基于云模型的汾河水库健康评价

姚歌，孙雪岚，陈少冰

（1. 太原理工大学 水利科学与工程学院，山西 太原 030024）

（2. 合浦水库工程管理局，广西 北海 536125）

摘要：本文针对多沙河流水库健康的内涵，构建出包含水库结构安全、上下游河段健康、社会效益和区域生态系统四个方面的汾河水库健康评价指标体系。建立基于层次分析法，云模型和加权平均法的模糊综合评价模型对其进行健康评价。结果表明汾河水库处于亚健康状态，主要体现在水库泥沙淤积严重、径流调节能力减弱和下游河槽冲刷严重等方面。可见，泥沙对多沙河流水库的安全运行带来了多方面的影响，进而影响到了其健康状况，解决泥沙问题已经成为汾河水库运行与管理的迫切需要。

关键词：云模型，健康评价，汾河水库，多沙河流，模糊综合评价

The Health Evaluation of Fenhe Reservoir Based on Cloud Model

YAO ge¹ ,SUN xuelan¹ ,CHEN shaobing²

(1: Taiyuan University of Technology, Taiyun 030024, P.R. China)

(2: Taiyuan University of Technology, Beihai 030024, P.R. China)

Abstract: This article aims at the connotation of the health of the sediment-lade river reservoir, and constructs the health evaluation index system of the Fenhe Reservoir which includes the safety of the reservoir structure, the health of the upstream and downstream reaches, social benefits and the regional ecosystem. A fuzzy comprehensive evaluation model based on AHP, cloud model and weighted average method was established to evaluate the health of the reservoir. The results showed that Fenhe Reservoir was in a sub-health state, which was mainly reflected in the serious siltation of the reservoir, weakened runoff regulation capacity, badly downstream channel washed and other aspects. It can be seen that the sediment has brought many impacts on the safe operation of the sediment-laden river reservoirs, which has affected their health status. Solving the sediment problem has become an urgent need for the operation and management of the Fenhe Reservoir.

Key words: cloud model; health assessment; Fenhe reservoir; sediment-lade river reservoir; Fuzzy comprehensive evaluation

1 引言

建国以来，我国先后修建了数量众多的大中小型水库，截至2013年，我国共有10万m³以上的水库98002座，总库容达9323.12亿m^3[1]，极大地缓解了我国洪涝灾害和干旱严重并存的现状，在防洪、灌溉、发电、供水、航运、养殖等方面发挥了明显的效益，为区域经济发展，社会稳定和文化繁荣等做出了突出贡献。但与此同时，水库的修建阻断了天然河道，改变了河流天然水沙条件，打破了河床形态的相对平衡，进而引发整条河流上下游和河口的水文特征发生变化，包括下泄流量减小、洪峰平坦化、主河槽萎缩、尾闾消失、生态衰退等，导致河流健康受到损害和威胁。同时，由于水库本身建设、运用和管理中存在的诸多问题，目前全国水库普遍存在病险隐患、泥沙淤积、水质恶化等问题，不仅严重制约了水库防洪及兴利功能的发挥，还减缓了流域经济社会的发展。因此，对水库各方面的健康评价应运而生。

我国土地辽阔，河流众多，气候和地质条件复杂多变，河流上的水库情况较为复杂。肖金凤等^[2]将水库与生态系统联系起来，评价水库生态健康；魏海等^[3]从大坝安全，水库效益和生态对水库健康进行了探索，进行了综合指数评价；高永胜，王浩^[4]较早的确定水库健康的内涵，建立了水库健康评价体系；近几年任子纲，高永胜^[5]建立综合评价模型，给出了指标量化和指标权重确定的方法；周富春等^[6]，岳强等^[7]运用系统分析方法和模糊数学方法，建立水库健康AHP评价模型。现有对水库和流域的健康研究多运用AHP、多指标综合评判、TOPSIS等方法研究，定性成分多，不易令人信服。李毅德教授提出的云模型是一种新的评价方法，该方法兼具模糊性和随机性，比较客观精确，能够较好实现定性与定量之间的转化^[8]。张秋文等^[9]针对水库诱发地震孕育和发生过程中的不确定性，将水库诱发地震总体组合环境条件作为一个模糊系统，基于云模型对长江三峡水库的诱发地震风险进行了多级模糊综合评价实验，极大地提高了评价结果的鲁棒性和可视化。胡尊芳等^[10]对东平湖枯水期水质建立了基于云模型的综合评价模型，得到湖区东部水样的水质劣于西部的结论。黄显峰等^[11]基于云模型对江苏省新沂市水利现代化水平进行了评价，2015年的水利现代化水平与实际符合，预测2020年能够达到全面现代化。

综上所述，一方面，前人研究多以水库作为独立的研究对象分析，忽略了水库作为“人工湖泊”，是河流的子系统，与河流是一个有机整体；另一方面，已有的研究未考虑到水库的差异性，没有对水库进行必要分类，多是针对所有类型的水库泛泛而谈，例如多沙河流上修建的水库与普通水库相比，无论是设计还是运行都有明显的差别。此外，因此，本文以多沙河流水库—汾河水库作为研究对象，建立基于云模型的模糊综合评价模型，对汾河水库进行健康评价。

