基于模糊数学理论的溃坝环境影响分析

摘要： 我国筑坝众多，且病险水坝比例近半。一旦溃坝将会给下游居民带来灾难性后果。水库大坝的风险以溃决的概率与溃坝后果的乘积来度量。在目前的风险研究中，只有溃坝的环境影响方面，无论是国际上还是国内，都接近空白。此文将参考相关研究成果，运用模糊数学的理论基础对溃坝的环境影响进行分析评价并引用实例加以分析。

关键词： 大坝；溃坝；风险；模糊数学理论；环境影响

中图分类号：O159 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）15-0290-03

0 引言

我国水库大坝数量居世界第一，目前已建坝8.6万余座，这些水库大坝在发电、灌溉、供水、航运、渔业等国民经济建设发展以及防洪等防灾减灾中发挥了极其重要的作用。然而，受各种因素影响，我国的溃坝率也居高不下，居世界前列。据统计，自1954年至2001年，我国年平均溃坝率高达8.761*10-4[1]，远高于世界平均水平1.92×10-4。一旦溃坝，将会给下游居民带来灾难性后果，还可能会改变下游河道及土地性质。造成生态失衡。因此，降低水库大坝的失事风险意义重大。

水库大坝的风险不仅来自于大坝溃决的概率，也包含溃坝后果，以二者的乘积来度量，即溃坝对下游所造成的影响[2]。在目前的风险研究中，溃坝的可能性分析无论是定性还是定量我国已有大量成果，溃坝后果分析中的生命损失、经济损失部分亦比较完善，社会影响部分小有成果，只有溃坝的环境影响方面，无论是国际上还是国内，都接近空白。我国只有王仁忠、何晓燕、张莹[3-5]等进行了初步探讨。

现如今，环境问题日益突出，“人与自然和谐共处”理念也已深入人心，在此背景下，开展水库大坝的溃坝环境影响分析研究显得尤为迫切和重要。本文将参考相关研究成果，运用模糊数学的理论基础对溃坝的环境影响进行分析评价。

1 模糊数学分析评价模型[6-10]

①确定评判对象的影响因素集。U={U1，U2，…，Ui，…，Un}（i=1，2，…，n），且满足条件U1∪U2∪…∪Un=U且？坌i，j（i≠j）则Ui∩Uj=Φ；

②确定评价等级集。

V={V1，V2，…，Vj，…，Vm}（j=1，2，…，m）；

③建立权重集。令第i类影响因素Ui的权重为ai，则权重集A={a1，a2，…ai，…，an}（i=1，2，…，n），A为U上的一个模糊子集，且满足ai>0，a1+a2+…an=1；

④确定Fuzzy评价矩阵R。

其中rij（x）（i=1，2，…n；j=1，2，…，m）表示第i个影响因素在第j个评价等级上的隶属函数。

⑤求出综合评价结果B′。

将隶属度与权系数矩阵相乘得到未标准化结果，

2 溃坝环境影响分析

2.1 环境影响 在《中华人民共和国环境保护法》中，环境是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等。环境影响是指人类活动包括经济活动和社会活动对环境的作用和导致的环境变化以及由此引起的对人类社会和经济的效应[11]。

2.2 评价因素 进行溃坝的环境影响分析首先要选取恰当的评价指标，即溃坝所造成的环境影响因素。根据科学、典型、综合、系统、实用、定性与定量相结合等选取原则，结合水库溃坝失事特点，参考已有研究成果及溃坝社会影响等方面，选取河道形态、水环境、土壤环境、植被覆盖、生物多样性、人文生态环境及污染工业等7方面作为溃坝环境影响分析的主要因素。影响因素的含义及计算方法详见表1。

从表1中可以看出，所选取的7个影响因素既有定量因素又有定性因素。本文将各因素在溃坝后产生的影响程度从轻微到极其严重分为五个等级，定性类因素采用相同的分级方法和取值（0～100），定量因素按实际取值，各级的取值范围见表2。

