基于多級(jí)模糊評(píng)價(jià)的露天煤礦防洪方案決策

1、基于多級(jí)模糊評(píng)價(jià)的露天煤礦防洪方案決策    摘 要：為了選擇合理的露天煤礦防洪工程方案，按照多級(jí)模糊評(píng)價(jià)的要求，建立了防洪工程評(píng)價(jià)指標(biāo)的遞階層次結(jié)構(gòu)，利用層次分析法確定了不同層次指標(biāo)間的權(quán)重分配，采用專家打分的辦法建立了單因素評(píng)價(jià)模糊矩陣，最后經(jīng)過模糊合成運(yùn)算確定了各個(gè)方案的優(yōu)劣程度。結(jié)果表明，該方法合理有效，在露天煤礦防洪工程方案決策分析方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：露天煤礦；防洪工程決策；多級(jí)模糊評(píng)價(jià)中圖分類號(hào)：TD745; TV64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B1 引言目前防洪工程的研究主要集中在的江河堤防和水庫大壩，已有文獻(xiàn)主要從失事概率、可靠度計(jì)算、防洪

2、工程總體風(fēng)險(xiǎn)度等幾個(gè)方面把握防洪工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵技術(shù)1。在城市防洪工程方面的研究由于近幾年對(duì)城市水災(zāi)害的關(guān)注，也有不少的文獻(xiàn)探討了城市防洪工程方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、決策評(píng)價(jià)的方法等2,3,4,5,6。而對(duì)大型的露天煤礦防洪工程方案的研究較少，文獻(xiàn)7,8關(guān)于哈爾烏素露天煤礦防洪方案的研究在方案決策方面也是定性的討論較多。大型露天煤礦的開采本身就是對(duì)大自然的一次持續(xù)性的破壞，在煤礦開采期間既要保證煤炭資源開采安全高效進(jìn)行，又要把開采活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)貐^(qū)域環(huán)境生態(tài)的負(fù)面影響降到最低。露天煤礦防洪工程措施就是達(dá)到這兩個(gè)目標(biāo)的重要手段之一，為有效的進(jìn)行防洪工程的建設(shè)，防洪工程規(guī)劃方案的決策就顯得十分重要。露天

3、煤礦防洪工程方案由于特殊條件和環(huán)境的約束，在方案決策時(shí)考慮的因素就比較多是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)決策問題。首要的是考慮露天開采的安全性、投資的多少，其次雨洪資源的有效利用、區(qū)域水土保持和環(huán)境生態(tài)的影響也是要考慮的重要方面。這些因素有些是可以定量計(jì)算的比如結(jié)構(gòu)的問題、淹沒損失等，有些就很難定量的計(jì)算出來，需要專家的經(jīng)驗(yàn)判斷。這些涉及的因素及之間的關(guān)系也很難直接定量化，如果用模糊集合來考慮這些因素以及他們之間的關(guān)系，就可以找到比較合適的方法，本文就是嘗試用多級(jí)模糊評(píng)價(jià)方法，以國內(nèi)某露天煤礦防洪工程為決策對(duì)象進(jìn)行防洪工程方案的決策分析。2 多級(jí)模糊評(píng)價(jià)模型2.1 模糊綜合評(píng)價(jià)原理模糊綜合評(píng)價(jià)是根據(jù)各因子對(duì)其

4、等級(jí)的隸屬度，按最大隸屬度原則確定其等級(jí)的方法9。是一種以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，把定性與定量相結(jié)合，解決涉及多個(gè)指標(biāo)(或因素)的事物評(píng)價(jià)問題的有效方法10。具體計(jì)算步驟如下：(1) 建立評(píng)判對(duì)象因素集 , , , 1 2 n U = u u 同場(chǎng)合，也稱為參數(shù)指標(biāo)或質(zhì)量指標(biāo)，它們能綜合地反映出對(duì)象的質(zhì)量，因而可由這些因素來評(píng)判對(duì)象。(2) 建立評(píng)判集 , , 1 2 m V = v v -2-為方案的優(yōu)良等級(jí)集。評(píng)價(jià)因素集和優(yōu)良等級(jí)集之間的模糊關(guān)系用矩陣R 來表示： =m m mnnnr r rr r rr r rR1 221 22 211 12 1（1）式中， = ( , )(0 1) ij i

