孫 濤

(大連金普新區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 大連 116199)

1 概 述

大連市地處黃渤海之濱，屬于遼東半島重要的旅游、港口、貿(mào)易、工業(yè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的副省級城市。境內(nèi)大小河流200余條，黃海和渤海為大連地區(qū)的兩大水系，其中大沙河、清水河、莊河、英那河及碧流河等屬于注入黃河的較大河流；三十里堡河、李官村河及復(fù)州河等屬于注入渤海的較大河流。當(dāng)前，已建各類水庫大壩500余座，為降低自然災(zāi)害損失、減少水庫病險(xiǎn)率、提升區(qū)域水資源利用效率和保障庫區(qū)下游安全，針對小型病險(xiǎn)水庫政府部門開展實(shí)施了一系列的加固整治項(xiàng)目，大大提升了當(dāng)?shù)厮畮彀踩珷顩r和運(yùn)行管理能力[1-3]。

當(dāng)前，水庫安全管理實(shí)行的定期安全鑒定制，每五年鑒定一次小型水庫運(yùn)行狀況，并將水利工程運(yùn)行分為“差”、“較好”、“好”3個(gè)等級。針對小型水庫運(yùn)行的管理研究大多數(shù)為定性分析，通常給出模糊的“較好”評價(jià)愛，無法客觀、真實(shí)的體現(xiàn)水庫運(yùn)行管理的薄弱環(huán)節(jié)及其存在的問題[4-6]。

鑒于此，結(jié)合層次分析法綜合分析、定量評價(jià)了小型水庫運(yùn)行管理現(xiàn)狀，較為真實(shí)、全面的反映水庫安全管理現(xiàn)狀，研究成果可消除水庫安全隱患和水庫管理年終考評等提供科學(xué)依據(jù)。

2 層次分析法原理

20世紀(jì)70年代T.L.Saaty教授基于多目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)法提出了一種綜合考慮定性與定量因素的層次分析法，該方法通過量化待評價(jià)對象的影響因素構(gòu)造多層次結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是能夠量化描述兩兩因素關(guān)于某一層次的相對重要程度，經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算確定各元素權(quán)重，其詳細(xì)步驟如下：

步驟一：關(guān)于待決策目標(biāo)或評價(jià)對象構(gòu)建一個(gè)包含指標(biāo)層、準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的梯階層次結(jié)構(gòu)。

步驟二：兩兩比較相同層次中各要素的相對重要性，按照1-9標(biāo)度準(zhǔn)則建立判斷矩陣A=(aij)n×n，見表1。

表1 判斷矩陣A的標(biāo)度準(zhǔn)則

步驟三：評價(jià)指標(biāo)關(guān)于相同層次的權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn)。依據(jù)專家意見和標(biāo)度準(zhǔn)則構(gòu)造判斷矩陣A，求解特征根λmax及單位特征權(quán)向量ω=(ω1，ω2，…，ωn)。從數(shù)學(xué)的角度很容易證明A為正互反矩陣，采用數(shù)學(xué)方法可以確定某一正實(shí)數(shù)λmax。根據(jù)專家評分建立的判斷矩陣并不一定滿足科學(xué)合理性要求，因此有必要引入一致性比例CR衡量矩陣的一致性。其中，CR=CI/RI、CR=(λmax-n)/(n-1)，不同階數(shù)的矩陣RI值不同，按照表2確定。判斷矩陣A滿足一致性檢驗(yàn)的判別準(zhǔn)則為CR<0.10，符合該標(biāo)準(zhǔn)則認(rèn)為權(quán)重計(jì)算科學(xué)合理，能夠用于水庫運(yùn)行管理的評價(jià)；如果不符合以上要求則重新進(jìn)行調(diào)整，直至滿足檢驗(yàn)要求停止運(yùn)算，確定梯階層次結(jié)構(gòu)中的各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重。

表2 平均隨機(jī)一致性RI檢驗(yàn)指標(biāo)值

步驟四：組合權(quán)重的確定。通過適當(dāng)組合評價(jià)體系中各層次指標(biāo)權(quán)重，確定關(guān)于目標(biāo)層所有元素的最終權(quán)重，為保證權(quán)重計(jì)算的合理性一致性檢驗(yàn)總體矩陣。

將影響小型水庫運(yùn)行管理的各要素權(quán)重采用層次分析法推算，該方法能夠有效的避免評價(jià)結(jié)果受人為主觀因素的干擾。若水庫運(yùn)行管理的客觀實(shí)際情況與主觀判斷存在偏差，則CR值的大小可體現(xiàn)這一差別，對判斷矩陣即時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整。許多工程實(shí)踐和研究成果均已證明，在權(quán)重計(jì)算時(shí)AHP法具有較強(qiáng)的適用性與可靠性。

