CN110851768B - 一种堰塞湖多层次模糊评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堰塞湖多层次模糊评价方法，包括确定影响堰塞湖后续开发的评价指标集U；建立堰塞湖可开发性的评语集V＝{v₁,v₂,v₃,v₄}；构造隶属度函数方程，建立模糊关系矩阵R，R＝[r_ij]_n×m；确定各分级指标权重A，采用改进的层次分析法确定各分级指标所占权重；采用最大隶属度原则，找出B向量中分量最大者B_max，将其相对应的评价作为模糊综合评估的结果，实现对堰塞湖可开发性的综合评价。本发明引入模糊群决策方法和多层次决策理论，从工程安全风险、资源可行性、以及生态环境效益三个准则层建立多层次多因素决策的堰塞坝可开发性论证数学模型，对堰塞坝可开发性作出评价，为堰塞湖永久性整治提供参考和指导。

Description

一种堰塞湖多层次模糊评价方法

技术领域

本发明涉及堰塞湖治理领域，特别是一种堰塞湖多层次模糊评价方法。

背景技术

堰塞湖不但会溃决导致灾害，对区域安全和河道下游人民的生命财产安全造成威胁，其本身还蕴藏有丰富的水能资源和旅游资源，如何正确处理数量众多的堰塞湖是一个科学难题。将有条件的堰塞湖进行开发保护，不仅是对其本身价值的最大利用，也是当地灾后恢复重建的重要举措之一，能有效促进当地经济社会复苏发展。目前对堰塞湖的研究大多集中在堰塞湖的应急处置措施上，对堰塞湖的评价多为安全评估，确定堰塞湖溃决的危险程度，尚缺乏对堰塞湖后期开发利用的科学评价论证。

堰塞湖是由与地震、滑坡、泥石流、火山喷发等作用在沟道、河道或凹地形成堰塞体壅水而产生的湖泊。天然形成的堰塞坝通常缺少泄水通道，壅高的水位会对堰塞湖的上游和下游产生严重的威胁。近年来，全球地质构造活跃，地震、强降雨等事件频发，在中国西南地区产生了很多堰塞湖。如2008年汶川大地震，形成了唐家山堰塞湖，最大库容达到3.02亿m³；2014年的鲁甸地震，形成了红石岩堰塞湖，最大库容达到2.6亿m³；2018年西藏金沙将发生滑坡和冰川泥石流，产生了白格堰塞湖，最高蓄水量达到2.9亿m³。因此，对堰塞湖可开发性进行评估研究意义重大。

堰塞湖在经过应急处置后，需要对其的进行永久性整治，选择开发或拆除。国内外已有对堰塞湖进行成功开发、转害为利的先例，如我国利用四川地震形成的叠溪海子，不仅将其改造成天龙湖电站的调节水库，更开发为世界自然文化遗产九寨沟、黄龙旅游沿线的一道独特风景线；对重庆小南海地震堰塞湖进行人工改建，形成了以灌溉、城市供水为主，兼具发电、养殖的综合水利工程；新西兰成功地利用了400m高的天然堆石坝，开发了韦克瑞莫纳河的3座梯级电站，美国将蒙大拿州大地震后形成的堰塞湖开发为钓鱼圣地，吸引了世界无数游客前往。以往对堰塞湖的永久性整治方案的制定往往依据已有经验进行，缺乏对堰塞湖可开发性的科学评价方法过程，通常较为保守；而选择保留开发堰塞湖的工程，如上述案例，也缺乏对堰塞湖可开发性的综合评价，考虑的因素不够全面；此外，由于堰塞湖开发受多种定性指标与定量指标的影响，现有的经验评估难以将定性指标与定量指标协同考虑。

堰塞湖的永久性治理方案受多种条件的影响，主要的因素包括堰塞坝的安全性、资源的可开发性以及生态环境效益等。

目前对堰塞湖的开发，通常依据已有工程经验，结合堰塞湖具体情况，判断其是否具有开发可能性，并考虑将堰塞湖开发为水利枢纽或旅游景区。这个过程有对堰塞湖可开发性的初步评价，但考虑的因素不全面，且不能将定性、定量指标综合讨论。国内外对堰塞湖的永久性处置通常依据工程经验，缺乏对堰塞湖可开发性的科学评价，且选择开发堰塞湖的工程案例中，缺少对堰塞湖可开发性的综合评价，考虑的因素不全面。已有专家学者提出，对堰塞湖开发与利用前进行科学的评估是十分必要的,其评估应包括环境影响评价、社会效益评估和经济效益评估三个方面，但尚未提出相应的综合评价方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种堰塞湖多层次模糊评价方法，解决堰塞湖应急处置后后续开发可行性评价问题，引入模糊群决策方法和多层次决策理论，从工程安全风险、资源可行性、以及生态环境效益三个准则层建立多层次多因素决策的堰塞坝可开发性论证数学模型，对堰塞坝可开发性作出评价，为堰塞湖永久性整治提供参考和指导。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种堰塞湖多层次模糊评价方法，包括以下步骤：

