康業(yè)淵, 張娜, 狄文龍

(1.中國葛洲壩集團(tuán)國際工程有限公司，北京 100000; 2.金華市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 金華 321000)

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基于模糊最優(yōu)識(shí)別理論的水電工程泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型

康業(yè)淵1, 張娜2, 狄文龍1

(1.中國葛洲壩集團(tuán)國際工程有限公司，北京 100000; 2.金華市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 金華 321000)

為評(píng)價(jià)水電工程泥石流的危險(xiǎn)性，結(jié)合水電工程泥石流災(zāi)害的特點(diǎn)，在參考國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，確定了基于多因素的水電工程泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并以此為基礎(chǔ)，搜集、調(diào)研資料，建立了典型泥石流范例庫。借助模糊最優(yōu)識(shí)別理論，建立了水電工程泥石流危險(xiǎn)性初步評(píng)價(jià)的模糊最優(yōu)識(shí)別模型。利用該模型對(duì)某水電工程泥石流的危險(xiǎn)性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了該模型的有效性。

水電工程泥石流；不確定性分析；模糊最優(yōu)識(shí)別理論；危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

泥石流是一種典型的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。迫切需要掌握泥石流的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，并評(píng)價(jià)其危險(xiǎn)性，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)水利水電工程選址、橋梁涵洞定位、山區(qū)鐵路公路選線、城鎮(zhèn)村寨布局設(shè)置以及泥石流避難路線的確定和綜合防治規(guī)劃的制定等具有極其重要的實(shí)際意義和科學(xué)價(jià)值。泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型的發(fā)展與地質(zhì)災(zāi)害理論、物理、數(shù)學(xué)、電子信息科學(xué)等相關(guān)學(xué)科緊密聯(lián)系。隨著計(jì)算機(jī)信息科學(xué)的飛速發(fā)展以及數(shù)學(xué)理論的不斷創(chuàng)新，泥石流評(píng)價(jià)模型也在不斷發(fā)展。我國泥石流災(zāi)害方面的專家學(xué)者在泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面做了不懈的探索和研究，并取得了豐碩的成果[1-6]。隨著各種數(shù)學(xué)理論的發(fā)展和成熟，許多學(xué)者開始注重運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法解決泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)問題，其中具有代表性的有模糊數(shù)學(xué)、層次分析理論、粗集理論、可拓學(xué)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色關(guān)聯(lián)分析等方法[7-9]。

大型水利水電工程大多建在深山峽谷中，建造規(guī)模大、難度高、建設(shè)費(fèi)用高[10]，一旦發(fā)生事故將產(chǎn)生不可估量的損失。深山峽谷是泥石流災(zāi)害最易發(fā)生的地方，因此，大型水電工程的規(guī)劃和建設(shè)必須對(duì)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況進(jìn)行研究。如中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所對(duì)長江上游、黃河上游地區(qū)、三峽水電站庫區(qū)和雅礱江二灘水電站庫區(qū)進(jìn)行了滑坡泥石流危險(xiǎn)性的研究[11-13]?，F(xiàn)有的研究成果大多是針對(duì)某一流域或地區(qū)進(jìn)行整體泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)域的劃分，很少有研究成果對(duì)影響水電工程安全的某些泥石流溝進(jìn)行有針對(duì)性的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究。

模糊最優(yōu)識(shí)別理論適用于多指標(biāo)評(píng)判系統(tǒng)，在巖體質(zhì)量分類、邊坡穩(wěn)定性分析、水質(zhì)評(píng)價(jià)、工程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)中得到廣泛的應(yīng)用[14-16]。由于各影響指標(biāo)的量綱不同，利用模型評(píng)價(jià)時(shí)一般需要對(duì)各屬性指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。

筆者在調(diào)研、查閱相關(guān)文獻(xiàn)及搜集多個(gè)典型泥石流范例的基礎(chǔ)上，綜合考慮地質(zhì)條件、地形地貌特征、水電工程的自身特點(diǎn)和歷史災(zāi)害情況等對(duì)泥石流發(fā)生的影響，構(gòu)建了基于多因素的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，探討了各指標(biāo)的規(guī)格化方法，研究了基于模糊最優(yōu)識(shí)別理論的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。最后通過對(duì)某水電工程泥石流危險(xiǎn)性的初步評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了該模型的有效性。

