高 萌

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

當(dāng)前中小河流暴雨洪水受極端氣候變化影響呈現(xiàn)易發(fā)多發(fā)的態(tài)勢(shì)，已成為當(dāng)前防汛的工作重點(diǎn)[1]。對(duì)中小河流防洪安全進(jìn)行綜合評(píng)估，利于中小河流防洪安全的有效保障[2]。當(dāng)前對(duì)于大型河流防洪安全綜合評(píng)估已取得一定的研究成果[3-8]，但由于中小河流洪水特點(diǎn)，對(duì)中小河流防洪安全綜合評(píng)估的研究還較少，尤其是對(duì)于遼東地區(qū)而言，由于區(qū)域內(nèi)山區(qū)較多，中小河流發(fā)生較大程度洪水的頻次都要高于遼寧省其他區(qū)域，屬于遼寧省的暴雨洪水易發(fā)區(qū)，近些年來(lái)，遼東地區(qū)中小河流通過(guò)防洪工程治理，中小河流的防洪安全總體得到一定程度的提升，但由于缺乏有效的中小河流防洪安全綜合評(píng)估體系，其防洪安全很難得到有效評(píng)估。為對(duì)遼東地區(qū)中小河流進(jìn)行防洪安全的綜合評(píng)估，從中小河流工程和非工程措施建立綜合評(píng)估指標(biāo)體系，結(jié)合當(dāng)前在國(guó)內(nèi)大型河流防洪安全綜合評(píng)估應(yīng)用較為成熟的熵權(quán)云組合模型[9-15]，對(duì)遼東地區(qū)典型中小河流防洪安全進(jìn)行綜合評(píng)估，研究成果對(duì)于中小河流防洪安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要參考價(jià)值。

1 綜合評(píng)估方法

熵權(quán)云組合模型通過(guò)建立中小河流防洪安全評(píng)估指標(biāo)體系熵權(quán)值方法對(duì)其各指標(biāo)的隸屬度進(jìn)行綜合計(jì)算：

(1)

式中，μ(x)—評(píng)估模型各指標(biāo)體系的邊際分布云函數(shù)；EX—各指標(biāo)體系數(shù)據(jù)系列的期望值；En—模型評(píng)估的各指標(biāo)的隸屬度值。

模型首先按照綜合評(píng)估指標(biāo)體系各變量進(jìn)行邊界分布函數(shù)的建立：

En=N(En，He2)

(2)

式中，En—隨機(jī)樣本數(shù)據(jù)系列的期望計(jì)算值；He—隨機(jī)樣本數(shù)據(jù)系列的均值。

對(duì)構(gòu)建的樣本指標(biāo)系列進(jìn)行正態(tài)分布計(jì)算：

x～N(Ex，En2)

(3)

式中，Ex—正態(tài)樣本指標(biāo)數(shù)據(jù)系列的期望計(jì)算值。

在指標(biāo)正態(tài)分布期望計(jì)算的基礎(chǔ)上采用云模型對(duì)評(píng)估指標(biāo)的隸屬度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合隸屬度計(jì)算值分期各評(píng)估指標(biāo)權(quán)重和特征值，并結(jié)合熵權(quán)方法對(duì)指標(biāo)判定矩陣進(jìn)行計(jì)算：

R=(rij)m×n

(4)

式中，R—各指標(biāo)判定矩陣計(jì)算值；r—指標(biāo)判定值；i—評(píng)估指標(biāo)；j—判定指標(biāo)；m—評(píng)估指標(biāo)總數(shù)；n—判定指標(biāo)的總數(shù)。

對(duì)各指標(biāo)熵權(quán)值在判定矩陣分析基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中，Hj—評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算熵權(quán)值。

在此基礎(chǔ)上對(duì)判定指標(biāo)熵權(quán)值進(jìn)行計(jì)算：

(6)

對(duì)各評(píng)估指標(biāo)的熵權(quán)進(jìn)行綜合計(jì)算：

(7)