步骤1：确定影响堰塞湖后续开发的评价指标集U，U＝{u₁,u₂,…,u_n}，n为评价对象分层指标集个数，建立堰塞湖开发可行性论证的综合决策评价指标体系；

评价指标的选取需能够对堰塞湖的某一方面的特征准确描述，且各指标之间应相对独立，共同构成完善的堰塞湖可开发性评价指标体系；以堰塞湖可开发性为目标层，从安全、可行、环保三个方面考虑，将目标层分解为应急处置后堰塞湖的安全性、资源的可开发性以及生态环境效益3个准则层；

步骤2：建立堰塞湖可开发性的评语集V＝{v₁,v₂,v₃,v₄}，依据评语集等级个数m划分各分级指标的值域；将堰塞坝开发必要性分为非常必要、必要、不必要、极不必要四个等级，即建立评语集V＝{v₁,v₂,v₃,v₄}＝{Ⅰ级,Ⅱ级,Ⅲ级,Ⅳ级}＝{极必要，必要，不必要，极不必要}；参考堰塞坝安全风险评价、水利水电工程开发可行性评价对指标值域的划分，建立堰塞湖可开发性评价标准；

在堰塞体开发必要性评价指标体系中，既有定量指标，又有定性指标；定量指标的数值通过调查和计算的方式得到；定性指标包括堰塞体物质组成、下游城镇和公共设施，需根据掌握的资料综合确定；

步骤3：构造隶属度函数方程，建立模糊关系矩阵R，R＝[r_ij]_n×m，n为单个评价对象所划分的评价指标数，m为评语分级个数；

模糊关系矩阵R代表了每一个评价指标因子对每一级堰塞湖可开发性评价标准的隶属程度，将隶属度看成评级指标因子和可开发性评价标准的函数,根据分级标准，通过取线性函数来确定各级可开发性的隶属函数；假设某个评价指标因子的参数实测值为x_i，那么这个因子对各个可开发性等级的隶属度如下:

对于越大越优型的评价指标因子：

对于越小越优型的评价指标因子：

式中，S_ij为评级指标因子x_i对评价等级j的隶属度，j＝1,2,3,4；

步骤4：确定各分级指标权重A，采用改进的层次分析法确定各分级指标所占权重；指标权重反映了单项指标个体对评价结果总体影响，采用改进的层次分析法IAHP，通过构造判断矩阵计算各指标的权重，改进的层次分析法如下：

(1)构造判断矩阵

在同一层次对各评价因素进行两两重要性比较，获得综合比较矩阵，根据重要程度排序指数构造相应的判断矩阵；各评价因素的重要性评判采用如下简单量值规则：

式中，k_ij是因素i和因素j的比较数量化值；判断矩阵的计算公式为：

式中：c_ij为判断矩阵的相应元素；r_i为重要程度排序指数；m为矩阵的阶数；k_il为比较矩阵的相应元素；

(2)计算判断矩阵的优化矩阵

设原判断矩阵为C＝[c_ij]_m×m，则优化矩阵的相应元素计算公式为：

B＝[b_ij]_m×m (15)

(3)计算评价指标权重值

计算各评价指标的单一权重值，并对其进行归一处理，公式为：

式中，i，j＝1，2，…m；w_i为其中第i各评价因素对应的归一化权重值；m为同一层次评价指标个数；

通过式(12)～(17)计算各指标权重分布；

步骤5：堰塞湖可开发性评价结果计算

在权重矩阵A和模糊关系矩阵R已知时,模糊综合评价模型表达为:

B＝A·R (18)

将计算得出的模糊关系矩阵R与A带入上式，从指标层向上依次计算，得到最终评价结果向量B；采用最大隶属度原则，找出B向量中分量最大者B_max，将其相对应的评价作为模糊综合评估的结果，实现对堰塞湖可开发性的综合评价。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明从安全、资源以及环境三个方面深入考虑分析，建立了堰塞湖经应急处置后的可开发性综合评价指标体系，采用多层次模糊综合评价法对堰塞湖开发的可行性进行论证，对堰塞湖确定永久性治理方案具有重大指导意义。