2.3 因素权重 水库溃坝的环境影响评价因素类型较多且重要性程度不同，需计算出各因素的重要性权值，即因素权重，为标准化定量综合评价提供一级数据基础。本文采用APH法确定各影响因素的权重，即通过专家评判、构造判断矩阵、层次排序和一致性检验等步骤确定出各因子的权重，得到溃坝环境影响因素权重表。

2.4 隶属函数 确定隶属函数rij（x）。结合偏小型、偏大型及中间型的半梯形与梯形分布隶属函数，参考相关理论，根据相关大坝风险后果的评价资料，确定溃坝环境影响分析的隶属度矩阵R的计算采用以下公式：

式中：x为各影响因素的实际评分值；Cj为对应风险j等级的标准值；rij（x）为因素i对应j等级的隶属度；通过隶属函数，求出n个影响因素对m级大坝风险等级的隶属程度，得出隶属度矩阵R。

3 实例分析

本文以沙河集水库为例，将所述的溃坝环境风险分析方法应用其中。

3.1 工程概况 沙河集水库位于安徽省滁州市沙河集西约1公里的滁河支流清流河上游沙河上，是滁州市城西水库、独山水库等24座大中型水库之一。为以灌溉为主，兼有抗洪防洪、水产养殖、城市供水、水利发电、旅游等综合利用功能的多年调节大Ⅱ型水库。

沙河集水库大坝所处的清流河为滁河流域滁河支流，清流河是滁河最大支流，又称乌衣河，河长84km，流域面积1252km2。沙河集水库大坝下游滁州市人口30余万，耕地林地面积35万亩。

3.2 环境影响分析

①确定沙河集水库溃坝后的环境影响因素集为：

U={U1，U2，U3，U4}={河道形态，水环境，土壤环境，植被覆盖，生物多样性，人文景观，污染工业}；

②确定沙河集水库溃坝后的环境影响因素评价等级集为：

V={V1，V2，V3，V4，V5}={特别严重影响，严重影响，较严重影响，一般影响，轻微影响}；

③各影响因素的权重集为：

A={a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7}

={0.068，0.26，0.5，0.078，0.052，0.017，0.025}

④计算溃坝的环境影响模糊评价矩阵：由表4所得溃坝的环境影响模糊评价矩阵为：

⑦根据最大隶属原则可知0.351所对应的影响等级为特别严重，即沙河集水库一旦发生溃坝则会对下游及周边环境造成特别严重影响后果。

4 结语

本文应用模糊数学理论对溃坝可能产生的环境影响进行了分析与评价，并基于沙河集水库大坝实例加以分析验证，结果与以往评价结果相吻合，可知本文所述方法具有一定的可行性，并且对于水库大坝的风险分析具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]李雷，等著.大坝风险评价与风险管理[M].中国水利水电出版社，2006：1，12～13.

[2]ANCOLD（Australian National Committee on Large Dams）.Guidelines on Risk Assessment ，2003.

[3]何晓燕，孙丹丹，黄金池.大坝溃决社会及环境影响评价[J].岩土工程学报，2008：1752-1757.

[4]王仁钟，李雷，盛金保.水库大坝的社会与环境风险标准研究[J].安全与环境报，2006，6（1）：8-11.

[5]张莹.基于能值足迹法的溃坝环境、生态损失评价[D].南京.南京水利科学研究院.硕士.2010，7.

[6]冯保成.模糊数学实用集萃[M].中国建筑工业出版社，1991.

[7]谢季坚，刘承平.模糊数学方法及其应用（第2版）[M].华中科技大学出版社，2005.

[8]梁保松，曹殿立主编.模糊数学及其应用[M].科学出版社，2007.

[9]胡宝清.模糊理论基础（第二版）[M].武汉大学出版社，2010.

[10]陈守煜.可变模糊集理论与模型及其应用[M].大连理工大学出版社，2009.

[11]王辉民.环境影响评价中引入生态补偿机制研究[D].北京.中国地质大学.博士.2008，6.

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