3 評價(jià)體系及模型

3.1 梯階層次結(jié)構(gòu)體系

小型水庫運(yùn)行管理評價(jià)覆蓋的范圍廣、因素多，不同水庫的運(yùn)行狀況和水文條件存在較大差異，為全面掌握水庫運(yùn)行的實(shí)際情況就要求從復(fù)雜的信息中提取有效的數(shù)據(jù)，構(gòu)建的遞階層次結(jié)構(gòu)體系應(yīng)盡可能的體現(xiàn)水庫運(yùn)行管理時(shí)存在的問題和現(xiàn)狀。文章遵循完備性、科學(xué)性、層次層和定量定性相結(jié)合等原則選擇評價(jià)因子，結(jié)合水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則和安全鑒定辦法，從大壩安全監(jiān)測、維修養(yǎng)護(hù)和運(yùn)行管理3個(gè)方面構(gòu)建多要素、多層次評價(jià)體系，見表3。

3.2 確定指標(biāo)權(quán)重和評價(jià)值

對水庫運(yùn)行管理遞階層次評價(jià)體系中各要素按照表1中的1-9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣，矩陣特征值及其一致性檢驗(yàn)，見表7。值得一提的是，1960-1970年修建的大連市現(xiàn)有土石壩上水庫，其地基沉降已趨于穩(wěn)定，所以對于大壩的安全監(jiān)測，變形觀測對評價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)率較小。

當(dāng)前，尚未形成普遍適用、系統(tǒng)完善的運(yùn)行管理等級劃分方法，文章依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料和水庫大壩安全鑒定辦法，將運(yùn)行管理評價(jià)劃分為差、較好、好三個(gè)等級。為避免主觀隨意性對各指標(biāo)評分的影響，將二級指標(biāo)等級利用“黃金分割”原理確定，即水庫運(yùn)行管理完善、較完善、較差的評分值依次為1、0.618、0.328，不同等級下各項(xiàng)指標(biāo)的評分依據(jù)如表8。針對定性評判因子，若水庫運(yùn)行管理評判屬于折中的，則取中間值作為評分。

表3 小型水庫運(yùn)行管理遞階層次評價(jià)體系

表4 判斷矩陣A-B及其一致性

表5 判斷矩陣B1-C及其一致性

表6 判斷矩陣B2-C及其一致性

表7 判斷矩陣B3-C及其一致性

表8 小型水庫運(yùn)行管理評判依據(jù)

3.3 運(yùn)行管理評價(jià)模型

運(yùn)用多要素、多層次數(shù)學(xué)法構(gòu)建水庫運(yùn)行管理評價(jià)模型，其表達(dá)式為：

(1)

式中：R——為綜合評價(jià)值；Ci、Ci、ωi為各評價(jià)因子的定量分值及其權(quán)重。

根據(jù)大連市小型水庫安全鑒定意見、水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則，將運(yùn)行管理等級劃分為差、較好、好3個(gè)等級，對應(yīng)的評分值為R<0.5、0.5≤R<0.8、R≥0.8。

4 實(shí)例分析

4.1 水庫概況

1)葡萄溝水庫位于金石灘街道葡萄溝村、集雨面積0.95km2、河道比降45.63‰、河長1.26km、年均降水量600mm、防洪能力>200a；水庫特征：設(shè)計(jì)和正常水位分別為61.44m、60.50m，總庫容20.07萬m3；主壩為黏土心墻壩、最大壩高10.93m；溢洪道為寬淺式明渠、堰頂高程37.80m、最大泄量78.68m3/s；輸水洞為壩下埋管、斷面尺寸DN300mm；管理情況：管理人員2人，管理單位為金石灘街道葡萄溝村村民委員會；保護(hù)耕地53.3hm2，保護(hù)人口237人；現(xiàn)有水位觀測設(shè)施和固定電話、無雨量觀測設(shè)施，水庫道路交通可通行。

2)什字街水庫位于金普新區(qū)什字街村、集雨面積3.98km2、河道比降21.44‰、河長3.82km、年均降水量600mm、防洪能力>500a；水庫特征：總庫容195.96萬m3、正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位分別為37.80m、39.22m；水庫為黏土心墻壩、最大壩高17.0m；溢洪道為寬頂堰、堰頂高程60.50m、最大泄量19.09m3/s；輸水洞為壩下埋管、斷面尺寸2×DN400mm；管理情況：管理人員3人，管理單位為金石灘街道；保護(hù)耕地106.6hm2，保護(hù)人口1316人；有水位觀測設(shè)施和通訊信號、無雨量觀測設(shè)施和固定電話，水庫道路交通可通行[7]。

3)宋北溝水庫位于金石灘街道滿家灘村、集雨面積0.84km2、河道比降42.53‰、河長1.07km、年均降水量600mm、防洪能力<10a；水庫特征：總庫容24.99萬m3、正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位分別為47.10m、47.94m；主壩為黏土心墻壩、最大壩高12.55m；溢洪道為寬頂堰、堰頂高程47.1mm、最大泄量18.71m3/s；輸水洞為分級臥管、斷面尺寸DN250mm；管理情況：該水庫為集體管理，管理單位為滿家灘村村委員會；保護(hù)耕地93.3hm2，保護(hù)人口1134人；有水位觀測設(shè)施和通訊信號、無雨量觀測設(shè)施和固定電話，水庫道路交通可通行[8]。