2、全面考虑影响堰塞湖开发的因素，从安全、资源、生态三方面因素，构建了堰塞湖可开发性评价指标体系，能够对堰塞湖可开发性作出综合评价。

3、考虑了堰塞湖结合牛栏江红石岩堰塞湖工程资料，将本发明应用于其可开发性评价，结果显示有必要对其进行开发，与实际工程治理方案一致，说明本发明具有较好的应用性。

附图说明

本发明一种堰塞湖多层次模糊评价方法整体流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明采用多层次模糊综合评价法对堰塞湖开发的可行性进行论证。模糊综合评价法模型简单，适用于多因素多层次的复杂问题的评判，如图1所示：

一、确定影响堰塞湖后续开发的评价指标集U，U＝{u₁,u₂,…,u_n}，n为评价对象分层指标集个数，建立堰塞湖开发可行性论证的综合决策评价指标体系。

堰塞湖的开发利用决策受多种因素影响，评价指标的选取需能够对堰塞湖的某一方面的特征准确描述，且各指标之间应相对独立，共同构成完善的堰塞湖可开发性评价指标体系。以堰塞可开发性为目标层，从安全、可行、环保三个方面考虑，将目标层分解为应急处置后堰塞湖的安全性、资源的可开发性以及生态环境效益3个准则层。

堰塞坝的安全性需考虑其自身安全性以及溃决对下游的威胁程度，自身安全性可从坝高、库容、泄流能力以及坝体物质组成进行评价，对下游的威胁可从风险人口及重要城镇公共设施来评价；资源的可开发行可从资源潜力以及经济效益两方面考虑，资源潜力可从堰塞湖与周边城市、主要交通干线以及水能资源蕴含量三方面评价，经济效益主要从单位千瓦投资和装机容量两方面考虑；生态环境效益考虑被替代的能源节约与温室气体减少，分别从煤节约率和二氧化碳减少率来衡量。建立堰塞湖可开发性评价指标体系，如表1所示。通过该评价指标体系的综合分析，以期为堰塞湖开发利用提供依据，实现变灾害为资源的目的。

堰塞湖开发利用需要在确定其安全的前提下进行。对于堰塞湖的风险评价，有学者提出不仅要关注堰塞体自身安全性，其溃决对上、下游造成的损失也应当引起重视。从堰塞坝自身安全性以及溃决安全风险两方面分别对堰塞体的安全进行评价。依据现有对堰塞湖安全评价的研究，堰塞坝自身安全性考虑从堰塞坝坝高、堰塞湖库容、泄流能力以及堰塞体物质组成四个方面进行评价。其中，堰塞坝坝高反映了堰塞体的规模；堰塞湖的库容反映了溃坝洪水能量；泄流能力描述经应急处置后泄水通道的度汛标准，反映了堰塞坝安全度汛的能力；堰塞体物质组成决定堰塞坝的溃决方式，反映了堰塞坝的危险级别。当堰塞湖下游人口密度大或存在重要基础设施时，堰塞湖的溃决将带来更大的生命财产损失，因此，衡量堰塞湖的溃决风险从风险人口以及下游重要城镇或公共设施两个评价指标进行。

从资源技术可开发性和经济可行性两个指标层分析堰塞湖资源的可开发性。资源技术可开发性由堰塞湖与交通干线的距离、堰塞湖与周边城市的距离以及堰塞体聚集的水能资源等指标因子量化。堰塞湖的空间位置直接决定了开发建设成本及建成后的旅游、发电的经济效益。影响堰塞湖开发的空间位置因素主要有两点，即其与周边城镇及主要交通干线的距离远近，水能资源蕴含量则反映了水电建设的可能性；经济可行性由单位千瓦投资和装机容量指标因子量化，分别考虑了投资以及收益情况。

生态环境效益准则层选择被替代能源节约和温室气体减少两个指标，考虑了堰塞湖开发利用对生态环境的双重作用。被替代能源节约由具体被替代能源(我国以煤电为主，故选择煤节约率指标)的节约率量化，计算公式如下：

