一种基于改进可变模糊集理论的溃坝环境影响评价方法

1.本发明属于大坝风险后果评价技术领域，具体涉及一种基于改进 可变模糊集理论的溃坝环境影响评价方法。


背景技术：

2.水利工程的建设为人类社会的进步和发展作出了重要贡献，而随 着大坝数量的建设以及国内外溃坝事故的发生，人们对溃坝所造成损 失的可接受度逐年下降。而溃坝环境影响方面的研究则较为匮乏。
3.因缺少重视程度以及相关准则规范，现有的研究中对评价体系的 建设缺乏全面性和科学性，更多关注于河道以及河道中的水质等直接 影响，未考虑由此导致的间接影响；而在权重计算时，大多也亦选择 单一的主观或客观的权重计算方法，导致过于主观或过于客观等极端 情况出现；现有的如灰色关联度法、模糊数学法、灰色物元法等评价 方法大多以最大隶属度或最大关联度判断待评对象的评价等级，此方 式容易导致部分信息的缺失，使判断结果不够明晰。故，本发明所建 立的评价指标体系和采用的改进可变模糊集模型可综合、准确、定量 的确定出溃坝环境影响的严重等级，为决策者采取相应措施提供参考。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于改进可变模糊集理论的溃坝环境 影响评价方法，旨在解决缺少溃坝环境影响评价相关准则规范的基础 上，目前已有的研究中评价指标选择不够科学全面，评价指标较为笼 统，定性指标过多且独立性较差的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于改进可变模糊集理论的溃坝环境影响评价方法，包括：
7.构建溃坝环境影响评价指标体系，所述评价指标体系包括目标层、 准则层、指标层和元指标层，所述目标层为待评溃坝环境影响评价指 标；
8.采用简化层次分析法分别计算所述元指标层、指标层及准则层的 权重，记为第一权重；
9.采用熵权法分别计算所述元指标层、指标层及准则层的权重，记 为第二权重；
10.根据所述第一权重和第二权重采用组合赋权法分别计算所述元 指标层、指标层及准则层的综合权重；
11.建立溃坝环境影响评价等级标准，所述评价等级标准包括k个评 价等级；
12.采用delphi法建立所述待评溃坝环境影响评价指标的取值准则；
13.根据所述综合权重和取值准则采用改进可变模糊集理论计算综 合相对隶属度；
14.对所述综合相对隶属度进行归一化，得到综合相对隶属度矩阵；
15.根据所述综合相对隶属度矩阵和评价等级的个数k计算溃坝环 境影响评价的级别特征值；
16.根据所述溃坝环境影响评价等级标准和级别特征值得到待评溃 坝环境影响的评价等级。
17.可选的，所述准则层包括危险性a1、自然环境a2、人居环境 a3和生态环境a4四个视角。
18.可选的，所述采用熵权法分别计算所述元指标层、指标层及准则 层的权重，记为第二权重，包括：
19.分别针对元指标层、指标层和准则层建立评估决策矩阵；
20.对所述评估决策矩阵进行标准化处理，得到第一结果；
21.根据所述第一结果计算第i个待评指标输出的熵值e
i
， i＝1,2,3,
…
,m，m为待评指标总数；
22.根据所述熵值e
i
计算第i个待评指标的熵值权重γ
i
， i＝1,2,3,
…
,m，m为待评指标总数；
23.根据所述熵值权重γ
i
构建待评指标权重值集合 γ
i
＝[γ1,γ2,γ3,
…
,γ
m
]
t
，记为第二权重。
[0024]
可选的，采用公式分别计算所述 元指标层、指标层及准则层的综合权重，其中，ω
i
＝[ω1,ω2,ω3,
…
,ω
m
]
t
为综合权重，γ
i
为第二权重，为第一权重，m为待评溃坝环境影 响评价指标的个数。
[0025]
可选的，所述根据所述溃坝环境影响评价等级标准和级别特征值 得到待评溃坝环境影响的评价等级步骤之后还包括：
[0026]
根据所述待评溃坝环境影响的评价等级确定应急处置方案。
[0027]
可选的，采用公式计算综合相对隶 属度，其中，u
k
为综合相对隶属度；m为待评溃坝环境影响评价指 标的个数；ω
i
为第一权重；α为可变优化准则参数，α＝1即最小一乘 方准则，α＝2为最小二乘方准则；p为可变距离参数，p＝1为海明 距离，p＝2为欧式距离；参数α和p可形成4种参数组合，即α＝1,p＝1， α＝1,p＝2，α＝2,p＝1，α＝2,p＝2。
[0028]
可选的，采用公式计算溃坝环境影响评价的级别特 征值，其中，为综合相对隶属度矩阵，k为评价等级的个数，h为 溃坝环境影响评价的级别特征值。
[0029]
可选的，所述溃坝环境影响评价等级标准包括：
[0030][0031]
