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新疆中小水库健康评价模型构建及应用实例

时间:2020-09-22 来源:西安理工大学 本文字数:7052字
作者:曹亮 单位:西安理工大学
  摘  要
  
  新疆处于气候较为干旱的内陆地区,而且新疆地区正处于经济跨越式发展、加快实施新型工业化进程的关键时期,工业、农业及生活用水需求量大。兴建水库是解决水资源供需矛盾的重要手段,但在长时间高效利用水资源的同时,产生了库容损失、淤积上延等诸多水库自身及上下游河段的健康问题。对水库的健康状况进行评价分析,探讨维持和恢复水库健康的具体措施,有助于提升水资源利用率、解决社会资源供需矛盾。


新疆中小水库健康评价模型构建及应用实例
 
  
  本文根据新疆中小型水库与河流、生态系统的关系,以及新疆中小型水库的特征,提出一种以水库, 河流,生态系统和社会服务为系统的新疆中小型水库健康的概念。构建的新疆中小型水库健康评价体系的目标层为新疆中小型水库健康评价,包括4个准则层,16 个评价指标。其中,指标层包含大坝工程质量指数、大坝稳定指数,河床河岸稳定性、渗流安全指标、运行管理指标等16项。并以理想状态、健康、亚健康、病变、危情为新疆中小型水库的健康状况的评价等级。
  
  根据确定的指标权重和制定的评估标准,构建了新疆中小型水库健康评价模型,利用层次分析法和模糊综合评价法进行综合评价。首先通过层次分析法对新疆中小型水库评价模型的指标层重要性进行成对比较而获得的通过数学方法获得上一层的元素以及每个级别的权重:然后在此基础上,针对每个评估指标提出详细评估方法:再利用模糊综合评价法,构建层次分析法和模糊综合评价法进行综合评价的新疆中小型水库健康评价模型。
  
  通过新疆中小型水库健康评估模型评估新疆中小型水库的健康状况。由目标层模糊综合评价结果得出新疆某水库的健康隶属度分别为:理想状态0.226、健康0.235、亚健康0.195、病变0.089、危情0.055。根据最大隶属度原则得出新疆某水库的健康状况为“健康”。本文通过对中小型水库的健康评价,为政府和新疆中小型水库管理者提供相关的新疆中小型水库治理方向,为新疆中小型水库的健康发展提供科学依据。
  
  关键词:    新疆中小型水库;水库健康评估:层次分析法:模糊综合评价法.
  
  ABSTRACT
  
  Xinjiang is in an inland region with a rlativly dry elimate, and Xinjiang is in a eitical period of economic leapfrog development and acclerating the implementation of new industrialization processes. There is a large demand for water for industry, agriculture and domestic life. The construction of reservoirs is an important means to resolve the contradiction between supply and demand of water resources. However, while fficientlty using water resourees for a long time, it has caused many health problems of the reservoir itself and upstream and downstream rivers such as storage capacity loss and siltation extension. Evaluation and analysis of the health status of the reservoir, and discussion of specific measures for maintaining and restoring the health of the reservoir will help increase the utilization rate of water resources and resolve the contradiction between supply and demand of social resources. Based on the characteristics of Xinjiang reservoirs,this paper proposcs a health cvaluation system for small and medium-sized reservoirs in Xinjiang.
  
  Based on the relationship between Xinjiang small and medium-sized reservoirs and rivers,ecosystems, and the characteristics of Xinjiang small and medium-sized reservoirs, this paper proposes a new concept of health of Xinjiang small and medium-sized reservoirs based on reservoirs, rivers, ecosystems, and social services. The target layer of the health assessment system of Xinjiang small and medium-sized reservoirs is the health assessment of Xinjiang small and medium. sized reservoirs. The criterion layer includes the structural safety of the reservoir, the healthy function of the ecological environment of the reservoir, the benefits of social services and the stability of the reservoir health. There are 16 items such as dam stability index, riverbed stability, seepage safety index and operation management index. And the ideal, healh, sub health, disease, and crisis are the evaluation levels of the health status of small and medium-sized reservoirs in Xinjiang.
  
  The determination of indicator weights is mainly based on consuting relevant lteraure,r consuling relevant experts, etc. The evaluation standrds are mainly formulated by consuling relevant laws and regulations, analyzing historical data, and esablising AHP and fuzzy comprehensive evaluation methods for synthesis according to the determined index weights  and the established evaluation standards Evaluation of the health evaluation model of small and medium-sized reservoirs in Xinjiang. Firstly, the importance of the index layer of Xinjiang small and medium-sized reservoir evaluation model is compared in pairs by analytic hierarchy process.
  
