣河段防洪工程為例，考慮到該工程特殊的地理位置和環(huán)境條件，其長期受到灘涂圍墾和風暴潮等不利因素的影響，通過總結工程實踐和調查研究相關資料選擇多項評價因子構建多目標多層次評價體系，各風險因子指標組合權重利用熵權法和改進模糊層次分析法求解，從而保證防洪安全評價的準確度和可靠性[13]。

2)充分考慮當?shù)厣鐣洕鷹l件和防洪工程運行實際情況，結合堤防保護范圍內的防洪標準、當?shù)胤篮橹卫戆l(fā)展規(guī)劃以及遼河流域防洪目標要求等，將安全評價結果劃分為4個等級，防洪工程的綜合安全狀況利用專家評分法獲取的評價值評判，同時比較客觀準確的確定各要素影響程度，可為科學化、定量化論證防洪工程加固和管理提供科學的指導[14]。