5、j ij r u u v r ，表示就因素i u 而言被評(píng)為j v 的隸屬度；矩陣R 中第i行( ) i i i im R r , r , , r = 1 2 的確定，實(shí)際上應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的關(guān)鍵也是在于建立符合實(shí)際的隸屬函數(shù)。評(píng)價(jià)因素根據(jù)它的數(shù)據(jù)特征可分為定量因素和定性因素。對(duì)于定性因素，可采用專家經(jīng)驗(yàn)法、德爾菲法等方法確定其隸屬度。對(duì)于定量因素隸屬函數(shù)的確定方法有模糊統(tǒng)計(jì)方法和指派法。(4) 綜合評(píng)價(jià)求出權(quán)重向量A 與模糊矩陣R 之后則綜合評(píng)價(jià)模型B = A R （2）求出模糊集( )( ) ( ) ( ) = = +min j j i ij B b b b b b a r M11 2 , ,

6、 , 0 1 , , （3）權(quán)重向量A 在指標(biāo)多時(shí)，應(yīng)用層次分析法確定。2.2 層次分析法原理層次分析法是對(duì)一些較為復(fù)雜不易量化的問題做出決策的簡(jiǎn)易方法，是美國運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty 教授于20 世紀(jì)70 年代初期提出的一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法。其基本步驟包括建立問題的層次遞階結(jié)構(gòu)、確定比較判斷矩陣、層次單排序和層次總排序，具體過程詳見文獻(xiàn)11。3. 實(shí)例分析3.1 某露天煤礦防洪工程方案介紹該露天礦區(qū)位于鄂爾多斯黃土高原，地形、地貌屬黃土丘陵溝壑區(qū)的第一副區(qū)。由于風(fēng)蝕、水流向源侵蝕造成了黃土高原復(fù)雜的地形地貌，V 字型溝谷縱橫交錯(cuò)，樹枝狀的沖溝十分發(fā)育，原始黃土高原地貌被肢

7、解得支離破碎。露天礦區(qū)地形南高北低。根據(jù)該露天礦的開采方案，為解決露天礦的防洪問題提出了三種防洪工程布局和建設(shè)方案。方案攔洪壩+泵排方案：在對(duì)排土場(chǎng)和采掘場(chǎng)首采區(qū)有影響的11 條主溝和各支溝內(nèi)修筑15 座高標(biāo)準(zhǔn)攔洪壩，左岸以攔蓄為主，右岸滯、排結(jié)合。方案攔洪壩+排洪渠+壩系生物措施：對(duì)首采區(qū)有影響的11 條主溝和各支溝內(nèi)修筑15 座高標(biāo)準(zhǔn)攔洪壩為主體攔洪壩，左岸各溝以攔、蓄為主。為保證采掘坑的穩(wěn)定和減少上游淹沒損失，將大好賴溝和黑岱溝的洪水通過溢洪道形式排入十里長(zhǎng)川流域中。南坪溝、酸刺溝進(jìn)行排洪的可能性很小，應(yīng)采取淤地壩的逐級(jí)攔截洪水的方法，同時(shí)壩坡面采取水平溝、植物措施，來減弱洪峰流量和減少

8、徑流量，實(shí)現(xiàn)全攔全蓄，滿足礦區(qū)的部分用水。方案壩系工程：對(duì)首采區(qū)有影響的11 條主溝和各支溝內(nèi)修筑15 座高標(biāo)準(zhǔn)攔洪壩為-3-攔洪主壩，左岸較小的支溝對(duì)采掘場(chǎng)影響不是很大，以攔蓄為主，主要靠蒸發(fā)消耗水體；對(duì)首采區(qū)影響比較大的大好賴溝和主溝黑岱溝以及右岸的酸刺溝、南坪溝進(jìn)行壩系規(guī)劃，分片控制，在有條件的上游布設(shè)12 座小型壩庫防洪工程。各個(gè)防洪工程方案的主要特征見下表。表1 某露天煤礦各個(gè)防洪方案特征方案 方案 方案控制流域面積(km2) 93.53 93.53 92.21洪水總量(萬m3)P=1% 1037.89 1208.98 1272.10洪水總量(萬m3)P=0.33% 1320.76

9、1538.48 1618.86多年平均來沙量（104m3） 76.20 76.20 76.20淤積庫容（104m3) 1718.91 1718.91 1718.91淤積面積（hm2) 223.47 263.88 280.10壩系相對(duì)穩(wěn)定系數(shù) 0.02 0.03 0.03總庫容(萬m3)P=1% 2756.79 2927.89 3165.02總庫容(萬m3)P=0.33% 3039.66 3257.39 3528.71淹沒損失估算（萬元） 2765.51 2318.29 1686.99工程估算總投資（萬元） 8215.69 7551.02 9015.503.2 防洪工程方案決策評(píng)價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)根