其中，k为评价等级的个数，h为溃坝环境影响评价的级别特征 值，c为所设立评价等级的上限值。
[0032]
可选的，所述危险性a1的指标层评价指标包括工程规模a11； 自然环境a2的指标层评价指标包括河道形态a21、水环境a22、土 壤环境a23、空气质量a24；人居环境a3的指标层评价指标包括重 要设施a31、自然景观a32、文化景观a33；生态环境a4的指标层 评价指标包括植被损毁a41、生物多样性a42、疾病传播a43、农林 渔减产a44。
[0033]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0034]
本发明解决了缺少溃坝环境影响评价相关准则规范的基础上，目 前已有的研究中评价指标选择不够科学全面，评价指标较为笼统，定 性指标过多且独立性较差的技术问题。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来 讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。
[0036]
图1为本发明基于改进可变模糊集理论的溃坝环境影响评价方 法流程图。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
[0038]
本发明的目的是提供一种基于改进可变模糊集理论的溃坝环境 影响评价方法，旨在解决缺少溃坝环境影响评价相关准则规范的基础 上，目前已有的研究中评价指标选择不够科学全面，评价指标较为笼 统，定性指标过多且独立性较差的技术问题。
[0039]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结 合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0040]
本发明提供了一种基于改进可变模糊集理论的溃坝环境影响评 价方法，如图1所示，包括：
[0041]
步骤101：构建溃坝环境影响评价指标体系，所述评价指标体系 包括目标层、准则层、指标层和元指标层，所述目标层为待评溃坝环 境影响评价指标；
[0042]
步骤102：采用简化层次分析法分别计算所述元指标层、指标层 及准则层的权重，记为第一权重；
[0043]
步骤103：采用熵权法分别计算所述元指标层、指标层及准则层 的权重，记为第二权重；
[0044]
步骤104：根据所述第一权重和第二权重采用组合赋权法分别计 算所述元指标层、指标层及准则层的综合权重；
[0045]
步骤105：建立溃坝环境影响评价等级标准，所述评价等级标准 包括k个评价等级；
[0046]
步骤106：采用delphi法建立所述待评溃坝环境影响评价指标的 取值准则；
[0047]
步骤107：根据所述综合权重和取值准则采用改进可变模糊集理 论计算综合相对隶属度；
[0048]
步骤108：对所述综合相对隶属度进行归一化，得到综合相对隶 属度矩阵；
[0049]
步骤109：根据所述综合相对隶属度矩阵和评价等级的个数k计 算溃坝环境影响评价的级别特征值；
[0050]
步骤110：根据所述溃坝环境影响评价等级标准和级别特征值得 到待评溃坝环境影响的评价等级。
[0051]
步骤101具体包括：
[0052]
通过分析溃坝行为的主要特征，研究各类型环境要素之间的关联 性，基于此建立系统全面的溃坝环境影响评价指标体系，将评价系统 划分为目标层、准则层、指标层、元指标层；
[0053]
其中，目标层、准则层、指标层和元指标层是针对评价体系的一 个划分定义，本发明中“溃坝环境影响评价指标体系”为研究的目标， 即定义为目标层；而第二列的“危险性、自然环境、人居环境和生态 环境”即为准则层，第三列的“工程规模、河道形态、水环境等”即为 指标层，第四列的“大坝坝高、水库库容、泥沙淤积等”即为元指标层。 各层之间属于一个包含递进的关系，目标层的作用即明确评价目标和 对象，属于人为定义的一个名称，该名称目前在行业内是公认的，本 发明的目标即为溃坝环境影响评价。
[0054]
(1)本发明摒除以往针对溃坝环境影响研究中单一只有准则层 的视角，将以危险性a1，自然环境a2，人居环境a3和生态环境a4 四个视角综合衡量溃坝环境影响的严重程度，并将以上指标作为准则 层指标，构成溃坝环境影响评价指标体系；
[0055]
(2)步骤(1)所述中的危险性a1的指标层评价指标为工程规 模a11；自然环境a2的指标层评价指标为河道形态a21、水环境a22、 土壤环境a23、空气质量a24；人居环境a3的指标层评价指标为重 要设施a31、自然景观a32、文化景观a33；生态环境a4的指标层 评价指标为植被损毁a41、生物多样性a42、疾病传播a43、农林渔 减产a44；