  The elements of the upper layer and the weight of each level are obtained by mathematical methods; then on this basis, for each evaluation The index proposes a detailed evaluation method; reuse fuzzy comprehensive evaluation method to build a health evaluation model of small and medium-sized reservoirs in Xinjiang for comprehensive evaluation by AHP and fuzzy comprehensive evaluation method.
  
  The health status of small and medium-sized reservoirs in Xinjiang is evaluated by the health assessment  model  of  small  and  medium-sized  reservoirs  in  Xinjiang. According  to  the  fuzzy comprehensive evaluation results of the target layer, the health subordination degrees of a reservoir in Xinjiang are: ideal state 0.226, health 0.235, sub-health 0.195, pathological change 0.189 and critical situation 0.155. According to the principle of maximum membership, the health status of a reservoir in Xinjiang ishealth. In this paper, through the health evaluation of small and medium-sized  reservoirs,  the  government  and  the  managers  of  small  and  medium-sized  reservoirs  inXinjiang  will  be  provided  with  relevant  management  direction  of  small  and  medium-sized reservoirs in Xinjiang and scientific basis for the healthy development of small and medium-sized reservoirs in Xinjiang.
  
  Keywords:      Xinjiang  small  and  medium-sized  reservoirs;  reservoir  health  assessment;  analytic hierarchy process; fuzzy comprehensive evaluation method。
  
  1、前 言
 
  
  1.1、研究背景及意义。

  
  逐水择居,是一种人类在发展中适应大自然的生存本能,地域气候差异直接或间接地导致了各区域水资源分配不均衡,修建水库,南水北调,合理利用江河水资源成为人类为适应社会发展、解决水资源供需矛盾的手段。新疆维吾尔族自治区作为西部大开发战略实施的地区之一,目前社会经济已进入加速发展阶段。水库是新疆水利水电工程重要的组成部分,水库的修建对于新疆水资源的高效利用有着重要作用。建国伊始,为了高效处理新疆水资源供需问题,先后修建了数量众多、质量参差不齐的大中小型水库,截止2017年末,新疆共修建水库477余座,其大中小水库的数量之比为13:92:372,总库容为65.3千万立方米,库容量之比为21.54:29.9(千万立方米)。在农业灌溉、畜牧业养殖、工业以及水利发电等方面有显着成效。保证了新疆地区经济高速发展,社会长治久安和文化繁荣昌盛。由于大多水库修建初期,受工程技术不发达、材料设备不完备的影响,工程质量和水库基础设施难以保障,以至于有相当一部分水库工程的维修和养护工作难以正常进行,出现病险情况的水库就达到了203座,水库在生产实践过程中效率只达到了最初设计的百分之七十。自治区境内山脉和盆地交错,这导致直接大多数为内流区,仅存在极少部分低洼地区积水形成湖泊,基于上述地理特征,也使得新疆地区的水资源开发利用难度急剧提升,使得很多水库过度集中于开发水资源。
  
  虽然这些水库在后期进行了除险加固,但是由于新疆很大一部分水库由于工程质量以及基础设施先天不足,信息管理以及运行制度后期不良,水域划分不明确,早期环境保护力度不足等弊端,未从根本上解决水资源低效利用、库区淤积严重与富营养化、效益衰减和水环境污染等诸多问题,这些问题不仅会影响水库效益的正常发挥,还会阻碍社会经济的发展。
  
  分析研究新疆典型水库的健康问题是新疆产业转型升级、社会经济振兴发展的基础,是解决水资源供需矛盾的根本,研究分析新疆水库的健康问题、研究水库健康的主要影响因素,提出相应的水库治理措施不仅可以为今后水库的除险加固提供依据,而且有助于更好地提升水库效益、有助于更高效地开发利用水资源、有助于更快速地促进水环境生态文明建设。
  
  1.2、国内外水库健康研究进展。
  
  1.2.1、水库健康的研究现状。

  
  1980年前后人类广泛谈及的一个热点就是生存环境和资源问题,因为这个问题在生态系统健康发展中扮演者重要的角色。
  
  Schaeff等提出了"生态健康系统"的概念,对水库的健康评价也进行了初步探索,定义了生态健康系统和生态系统及评价指标。如今Costanza等学者认为只有一个生态系统是稳定并可持续发展,而且当受到外界胁迫时,自身组织结构的功能性和完整性能得到维持,才能说这个系统健康。到目前为止对于生态健康系统的定义仍然没有达成一致,但大部分专家学者认为:
  