10、據(jù)該露天煤礦防洪工程的具體要求和該區(qū)域氣象、水文條件，并充分咨詢專家的意見，反復(fù)調(diào)研、論證，在慎重考慮了設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)原則的基礎(chǔ)上，建立了露天煤礦防洪工程方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系決策結(jié)構(gòu)模型，如下圖1 所示。圖1 某露天礦防洪工程方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系遞階結(jié)構(gòu)模型-4-同時(shí)將各個(gè)因素的評(píng)價(jià)尺度分為5 個(gè)等級(jí)：最好0.9、好0.7、較好0.5、一般0.3、達(dá)不到防洪要求0.1。具體的該露天礦防洪工程方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)由于內(nèi)容較多，不在本文列出。3.3 露天煤礦防洪工程方案決策確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重W，W=（w ,w , ,wn 1 2 采用2.2 節(jié)的層次分析法確定各因素的權(quán)重，根據(jù)圖1，構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算各級(jí)

11、因素相對(duì)重要度并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果見表26。表2 相對(duì)于目標(biāo)層A 的準(zhǔn)則層層次單排序A B1 B2 B3 B4 W C.IB1 1 2 1/3 3 0.245B2 1/2 1 1/3 2 0.157B3 3 3 1 4 0.505B4 1/3 1/2 1/4 1 0.0930.042 0.1可接受表3 相對(duì)于準(zhǔn)則B1 的指標(biāo)層層次單排序B1 C1 C2 C3 C4 W1 C.IC1 1 1/3 1/2 1 0.147C2 3 1 2 2 0.429C3 2 1/2 1 1/2 0.194C4 1 1/2 2 1 0.2300.08 0.1可接受表4 相對(duì)于準(zhǔn)則B2 的指標(biāo)層層次單排序B2

12、 C5 C6 C7 W2 C.IC5 1 1/2 1/4 0.136C6 2 1 1/3 0.239C7 4 3 1 0.6250.014 0.1可接受表5 相對(duì)于準(zhǔn)則B3 的指標(biāo)層層次單排序B3 C8 C9 W3 C.IC8 1 1/2 0.667C9 2 1 0.3330 0.1可接受表6 相對(duì)于準(zhǔn)則B4 的指標(biāo)層層次單排序B4 C10 W4 C.IC10 1 1 00.1 可接受確定評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣R評(píng)價(jià)專家的選擇是做好評(píng)價(jià)工作的關(guān)鍵。在選擇專家時(shí)，要針對(duì)決策方案的內(nèi)容，邀請(qǐng)從事預(yù)先研究工作、學(xué)術(shù)造詣?shì)^高、學(xué)術(shù)思想活躍、熟悉被評(píng)價(jià)項(xiàng)目學(xué)科領(lǐng)域的國內(nèi)外發(fā)展-5-情況、有評(píng)議分析能力、學(xué)風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)、

13、做事公正的學(xué)術(shù)專家，以及業(yè)主方的主管人員和地方代表。此外，評(píng)價(jià)人員的選擇，既要考慮專業(yè)對(duì)口，又要考慮知識(shí)的覆蓋面和不同的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、不同單位的代表。為了保證決策的公正性，評(píng)價(jià)組在充分了解問題后，以獨(dú)立的方式進(jìn)行評(píng)判、打分。本項(xiàng)目中，從水利規(guī)劃、水工結(jié)構(gòu)、露天開采、防災(zāi)減災(zāi)、水土保持、環(huán)境評(píng)價(jià)、項(xiàng)目管理等相關(guān)領(lǐng)域邀請(qǐng)了9 名專家組成評(píng)價(jià)小組。根據(jù)各個(gè)防洪方案的主要特征（見表1），結(jié)合各個(gè)方案設(shè)計(jì)和各方面的影響，9 名專家分別對(duì)各個(gè)方案按評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行了打分，其對(duì)方案得分見表7。表7 專家對(duì)方案的打分表評(píng)價(jià)因素 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C100.9 0 0 3 3 0

14、 2 0 6 3 00.7 4 6 4 5 2 5 4 2 2 40.5 4 3 2 1 4 2 4 1 3 50.3 1 0 0 0 3 0 1 0 1 0評(píng)價(jià)尺度0.1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0        對(duì)防洪工程方案：攔洪壩+泵排方案，對(duì)評(píng)價(jià)因素C1 有4 位專家認(rèn)為好，有4 位專家認(rèn)為較好，有1 位專家認(rèn)為一般，計(jì)算各評(píng)價(jià)尺度的隸屬度如下：0 / 9 0, 4 / 9 0.44, 4 / 9 0.44, 1/ 9 0.11, 0 / 9 0 11 12 13 14 15 r = = r