1 泥石流危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

水電工程泥石流危險(xiǎn)性不僅取決于泥石流自身的幾何特性、地質(zhì)狀況、地形地貌和環(huán)境條件等，還取決于歷史災(zāi)害發(fā)生情況、水電工程的等級(jí)以及被影響建筑物的重要性[17-20]。因此，在宏觀評(píng)定泥石流危險(xiǎn)性時(shí)，需要建立一個(gè)綜合考慮多影響因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

在參考國內(nèi)外文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)泥石流發(fā)生發(fā)展機(jī)理和潛在災(zāi)害、歷史災(zāi)害情況，把影響泥石流危險(xiǎn)性的重要因素概括為最大沖出量、流域面積、泥沙補(bǔ)給段長度比、流域最大相對(duì)高差、流域切割密度、植被覆蓋率、松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量和24 h最大降雨量等。評(píng)價(jià)水電工程泥石流危險(xiǎn)性的指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 典型泥石流范例及指標(biāo)數(shù)據(jù)規(guī)格化

2.1 泥石流范例

將泥石流的危險(xiǎn)性狀態(tài)，即評(píng)價(jià)類別分為低度危險(xiǎn)、中度危險(xiǎn)、高度危險(xiǎn)和極高危險(xiǎn)4種情況[1]。將泥石流危險(xiǎn)狀態(tài)的主要影響因素概括為：最大沖出量、流域面積、泥沙補(bǔ)給段長度比、流域最大相對(duì)高差、流域切割密度、植被覆蓋率、松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量和24 h最大降雨量等，其分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 泥石流危險(xiǎn)性單項(xiàng)指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)

2.2 指標(biāo)數(shù)據(jù)的規(guī)格化

設(shè)xij為樣品j的第i個(gè)指標(biāo)值；yih、yi h+1(i=1,2,…,m；h=1,2,…,c+1)分別為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)第h個(gè)分類標(biāo)準(zhǔn)值的上、下限。規(guī)定指標(biāo)i的1類標(biāo)準(zhǔn)上限值yi1對(duì)危險(xiǎn)性的隸屬度為1，c類標(biāo)準(zhǔn)下限值yi c+1對(duì)危險(xiǎn)性的隸屬度為0，介于yi1和yi c+1之間的值對(duì)危險(xiǎn)性的隸屬度在0～1間取值。隸屬度計(jì)算式為

(1)

式中sih為指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)危險(xiǎn)性的隸屬度。

從安全角度考慮，以各項(xiàng)指標(biāo)i的上限值為各級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值，則有標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)隸屬度矩陣為：

(2)

設(shè)樣品j的指標(biāo)值為

(3)

規(guī)格化以后，式(3)變?yōu)?/p>

(4)

由式(2)表示的矩陣S為c個(gè)危險(xiǎn)類別的標(biāo)準(zhǔn)隸屬度矩陣，而rj則表示樣品j的各個(gè)指標(biāo)對(duì)危險(xiǎn)性的隸屬度。

3 基于模糊最優(yōu)識(shí)別理論的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型

對(duì)于泥石流危險(xiǎn)性的分類問題可歸結(jié)為：根據(jù)危險(xiǎn)性分類標(biāo)準(zhǔn)隸屬度矩陣S，對(duì)以m個(gè)指標(biāo)隸屬度表示的樣品j作出判別歸類的最優(yōu)識(shí)別。一般情況下，樣品j的m個(gè)指標(biāo)隸屬度不會(huì)統(tǒng)一落入標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)隸屬度矩陣S同一指標(biāo)隸屬度標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，有可能參差不齊地落在矩陣S不同分類指標(biāo)隸屬度標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。假設(shè)樣品j落入標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)隸屬度矩陣S不同類別的上、下限分別為a1、a2(正整數(shù))，且有1≤a1

(5)

樣品j的m個(gè)指標(biāo)的權(quán)向量為:

(6)

從而，樣品j和第h分類之間的差異可用廣義歐氏權(quán)距離表示為:

(7)

為了更合理地表示樣品j與第h分類之間的差異，根據(jù)式(5)中樣品j對(duì)第h個(gè)分類的隸屬度uhj，可以得到加權(quán)后的廣義歐氏權(quán)距離為:

(8)

解式(8)的前提是求解最優(yōu)歸類隸屬度向量，該最優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)定義為：使樣品j對(duì)于類別上、下限分別為a1、a2的加權(quán)廣義歐氏權(quán)距離平方和最小，即