  健康的生态系统应该有一定的活力,并且随着时间的系统的组织结构不会退化,而且具有一定的抗干扰力及一定恢复力,能够使得水库自身健康能够稳定且可持续发展。王浩在探讨水库健康内涵时,依据水库健康内涵构建了对应的水库健康评价体系。在不同水库对应的评价指标体系中,也会相应的发生改变,合理的选择评价指标成为了准确评价水库健康评价的关键点。
  
  a. 国外水库健康研究现状。
  
  水库健康系统是一个从生态概念中探索出的新方向。目前国外对水库健康系统探究还不是很多。由于目前对水库的管理重心由保护演变成自我恢复,从而对水库的健康评价方向也从水质改为了生态质量的评价。1970年前后,西方发达国家热衷于在生物评价指标中加入水库健康评价指标[34],水库系统健康选用鱼类和藻类等水生生物作为评价指标[35]。
  
  EPA提出"Healthy Water shed s Initiative(HWI)"和建立比较完整的水库健康评价体系,不同的水库根据该体系制定评价水库污染程度并提出对应的解决方案,提出60个可以评价调整后水库的健康指标,这些指标主要由生态容量、压力暴露与社会环境三个大类组成。美国环境保护署在该文提出了水库健康评估的六个不同的方面,各州根据自身情况决定是否采用上述澳门新浦京553311com 以作为该州水库评估系统的指标。
  
  现阶段,国外对水库健康评价的研究存在一定的局限性,还仅仅停留在水质评价上。评价指标为物理指标、化学指标、水文指标,且几乎不采用生物特性指标。水库健康包含但不仅限于对水质评价,还需从其他方面来研究水库健康程度,如水库周边植被的健康程度等。
  
  b. 国内水库健康研究现状。
  
  由于我国在江河健康的环境生态综合整治的工作开始的比较晚,目前水库健康评估体系的建立还在初步阶段,对水库健康评价的理解也是刚刚起步。肖金凤等[10]在水库健康方面的澳门新浦京553311com 认为应该从功效和生态环境两个影响方面来看待,水库项目功能效率良好是指该水库的设计功能能够长期高效地工作;水库生态系统的健康主要分析其物种的多样性、物种流动的顺畅性、食物链结构的复杂性和完整性、物资循环程度、能量的流动性。高永胜把健康水库的涵义总结为水库是否安全,周边生态系统是否健康,水库下游生态环境是否能够有很好的支撑度与影响程度的高低。专家打分利用层次分析法(AHP)计算出每项性能指标的权重,最终生成综合评价指标,但未能给出明确的健康水库的标准。通过再次探究健康水库的内涵,健康水库的评价模型的被从安全、经济、生态等三方面进行了总结定义。此外,水库坝体安全程度、水库运营效益程度及水库周边生态环境在魏海等人看也可以作为水库健康的指标。吴腾等人认为“水库健康是指在不破坏生态环境的前提下,水库预期的功能有效发挥,且具有可持续性发展性,实质是能够保持系统各部分间的相对平衡、保持系统功运转、保持自我调整完善的能力”[39]。刘新阳等人将模糊优先模型为最优方案的结果通过兼容度和差异度的灰色关林分析法的和灰关联定权法结合生成。与福兰及陈昊分别对大伙房水库和鸡心石水库进行水库健康评估。近年来,我国在搭建水库健康评价体系中有很深的研究。魏海等在评价水库的健康程度时,建立了搭建综合指数模型。寝窝水库的健康方面王霄宇专家进行了评价,包括围坝安全、社会效益、生态效应以及健康稳定的综合评价体系别岳强等教授提出。
  
  综上所述,关于水库健康的相关学术研究中,水库都大同小异地充当了主体,并且着重于研究维持水库的生命及功能健康。如果仔细研究,从历史的长河中可以发现,河流的生态价值同人类的价值是相互统一的。在研究水库健康的概念中寻求出有价值的功能,寻求其中存在的相互关系,这不仅对人类而是对自然界都有很重要的意义,这也是当今社会水库健康研究的关键问题。
  
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  1.2.2、水库健康评价体系发展趋势
  1.2.3、水库健康评价方法研究现状.
  1.3、研究内容与技术路线
  1.3.1、研究内容.
  1.3.2、技术路线
  
  2、相关理论.
  