4)新建水庫位于大李家街道新建村、集雨面積1.78km2、河道比降11.25‰、河長1.97km、年均降水量600mm、防洪能力>50a；水庫特征：總庫容25.43萬m3、正常蓄水位21.20m、設(shè)計(jì)洪水位22.12m；主壩為均質(zhì)土壩、最大壩高6.5m；溢洪道為寬頂堰明渠、堰頂高程21.2mm、最大泄量19.41m3/s；輸水洞為壩下埋管、斷面尺寸DN300mm；管理情況：該水庫為集體管理，管理單位為滿新建村村村委員會；保護(hù)耕地306.6hm2，保護(hù)人口1540人；有水位觀測設(shè)施和通訊信號、無雨量觀測設(shè)施和固定電話，水庫道路交通可通行。

5)盤道水庫位于大李家街道盤道村、集雨面積0.95km2、河道比降55.09‰、河長1.41km、年均降水量600mm、防洪能力>500a；水庫特征：總庫容35.46萬m3、正常蓄水位64.39m、設(shè)計(jì)洪水位65.30m；主壩為黏土心墻壩、最大壩高15.0m；溢洪道為寬頂堰、堰頂高程64.39mm、最大泄量28.92m3/s；輸水洞為壩下埋管、斷面尺寸DN300mm；管理情況：該水庫為集體管理，管理單位為盤道村村村委員會；保護(hù)耕地132.0hm2，保護(hù)人口485人；有水位觀測設(shè)施和通訊信號、無雨量觀測設(shè)施和固定電話，水庫道路交通可通行。

6)太山水庫位于大李家街道太山村、集雨面積0.6km2、河長1.32km、河道平均比降70.98‰、多年平均降水量630mm、防洪能力10a；水庫特征：總庫容22.87萬m3、正常蓄水位61.82m、設(shè)計(jì)洪水位62.77m；主壩為均質(zhì)壩、最大壩高13.3m；溢洪道為寬頂堰、堰頂高程61.82mm、最大泄量28.92m3/s；輸水洞為壩下埋管、斷面尺寸DN400mm；管理情況：該水庫為集體管理，管理單位為太山村村村委員會；保護(hù)耕地90.7hm2，保護(hù)人口1109人；有水位觀測設(shè)施和通訊信號、無雨量觀測設(shè)施和固定電話，水庫道路交通可通行。

各水庫除險(xiǎn)加固工程的實(shí)施顯著提升了壩基、壩肩的防滲能力和上下游壩坡的穩(wěn)定性，滿足水利設(shè)施過流能力要求、溢洪道泄流量設(shè)計(jì)要求及壩頂高程防洪要求，在很大程度上改善了水利設(shè)施管理水平和大壩安全監(jiān)測能力，加固整治工程的實(shí)施取得了顯著的綜合效益[9-11]。

4.2 結(jié)果分析

以大連市金普新區(qū)的葡萄溝水庫、什字街水庫、宋北溝水庫、新建水庫、盤道水庫、太山水庫為例，對各水庫運(yùn)行管理現(xiàn)狀運(yùn)用層次分析法進(jìn)行綜合分析，見表9。

表9 大連市金普新區(qū)小型水庫運(yùn)行管理評價(jià)

根據(jù)表9可知，各水庫安全鑒定結(jié)果與層次分析綜合評價(jià)結(jié)果保持一致，通過評價(jià)分析能夠較為客觀、準(zhǔn)確的揭示各水庫在監(jiān)測、維修、運(yùn)行等方面的實(shí)際情況。

5 結(jié) 論

系統(tǒng)、完善的評價(jià)體系為水庫運(yùn)行管理評價(jià)的重要基礎(chǔ)，結(jié)合小型水庫工程特點(diǎn)和運(yùn)行管理實(shí)際情況，從大壩安全監(jiān)測、維修養(yǎng)護(hù)和運(yùn)行管理3個(gè)方面構(gòu)建多要素、多層次評價(jià)體系。為避免主觀判斷對指標(biāo)評分的影響，對各評價(jià)指標(biāo)等級采用“黃金分割”原理確定，依據(jù)各水庫實(shí)際情況確定各指標(biāo)評分。

為解決傳統(tǒng)的水庫運(yùn)行管理定性的籠統(tǒng)的分析問題構(gòu)建了基于層次分析法的定量評價(jià)模型，然后以大連市金普新區(qū)6個(gè)小型水庫為例，驗(yàn)證了模型的科學(xué)合理性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水庫安全鑒定結(jié)果與層次分析綜合評價(jià)結(jié)果保持一致，依據(jù)綜合評分和各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果能夠準(zhǔn)確、客觀的分析運(yùn)行管理過程中存在的問題，為提高水庫管理水平和除險(xiǎn)加固方案的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。