2 綜合評(píng)估計(jì)算步驟

(1)分別對(duì)集合矩陣u={u1，u2，.…un}和評(píng)價(jià)矩陣為v={v1，v2，…vm}進(jìn)行建立；

(2)各評(píng)估指標(biāo)的熵權(quán)值進(jìn)行綜合計(jì)算，建立指標(biāo)熵權(quán)計(jì)算矩陣W={w1，w2，…wn}；

(3)按照單要素評(píng)價(jià)方法對(duì)各評(píng)估指標(biāo)綜合熵權(quán)值進(jìn)行計(jì)算，建立不同評(píng)估等級(jí)下的評(píng)估指標(biāo)綜合熵權(quán)矩陣R，并對(duì)各評(píng)估指標(biāo)的隸屬度進(jìn)行正態(tài)分布樣本和隨機(jī)分布樣本數(shù)據(jù)系列期望值的計(jì)算：

(8)

(9)

按照不同評(píng)估等級(jí)對(duì)各評(píng)估指標(biāo)的隸屬度進(jìn)行矩陣計(jì)算，確定隸屬度綜合計(jì)算矩陣Z=(zij)n×m，其計(jì)算方程為：

(10)

式中，N和K—模型迭代次數(shù)和評(píng)估指標(biāo)的總數(shù)。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 綜合評(píng)估指標(biāo)體系

以遼東南地區(qū)本溪、丹東、鞍山、大連、鐵嶺、撫順地區(qū)為研究實(shí)例，遼東南地區(qū)為中小河流堤防為10～20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，從防洪工程和非工程措施選取12個(gè)指標(biāo)構(gòu)建遼東南地區(qū)中小河流防洪安全綜合評(píng)估指標(biāo)體系，區(qū)域內(nèi)各中小河流防洪安全綜合評(píng)估指標(biāo)體系結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況進(jìn)行指標(biāo)屬性值的計(jì)算，區(qū)域各指標(biāo)屬性均值見表1。

表1 遼東南地區(qū)中小河流防洪安全綜合評(píng)估指標(biāo)體系

3.2 不同防洪標(biāo)準(zhǔn)下評(píng)估指標(biāo)熵權(quán)值

按照區(qū)域10年一遇和20年一遇中小河流防洪堤防標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合熵權(quán)分析方法對(duì)其防洪安全綜合評(píng)估指標(biāo)的熵權(quán)中進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2—3。

表2 10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下遼東南地區(qū)中小河流防洪安全綜合評(píng)估指標(biāo)熵權(quán)值

表3 20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下遼東南地區(qū)中小河流防洪安全綜合評(píng)估指標(biāo)熵權(quán)值

從10年一遇和20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下各指標(biāo)熵權(quán)值可看出，不同防洪標(biāo)準(zhǔn)下的評(píng)估指標(biāo)的熵權(quán)值具有一致性，在各指標(biāo)中，人均GDP和單位面積人口兩項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)值要高于其他指標(biāo)，這也是區(qū)域中小河流防洪安全影響的兩項(xiàng)重要因素。水政法規(guī)體系在不同防洪安全下其熵權(quán)值相對(duì)較低，對(duì)于區(qū)域中小河流防洪安全總體影響程度較低。通過(guò)對(duì)比分析，區(qū)域各防洪安全綜合評(píng)估指標(biāo)體系的熵權(quán)值總體計(jì)算結(jié)果較為合理，和區(qū)域中小河流防洪安全影響實(shí)際情況吻合度較高。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化下各指標(biāo)計(jì)算值

考慮到各指標(biāo)屬性差異性較大，為統(tǒng)一對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估，采用正態(tài)云模型對(duì)各評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，不同防洪標(biāo)準(zhǔn)下區(qū)域不同等級(jí)下評(píng)估指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算值分別見表4—5。

表4 10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下遼東南地區(qū)中小河流防洪安全綜合評(píng)估指標(biāo)各標(biāo)準(zhǔn)值

表5 20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下遼東南地區(qū)中小河流防洪安全綜合評(píng)估指標(biāo)各標(biāo)準(zhǔn)值