2多沙河流水库健康评价

2.1多沙河流水库健康评价内涵

水库是一个集生态、河流和人类社会相互作用为一体的综合系统，具有其内在特征和服务功能。多沙河流上修建水库对于开发利用江河资源、调节水资源时空矛盾具有重要意义，但同时也因泥沙淤积带来了库容损失、淤积上延、下游河槽萎缩等影响水库综合效益的发挥和上下游河段的健康问题。如图1所示。因此，多沙河流水库健康的内涵可以从多沙河流的特点及其水库的功能和影响两方面考虑，其具体内涵为：多沙河流水库结构安全，能够按设计标准正常发挥灌溉、防洪、发电，养殖等社会效益，且能够维持水库自身及其上下游河段等周边区域内的正常的河床演变以及良性的生态系统循环^[12]。

图1.多沙河流水库与河段的相互影响

Fig 1. Interaction between reservoirs and river reaches

2.2多沙河流水库健康评价指标体系

根据评价指标科学性、代表性、独立性、可操作性、整体性及评价标准原则，结合多沙河流水库的特点汾河水库健康包括水库安全，上下游河段健康，社会服务效益和区域生态系统四个方面为准则层。建立多沙河流水库评价指标体系，如图2所示。

图2.多沙河流水库健康评价指标体系

Fig 2. Health Assessment Index System for sediment-lade river reservoir

3 多沙河流水库评价方法

3.1 云模型原理

云模型是一种定性知识描述与定性概念及其定量数值之间的转换模型^[13]。在评价过程中，利用云模型的模糊性和随机性改进常规模糊综合评判法中的综合评判矩阵和权重矩阵，从而确定评价对象的权重，以云滴形式直观地展现。云发生器主要分为两大类，分别为正向云发生器和逆向云发生器。正向云发生器是从定性到定量的映射，即通过云的数字特征E_x、E_n、H_e来产生定量云滴x_i与隶属度μ_i的过程。逆向云发生器则是将一定数量的精确数值x_i转化为其定性概念E_x、E_n和H_e，并根据3个数值特征做分析计算，是由定量数值向定性念的转换。

3.2基于云模型的模糊综合评价方法

一般而言，云模型评价包括以下几个主要步骤：

（1）确定评价对象的因素论域，建立评价指标体系。

（2）收集一定数量专家各自的初始权重评价。

（3）通过逆向云发生器求解 E_x、E_n、H_e。

样本均值：

样本方差：

熵：

超熵：

（4）根据所求的E_x、E_n、H_e，用正向云发生器补充云滴： 

正态随机数：

正态随机数：

度：

式中randn(1)为随机数，重复1000次，得到1000个云滴（,），得到其指标权重。

（5）评语等级V = {理想状态，健康，亚健康，不健康，病变} 。

（6）利用模糊算法因子M（∧，⊕）完成模糊综合评价的一、二级评价，得到结果向量。

（7）采用加权平均的方法,对模糊综合评价的结果向量进行比较分析，有效避免综合评价中评判失效。用“1,2,3,4,5”依次表示“病变，不健康，亚健康，健康，理想状态”，并称其为各等级的秩。然后用模糊评价结果向量B中对应分量将各等级的秩加权求和，得到被评事物的相对位置。可表示为：

式中：为模糊评价结果向量中隶属于第j个等级的隶属度。为待定系数，本文取。4 实例研究

4.1研究区概况

汾河是山西省境内最大的河流，干流全长684km。资料表明，1962年到1987年汾河水库上游来水汛期平均含沙量45.3kg/m^3[14]，汾河下游河津站多年平均含沙量为22.1kg/m^3[15]，是典型的多沙河流。汾河水库位于汾河上游的太原市娄烦县内，控制流域面积5268km²，库容7.2亿m³，兴利库容2.4亿m³。汾河水库是一座以防洪、灌溉、供水为主，兼顾发电的大型水利枢纽，自1958年投入运行以来，发挥了巨大的防洪、灌溉、供水、发电效益，防洪减灾效益约50亿元，供水效益高达70亿元。但水库建成后，泥沙大量淤积，到2012年库容损失高达52.7%，相当程度上损害了水库的健康发展和效益的良好发挥。

4.2 云模型指标权重计算

首先收集 10 位专家对于各指标权重的意见，构建判断矩阵，并把通过层次分析法计算出的专家评价权重作为初始权重，然后再通过云模型的逆向、正向云发生器模拟1000位专家的评价权重，得到各指标体系权重的云模型图像如图4-8所示，并得到个指标体系权重如表1所示。

图4.准则层评价指标权重

Fig 4. Evaluation criteria weights on criteria level

   图5 水库结构安全指标权重           图6 区域生态系统指标权重

图7上下游河段健康指标权重       图8 社会服务效益指标权重

表1云模型确定的指标权重

Tab 1 Index weights determined by the cloud model

4.4基于加权平均结果处理的模糊综合评价

查阅相关规范资料，结合多沙河流水库——汾河水库现状，咨询专家确定汾河水库各指标的阈值以及评判矩阵。根据模糊综合评价的基本原理，完成汾河水库健康的一、二级模糊评判，如图9所示。

对目标层（A）的评价结果分析可知：汾河水库处于亚健康状态，健康状况处于中等水平。

对准则层（B）的评价结果分析可知：水库结构安全（B1）为健康状态，上下游河段健康（B2）处于不健康状态，社会服务效益（B3）和区域生态系统（B4）处于亚健康状态。

图9. 目标层及准则层的评价结果

Fig 9. Evaluation results of target layer and criteria layer

4.5水库健康影响因素分析

依据加权平均原则，对指标层各指标的健康隶属度进行分析，并对各指标的权重进行排序，所得结果如图10所示。选择权重较大的（权重总和占85%）前10个指标，作为有效影响指标，结合其健康状况分析得到表6。