(9)

該最優(yōu)化問題的約束條件為

(10)

構(gòu)造拉格朗日函數(shù)：

(11)

(12)

(13)

由式(12)得

(14)

聯(lián)立式(13)和式(14)可得

(15)

將式(15)代入式(12)可得

(16)

式中：h=a1,a1+1,…,a2；序號(hào)k可以間斷。

應(yīng)用式(16)可對(duì)泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行分類識(shí)別。其具體步驟為：

1)建立影響泥石流危險(xiǎn)性的各單項(xiàng)指標(biāo)的分類標(biāo)準(zhǔn)和樣品的各項(xiàng)指標(biāo)值；

2)依據(jù)各單項(xiàng)指標(biāo)的上、下限值，將各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行規(guī)格化處理；

3)對(duì)樣品指標(biāo)值進(jìn)行處理，并將其進(jìn)行規(guī)格化；

4)得到各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)隸屬度值，并確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，進(jìn)而得到指標(biāo)權(quán)向量；

5)將得到的有關(guān)數(shù)據(jù)代入模糊最優(yōu)歸類理論模型中，得到樣品的危險(xiǎn)性分類。

4 實(shí)例分析

根據(jù)文獻(xiàn)[21]提供的資料，對(duì)羊湖二廠抽水蓄能電站廠區(qū)后發(fā)育的5條泥石流溝進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。由評(píng)價(jià)結(jié)果知，羊湖抽水蓄能電站以羊湖為上水庫，雅魯藏布江為下水庫，為一無壩引水式電站。該工程于1985年開工，裝機(jī)容量112.5 MW， 1997年8月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，電站為拉薩、山南和日喀則等地區(qū)送電，并在藏中電網(wǎng)系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。該電站利用汛期藏中地區(qū)電力系統(tǒng)富裕電能抽取雅魯藏布江水送至上游水庫羊湖進(jìn)行蓄水，枯水期則由上游水庫取水，經(jīng)引水隧洞和壓力管道引至貢嘎縣境內(nèi)的雅魯藏布江，利用上、下游水庫約840 m的高差進(jìn)行發(fā)電。 電站廠房位于羊湖電站上游約1.4 km的貢嘎縣江唐鎮(zhèn)色麻村，取水口緊靠原羊湖電廠取水口，引水隧洞及壓力管道引水至雅魯藏布江南岸建廠發(fā)電。該電站的投入使用能在很大程度上緩解該地區(qū)用電高峰期的負(fù)荷壓力，對(duì)解決該地區(qū)枯水期電網(wǎng)缺電以及汛期水電資源流失等問題具有重要意義。但由于該電站廠區(qū)后山存在5條泥石流溝，溝內(nèi)物質(zhì)資源豐富，雨季常有泥石流災(zāi)害發(fā)生，嚴(yán)重影響廠房樞紐的布置和施工、運(yùn)行安全。為了給該電站的安全施工和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，通過分析實(shí)地調(diào)查及遙感影像資料，對(duì)電站廠房區(qū)泥石流溝的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查、收集、整理，通過上述模糊最優(yōu)識(shí)別模型對(duì)5條泥石流溝進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

4.1 指標(biāo)參數(shù)的規(guī)格化

由表1知，影響泥石流危險(xiǎn)性的重要因素有：最大沖出量、流域面積、泥沙補(bǔ)給段長度比、流域最大相對(duì)高差、流域切割密度、植被覆蓋率、松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量及24 h最大降雨量。如前所述，為消除不同量綱對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果可能造成的影響，需對(duì)表中各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化處理。文中對(duì)1#泥石流溝進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，其他4條泥石流溝的評(píng)價(jià)結(jié)果可以類推。用規(guī)格化處理方法將1#泥石流溝指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其對(duì)應(yīng)的規(guī)格化數(shù)為

r=(r1,r2,…,r8)T=

(0.80,0.96,0.80,0.10,0.80,0.75,0.98.0.85)T。

(17)

4.2 基于模糊最優(yōu)識(shí)別理論的穩(wěn)定性初步評(píng)價(jià)