3.4 評(píng)估指標(biāo)隸屬度計(jì)算

在采用正態(tài)云模型對(duì)區(qū)域評(píng)估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算基礎(chǔ)上，按照10000次對(duì)模型樣本進(jìn)行訓(xùn)練計(jì)算，對(duì)不同評(píng)估指標(biāo)的隸屬度按照正向標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行計(jì)算，10年一遇和20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下遼東南地區(qū)防洪安全評(píng)估指標(biāo)的隸屬度計(jì)算結(jié)果見表6—7。

表6 10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下遼東南地區(qū)中小河流防洪安全綜合評(píng)估指標(biāo)隸屬度

表7 20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下遼東南地區(qū)中小河流防洪安全綜合評(píng)估指標(biāo)隸屬度

從10年一遇和20年一遇遼東南地區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)下遼東南地區(qū)中小河流防洪安全綜合評(píng)估指標(biāo)隸屬度呈現(xiàn)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)分布，這主要是因?yàn)椴煌篮闃?biāo)準(zhǔn)下區(qū)域中小河流防洪安全評(píng)估各指標(biāo)采用正態(tài)云模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，使得各評(píng)估指標(biāo)隸屬度呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，降低了各評(píng)估指標(biāo)之間的非線性和隨機(jī)性，通過(guò)多層次樣本數(shù)據(jù)序列后其各指標(biāo)的隸屬度也逐步趨于穩(wěn)定變化。

3.5 防洪安全綜合評(píng)估

結(jié)合熵權(quán)云模型在各評(píng)估指標(biāo)隸屬度計(jì)算基礎(chǔ)上對(duì)不同防洪標(biāo)準(zhǔn)下遼東南各分區(qū)的防洪安全進(jìn)行綜合評(píng)估，結(jié)果見表8—9所示。

表8 10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下遼東南地區(qū)中小河流防洪安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

表9 20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下遼東南地區(qū)中小河流防洪安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

結(jié)合遼寧地區(qū)中小河流防洪安全實(shí)際情況，當(dāng)綜合評(píng)估值在(0，0，0.10)之間時(shí)為不安全，在(0.11，0.15]之間時(shí)為較不安全，在(0.16，0.20]之間時(shí)較安全，在(0.21，0.25]之間時(shí)為安全，在(0.26，0.30]之間時(shí)非常安全，在10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下本溪地區(qū)綜合評(píng)估值為0.27842，處于非常安全等級(jí)，而在20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下其評(píng)估值為0.13477，處于較不安全等級(jí)，通過(guò)分析主要是因?yàn)楸鞠貐^(qū)中小河流20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率總體不是很高，使得其20年一遇防洪安全總體為較不安全。丹東、鞍山、大連地區(qū)在20年一遇和10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下其評(píng)估結(jié)果均為較安全。鐵嶺地區(qū)在10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下其防洪安全綜合等級(jí)為安全，而在20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下其防洪安全綜合等級(jí)為較安全，這主要是因?yàn)?0年一遇下鐵嶺地區(qū)中小河流堤防達(dá)標(biāo)率總體不是很高影響所致。撫順地區(qū)中小河流防洪安全經(jīng)過(guò)評(píng)估總體為不安全。綜合分析遼東南地區(qū)總體在0.16～0.20之間，處于較安全程度。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在進(jìn)行評(píng)估指標(biāo)隸屬度計(jì)算時(shí)，當(dāng)樣本訓(xùn)練計(jì)算次數(shù)達(dá)到10000次以上時(shí)，各評(píng)估指標(biāo)隸屬度總體可處于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，此時(shí)計(jì)算的各評(píng)估指標(biāo)隸屬度逐步趨于穩(wěn)定變化。

(2)在進(jìn)行非工程措施指標(biāo)賦值時(shí)，主要采用專家賦分方式對(duì)其進(jìn)行賦值計(jì)算，如防洪工程體系、水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)兩項(xiàng)指標(biāo)，通過(guò)專家評(píng)估方式按照0～100對(duì)其進(jìn)行賦分，再結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化方式對(duì)其指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，解決不同指標(biāo)屬性差異較大的問(wèn)題。

(3)本文未對(duì)評(píng)估等級(jí)范圍進(jìn)行合理性分析，在后期的研究中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)各評(píng)估等級(jí)的取值范圍進(jìn)行合理性分析，進(jìn)一步提高其綜合評(píng)估的客觀性。