其中，煤节约率量化指标计算公式为：

式中：

U₁₄₁——替代效应，单位：t/KW；

W——开发为水电站后的堰塞湖的年发电量，单位：万kW·h；

U——评价期相应年单位千瓦时火电的煤耗，单位：g/万kW·h；

C——堰塞湖改建为电站时设计装机容量，单位：Kw。

二氧化碳减少率计算公式如下:

式中：

U₁₄₂——减排效率，单位：kg/m³；

f——评价期内年度排放因子，单位：tCO₂/MWh；

V——正常蓄水位对应的堰塞湖库容，单位：万m³。

基于上述分析，初步建立的评价指标体系如表1所示：

表1堰塞湖可开发性评价指标体系

二、建立堰塞湖可开发性的评语集V＝{v₁,v₂,v₃,v₄}，依据评语集等级个数m划分各分级指标的值域。将堰塞坝开发必要性分为非常必要、必要、不必要、极不必要四个等级，即建立评语集V＝V＝{v₁,v₂,v₃,v₄}＝{Ⅰ级,Ⅱ级,Ⅲ级,Ⅳ级}＝{极必要，必要，不必要，极不必要}。参考堰塞坝安全风险评价、水利水电工程开发可行性评价对指标值域的划分,并根据实际工程经验,建立堰塞湖可开发性评价标准，见表2。

表2堰塞湖可开发性评价标准

在堰塞体开发必要性评价指标体系中，既有定量指标，又有定性指标。定量指标的数值通过调查、计算的方式得到；定性指标包括堰塞体物质组成及下游城镇、公共设施，需根据掌握的资料和专家经验综合确定，其评分标准见表3。

表3定性指标评分标准

三、构造隶属度函数方程，建立模糊关系矩阵(隶属度矩阵)R，R＝[r_ij]_n×m，n为单个评价对象所划分的评价指标数，m为评语分级个数。

模糊关系矩阵R代表了每一个评价指标因子对每一级堰塞湖可开发性评价标准的隶属程度,因此,可以把隶属度看成评级指标因子和可开发性评价标准的函数,根据分级标准,通过取线性函数来确定各级可开发性的隶属函数。假设某个评价指标因子的参数实测值为x_i,那么这个因子对各个可开发性等级的隶属度如下表示：

对于越大越优型的评价指标因子：

对于越小越优型的评价指标因子：

式中，S_ij为评级指标因子x_i对评价等级j的隶属度，j＝1,2,3,4。

通过式(3)～(10)计算得到二级指标的模糊关系矩阵R_ij。

四、确定各分级指标权重A，采用改进的层次分析法确定各分级指标所占权重。指标权重反映了单项指标个体对评价结果总体影响，通过改进的层次分析法IAHP，构造判断矩阵计算各指标的权重，具有直观、简捷的特点。专家打分确定重要性排序，如表4所示。改进的层次分析法过程步骤如下：

(1)构造判断矩阵

在同一层次对各评价因素进行两两重要性比较，获得综合比较矩阵，根据重要程度排序指数构造相应的判断矩阵。各评价因素的重要性评判采用如下简单量值规则：

式中，k_ij是因素i和因素j的比较数量化值。判断矩阵的计算公式为：

式中：c_ij为判断矩阵的相应元素；r_i为重要程度排序指数；m为矩阵的阶数；k_il为比较矩阵的相应元素。

(2)计算判断矩阵的优化矩阵

设原判断矩阵为C＝[c_ij]_m×m，则优化矩阵的相应元素计算公式为：

B＝[b_ij]_m×m (15)

(3)计算评价指标权重值

计算各评价指标的单一权重值，并对其进行归一处理。公式为：

式中，i，j＝1，2，…m；w_i为其中第i各评价因素对应的归一化权重值；m为同一层次评价指标个数。

根据现有对堰塞坝的研究以及水电项目建设评价研究，综合多位相关领域专家学者观点，汇总重要性评价表，如下所示：

表4重要性比较评价表

结合打分结果，通过式(12)～(17)计算各指标权重分布，结果如表5所示。

表5权重分布

由权重计算结果可得各三级指标所对应的的权重向量，将得到的权重向量A_ij与模糊关系矩阵R_ij代入式(18)，计算得到三级模糊综合评价结果，分别将三级模糊综合评价的结果作为二级模糊评价的模糊关系矩阵R_i，由给出的指标层权重，确定二级指标所对应的权重向量，将二级模糊关系矩阵B_i与对应的权重向量代入式(18)，计算得二级模糊综合评价结果，将二级模糊综合评价的结果作为准则层的模糊关系矩阵R，由给出的权重分布确定准则层权重分布A，分别将模糊关系矩阵R与权重向量A代入式(18)，计算得到一级模糊综合评价结果。