  2.1、水库对河流系统的影响
  2.1.1、水库对河流水文的影响.
  2.1 2、水库对生态环境的影响
  2.1.3、水库对社会生产生活的影响.
  2.2、水库健康的涵义.
  2.2.1、中小型水库的定义.
  2.2.2、中小型水库健康的基本概念.
  2.3、水库健康的尺度划分研究.
  2.3.1、空间尺度划
  2.3.2、时间尺度划分
  2.4、水库健康的影响因素分析.
  2.4.1、人为影响因素
  2.4.2、自然影响因素
  2.5、水库健康评价方法研究
  2.6、本章小结.
  
  3、新疆中小型水库健康评价指标体系.
  
  3.1、研究区域概况.
  3.2、确立水库健康评价指标的概念.
  3.3、新疆中小型水库健康评价指标选取原则.
  3.4、建立新疆中小型水库评价指标体系.
  3.5、新疆中小型水库相关健康评定指标.确.
  3.5.1、水库结构安全指标确定.
  3.5.2、水库生态系统功能的健康指标确定.
  3.5.3、社会服务效益指标确定.
  3.5.4、水库健康稳定指标确定
  3.6、本章小结.
  
  4、新疆中小型水库健康评价模型.
  
  4.1、水库健康评价方法的确定
  4.2、层次分析法与模糊综合评价法.
  4.3、水库健康评价层次分析法的构建.
  4.3.1、决策问题的空间物体参考坐标系的分.
  4.3.2、建立递阶层次结构
  4.3.3、构造判断矩阵.
  4.3.4、层次单排序
  4.3.5、层次总排序
  4.4、运用模糊综合评价法.
  4.4.1、评价系统的层次分析.
  4.4.2、各层次权重的确定.
  4.4.3、评价等级标准集的确定.
  4.4.4、建立隶属度矩阵.
  4.4.5、分层模糊评价
  4.4.6、评价结果处理
  4.5、新疆中小型水库健康评价模型建立
  4.5.1、水库健康判断矩阵的建
  4.5.2、水库健康各重级指标权的确定.
  4.5.3、水库健康模型各层权重结果分析
  4.5.4、水库健康模糊评价等级指标特征.
  4.6、本章小结.
  
  5、案例分析.
  
  5.1、研究水库概况
  5.1.1、水文气象
  5.1.2、水库渗漏
  5.1.3、库岸稳定
  5.1.4、淹没、浸没与
  5.1.5、边坡稳定.
  5.1.6、库区环境
  5.2、中小型水库健康评价模型在新疆某水库中的应用
  5.2.1、各指标实测资料收集.
  5.2.2、水库结构安全指标.
  5.2.3、水库生态环境功能健康指标.
  5.2.4、社会服务效益指标
  5.2.5、水库健康稳定指标分析.
  5.3、新疆某水库健康模糊评价
  5.3.1、新疆某水库健康隶属度矩阵.
  5.3.2、新疆某水库分层模糊评价.
  5.3.3、新疆某水库健康总体评价.
  5.4、评价结果分析,
  5.4.1、总体健康状况分析.
  5.4.2、准则层健康分析.
  5.4.3、指标健康隶属度分析.
  5.5、新疆某水库保护对策

  6、  结  论

  根据新疆典型中小型水库的特地,结合水文学、水力学、河床演变学、以及生态环境学等多个学科,对水库健康的相关理论以及评价方法进行了分析研究,最后以新疆某水库作为新疆典型中小型水库的代表,评价得出了新疆某水库的健康状况。具体如下:

  (1)将中小型水库健康的定义为:水库结构安全合理、能满足其影响区域的灌溉、防洪、发电等需求。在自然因素和人为因素的影响下,水库自身系统和结构可长期保持稳定,水库功能不受影响,各项效益发挥正常,其上下游河段等所在区域的生态系统可良性循环。

  (2)确定了评价体系的时空尺度,根据新疆中小型水库自身的特点,水库健康评价的空间尺度定为水库的影响区域,评价的时间尺度是一个水文年。在此基础上,构建了包含4个准则层、16个评价指标在内的新疆中小型水库评价体系。选取层次分析法对评价体系中各指标进行赋权,并结合模糊评价法,对新疆中小型水库进行了模糊健康评价。

  (3)以新疆某水库为例,运用本文构建的模糊综合评价法对其进行水库健康评价。其中,大坝稳定、渗流安全、防洪指标、供水保证率以及水库流量保证率等指标的健康状况均为理想状态,库区植被、最小生态需水量、河段河槽淤积的健康状态最差。通过对水库的评价分析,可有效地提升水库的管理质量,为水库管理者提供有效的水库信息。

  参考文献

  原文出处:曹亮.基于AHP的新疆中小型水库健康评价分析.2020.西安理工大学,MA thesis.
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