第3部分中將泥石流危險(xiǎn)狀態(tài)分為低度危險(xiǎn)、中度危險(xiǎn)、高度危險(xiǎn)和極高危險(xiǎn)4種情況。根據(jù)前文內(nèi)容，并參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，由各單指標(biāo)因素的分類標(biāo)準(zhǔn)(表1)可知：c=4，m=8。

根據(jù)表1，得標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)隸屬度矩陣

h=1,2,3,4。

(18)

將式(17)與式(18)進(jìn)行比較，可知研究對(duì)象的指標(biāo)分布較分散，指標(biāo)1、3、5、6、8落入2、3類之間，指標(biāo)2、7落入1、2類之間，指標(biāo)4落入4類，故a1=1，a2=4。

確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)，引入0～1之間的數(shù)作為標(biāo)度，規(guī)定rij指標(biāo)小于或等于指標(biāo)i的第c類標(biāo)準(zhǔn)值sic的未歸一化權(quán)重ωij=1，每遞減一類，權(quán)重相應(yīng)減0.1，從而有si1、si2、si3、si4的權(quán)重值分別為0.7、0.8、0.9、1.0。相應(yīng)地，rij落入指標(biāo)i的第h、h+1類標(biāo)準(zhǔn)值sih、si h+1之間時(shí)的權(quán)重可由式(19)得到，

(19)

式中：h=1,2,3；i=1,2,…,8。

指標(biāo)1的隸屬度r1=0.80，落入2、3類標(biāo)準(zhǔn)值0.90、0.75之間，將h=2等有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(19)，可以得到指標(biāo)的未歸一化權(quán)重：

(20)

同理可以得到其他指標(biāo)的未歸一化權(quán)重，分別為0.720、0.833、1.000、0.850、0.850、0.740、0.850。即

ω=(0.867,0.720,0.833,1.000,0.850,0.850,0.740,0.850)，

將其進(jìn)行歸一化處理，得到指標(biāo)權(quán)向量

ω=(0.129,0.107,0.124,0.149,0.126,0.126,0.110,0.128)。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入模糊最優(yōu)識(shí)別模型即式(16)中，得h=1,2,3,4時(shí)，u1=0.176，u2=0.251，u3=0.316，u4=0.256。

由模糊最優(yōu)識(shí)別模型研究確定的1#泥石流溝落入3類，即處于高度危險(xiǎn)狀態(tài)，需要進(jìn)行相應(yīng)的處理才能確保電站安全。

5 結(jié)語

結(jié)合水電工程泥石流災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理，提出了水電工程泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，針對(duì)泥石流危險(xiǎn)性存在的眾多不確定性，建立了基于模糊最優(yōu)識(shí)別理論的泥石流危險(xiǎn)性初步評(píng)價(jià)模型。通過實(shí)例分析表明，該模型物理概念明確，簡(jiǎn)便實(shí)用。關(guān)于指標(biāo)權(quán)重的確定及方法的準(zhǔn)確率有待進(jìn)一步深入研究。

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(責(zé)任編輯：杜明俠)

Risk Evaluation Model of Debris Flow in Hydropower Project Based on Fuzzy Optimum Recognition Theory

KANG Yeyuan1, ZHANG Na2, DI Wenlong1

(1.Chinese Gezhouba Group International Engineering Co. Ltd., Beijing 10000, China; 2.Jinhua Water Resources and Hydropower Design Co. Ltd., Jinhua 321000, China)

In order to evaluate the dangers of debris flow in hydropower projects, and based on the characteristics of the debris flow hazards of hydropower projects, a multi-factor evaluation index system for debris flow hazards of hydropower projects was established on the basis of domestic and international literatures. Based on this, a typical debris flow model reservoir was established, and then a fuzzy optimal recognition model for debris flow risk assessment of hydropower projects was established by means of fuzzy optimal recognition theory. The risk of debris flow in a hydropower project was analyzed and evaluated by using the model. The evaluation results were in line with the actual situation and the effectiveness of the model was verified.

debris flow; uncertainty analysis; fuzzy optimal recognition model; hazard evaluation

2016-11-24

康業(yè)淵(1988—),男,河南駐馬店人,工程師，碩士,從事水工建筑物安全監(jiān)控方面的研究。E-mail:kangyeyuan@126.com。 張娜(1987—),女,河北衡水人,工程師，碩士,從事防災(zāi)減災(zāi)方面的研究。E-mail:zhangnagoodluck@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.02.011

TV223;P642.23

A

1002-5634(2017)02-0056-05