15、= = r = = r = = r = =同理可以計(jì)算其他各評(píng)價(jià)因素的隸屬度，得到B1、B2、B3、B4 的隸屬度矩陣如下： =0.33 0.56 0.11 0 00.33 0.44 0.22 0 00 0.67 0.33 0 00 0.44 0.44 0.11 0R1 =0 0.44 0.44 0.11 00.22 0.56 0.22 0 00 0.22 0.44 0.33 02 R=0.33 0.22 0.33 0.11 00.67 0.22 0.11 0 03 R 0 0.44 0.56 0 0 4 R =一級(jí)評(píng)價(jià)綜合評(píng)定向量的計(jì)算如下：( )(0.1399 0.5663 0.2742

16、0.0162 0 )0.33 0.56 0.11 0 00.33 0.44 0.22 0 00 0.67 0.33 0 00 0.44 0.44 0.11 00.147 0.429 0.194 0.23 1 1 1= B =W ( )(0.056 0.4388 0.398 0.1136 0 )-6-( )(0.557 0.22 0.18 0.04 0)0.33 0.22 0.33 0.11 00.67 0.22 0.11 0 00.667 0.333 3 3 3=B =W 二級(jí)綜合評(píng)價(jià)通過以上的計(jì)算，可得方案的隸屬度矩陣： =0 0.44 0.56 0 00.557 0.22 0.18 0.0

17、4 00.056 0.4388 0.398 0.1136 00.1399 0.5663 0.2742 0.0162 0R計(jì)算綜合評(píng)定向量B( )(0.324 0.36 0.273 0.04 0)0 0.44 0.56 0 00.557 0.22 0.18 0.04 00.056 0.4388 0.398 0.1136 00.1399 0.5663 0.2742 0.0162 00.245 0.157 0.505 0.093= B =W 計(jì)算防洪方案的優(yōu)劣度方案優(yōu)劣度為：( ) 0.6920.10.30.50.70.91 0.324 0.36 0.273 0.04 0 = P = B 由此可知方

18、案對(duì)該露天煤礦防洪來講，是一個(gè)比較好的防洪工程方案，同理可以求出防洪方案、的優(yōu)劣度：P2=0.625 ；P3=0.856。根據(jù)決策結(jié)果，針對(duì)該露天煤礦防洪三個(gè)方案的優(yōu)劣順序?yàn)椋悍桨?、方案、方案? 結(jié)論建立的露天煤礦礦防洪工程方案評(píng)價(jià)體系的遞階層次結(jié)構(gòu)模型，充分考慮了礦山開采的防洪和區(qū)域生態(tài)、環(huán)境保護(hù)的綜合要求，不同層次的定性因素和定量因素的綜合影響也包含在評(píng)價(jià)當(dāng)中，使露天礦防洪工程方案的評(píng)價(jià)較為直觀有效。對(duì)露天礦防洪工程方案評(píng)價(jià)體系層次結(jié)構(gòu)中的準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的確定要根據(jù)不同的項(xiàng)目，具體研究確定。其中不同因素間的相互關(guān)系如果能定量的表達(dá)，決策的可信度更高。-7-參考文獻(xiàn)1解家畢,孫東亞,丁留謙

19、.防洪工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題J.水利水電技術(shù)2007,38(2):60-64.2劉方貴, 夏岑嶺.灰色綜合評(píng)判法在城市防洪規(guī)劃方案選擇中的應(yīng)用J.山東水利,2001,(2):32-33.3金菊良,魏一鳴,付強(qiáng)等.城市防洪規(guī)劃方案的綜合評(píng)價(jià)模型J.水利學(xué)報(bào),2002,(11):20-26.4劉方貴,張金存,孫玉琢等.城市防洪規(guī)劃方案的綜合評(píng)價(jià)J.水電能源科學(xué),2006,24(4):28-30.5常小會(huì).模糊優(yōu)選理論在防洪規(guī)劃方案優(yōu)選中的應(yīng)用J. 江淮水利科技,2008,(3):15-16.6肖圣菊,劉繼華,劉長(zhǎng)元.城市防洪規(guī)劃方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其權(quán)重的確定J.山東水利,2008(1):32-24.7唐開杰.哈爾烏素露天煤礦庫壩防洪方案的選擇J.露天采礦技術(shù),2007(3):25-27.8郭昭華.哈爾烏素露天煤礦壩系防洪工程方案的選擇J.煤炭工程,2006(3):13