五、堰塞湖可开发性评价结果

在权重矩阵A和模糊关系矩阵R已知时,模糊综合评价模型可表达为:

B＝A·R (18)

将计算得出的模糊关系矩阵R与A带入上式，从指标层向上依次计算，得到最终评价结果向量B。采用最大隶属度原则，找出B向量中分量最大者B_max，将其相对应的评价作为模糊综合评估的结果，实现对堰塞湖可开发性的综合评价。

Claims (1)

1.一种堰塞湖多层次模糊评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定影响堰塞湖后续开发的评价指标集U，U＝{u₁,u₂,…,u_n}，n为评价对象分层指标集个数，建立堰塞湖开发可行性论证的综合决策评价指标体系；

评价指标的选取需能够对堰塞湖的某一方面的特征准确描述，且各指标之间应相对独立，共同构成完善的堰塞湖可开发性评价指标体系；以堰塞湖可开发性为目标层，从安全、可行、环保三个方面考虑，将目标层分解为应急处置后堰塞湖的安全性、资源的可开发性以及生态环境效益3个准则层；

步骤2：建立堰塞湖可开发性的评语集V＝{v₁,v₂,v₃,v₄}，依据评语集等级个数m划分各分级指标的值域；将堰塞坝开发必要性分为非常必要、必要、不必要、极不必要四个等级，即建立评语集V＝{v₁,v₂,v₃,v₄}＝{Ⅰ级,Ⅱ级,Ⅲ级,Ⅳ级}＝{极必要，必要，不必要，极不必要}；参考堰塞坝安全风险评价、水利水电工程开发可行性评价对指标值域的划分，建立堰塞湖可开发性评价标准；

在堰塞体开发必要性评价指标体系中，既有定量指标，又有定性指标；定量指标的数值通过调查和计算的方式得到；定性指标包括堰塞体物质组成、下游城镇和公共设施，需根据掌握的资料综合确定；

步骤3：构造隶属度函数方程，建立模糊关系矩阵R，R＝[r_ij]_n×m，n为单个评价对象所划分的评价指标数，m为评语分级个数；

模糊关系矩阵R代表了每一个评价指标因子对每一级堰塞湖可开发性评价标准的隶属程度，将隶属度看成评级指标因子和可开发性评价标准的函数,根据分级标准，通过取线性函数来确定各级可开发性的隶属函数；假设某个评价指标因子的参数实测值为x_i，那么这个因子对各个可开发性等级的隶属度如下:

对于越大越优型的评价指标因子：

对于越小越优型的评价指标因子：

式中，S_ij为评级指标因子x_i对评价等级j的隶属度，j＝1,2,3,4；

步骤4：确定各分级指标权重A，采用改进的层次分析法确定各分级指标所占权重；指标权重反映了单项指标个体对评价结果总体影响，采用改进的层次分析法IAHP，通过构造判断矩阵计算各指标的权重，改进的层次分析法如下：

(1)构造判断矩阵

在同一层次对各评价因素进行两两重要性比较，获得综合比较矩阵，根据重要程度排序指数构造相应的判断矩阵；各评价因素的重要性评判采用如下简单量值规则：

式中，k_ij是因素i和因素j的比较数量化值；判断矩阵的计算公式为：

式中：c_ij为判断矩阵的相应元素；r_i为重要程度排序指数；m为矩阵的阶数；k_il为比较矩阵的相应元素；

(2)计算判断矩阵的优化矩阵

设原判断矩阵为C＝[c_ij]_m×m，则优化矩阵的相应元素计算公式为：

B＝[b_ij]_m×m(15)

(3)计算评价指标权重值

计算各评价指标的单一权重值，并对其进行归一处理，公式为：

式中，i，j＝1，2，…m；w_i为其中第i各评价因素对应的归一化权重值；m为同一层次评价指标个数；

通过式(12)～(17)计算各指标权重分布；

步骤5：堰塞湖可开发性评价结果计算

在权重矩阵A和模糊关系矩阵R已知时,模糊综合评价模型表达为:

B＝A·R(18)

将计算得出的模糊关系矩阵R与A带入上式，从指标层向上依次计算，得到最终评价结果向量B；采用最大隶属度原则，找出B向量中分量最大者B_max，将其相对应的评价作为模糊综合评估的结果，实现对堰塞湖可开发性的综合评价。

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