[0056]
(3)步骤(2)所述中的工程规模a11的元指标层评价指标为 大坝坝高a111、水库库容a112；河道形态a21的元指标层评价指标 为泥沙淤积a211、河流改道a212；水环境a22的元指标层评价指标 为悬浮物a221、沉积物a222、重金属a223；土壤环境a23的元指 标层评价指标为土壤酸碱度a231；空气质量a24的元指标层评价指 标为空气质量指数a241；重要设施a31的元指标层评价指标为居民 住房a311、交通干线a312、工矿企业a313、水利工程a314、军事 设施a315、医院a316、学校a317；自然景观a32的元指标层评价 指标为自然保护区a321、风景园林a322；文化景观a33的元指标 层评价指标为文物古迹a331；植被损毁a41的元指标层评价指标为 耕地a411、林地和草地a412、湿地a413；生物多样性a42的元指 标
层评价指标为繁衍受损a421；疾病传播a43的元指标层评价指标 为有毒或放射性物质a431；农林渔减产a44的元指标层评价指标为 同比减产a441；
[0057]
步骤102具体包括：
[0058]
建立各指标层的指标间的两两比较关系，摒除层次分析法中1～9 标度的多层级体系，设置双等级对比准则，由专家判断指标a和b 的重要性“一致(1:1)”和“略大(1.354:1)”，以任意两指标对比之后 的结果为基础，进行层级递进式分析，令m为待评指标总数， i＝1,2,3,
…
,m，进而获取同级别待评指标的权重值也就是第一权 重；
[0059]
其中两两对比要落实在每一层指标，即a1、a2、a3和a4为一 层，该层指标间相互比较，确定该层指标间的权重，而a21、a22、 a23和a24指标又为一层，两两比较确定该层各指标间权重，到a221、 a222、a223时又作为一层指标相互比较，并确立本层指标权重，待 分别计算完成后，以三层间指标权重值乘积的方式体现出元指标层相 对于目标层的权重值，即为后续计算中所需要的第一权重值。
[0060]
此处以元指标“居民住房”举例如下：
[0061]
居民住房为a311，其隶属于a31重要设施之内，而a31又隶属 于a3人居环境之内，假设，a1到a4之间两两比较后得出a3权重 值为0.25，继续对a31到a33之间做比较，得到a31权重值为0.4， 此时再对a311到a317之间作比较，得到a311的权重值为0.2，则 居民住房相对于目标层这个评价体系而言，其权重值即为 0.25*0.4*0.2＝0.02，该值即为后期代入评价公式计算时，居民住房这 一指标的综合权重值。其他指标均依照该方式计算。此处要明确的一 点是，在后期代入计算时，各指标的综合权重即指本评价体系中所有 元指标层评价指标的综合权重。
[0062]
此外，在计算过程中，需要分别计算每一层指标相对于上一层指 标的权重值，如a111和a112相对于a11的权重值，a411、a412 和a413相对于a41的权重值，以及a41、a42、a43和a44相对于 a4的权重值等，待均计算完成后，即可得到a411相对于目标层a 的权重值，该值即为元指标层综合权重值，也是后期代入计算所需的 第一权重值。
[0063]
需要注意的是，所有的权重计算最终都为得到元指标层的各指标 相对于目标层的权重值，及综合权重。
[0064]
步骤103具体包括：
[0065]
(1)分别针对元指标层、指标层和准则层建立评估决策矩阵 c＝(c
ij
)
mn
，i＝1,2,3,
…
,m，j＝1,2,3,
…
,n，m为待评溃坝环境影 响评价指标的个数，n为评估专家人数，则c
ij
即代表第j个专家对第 i个待评指标的评分值；
[0066]
(2)将获取的评估决策矩阵标准化，即s＝(s
ij
)
mn
，为了简化 描述，后续用s
ij
表示标准化之后的评估决策矩阵；
[0067]
(3)计算第i个待评指标输出的熵值e
i
，即其中n为评估专家的人数；
[0068]
(4)计算第i个待评指标的熵值权重γ
i
，即，即m为待评溃坝环境影响评价指标的个数；
[0069]
(5)待评指标权重值集合即第二权重为γ
i
＝[γ1,γ2,γ3,
…
,γ
m
]
t
。
[0070]
步骤104具体包括：
[0071]
将改进层次分析法所得权重集(第一权重)和熵权法所得权 重集(第二权重)γ
i
相结合，即可计算各指标层第i个指标的综合权 重值，设综合权重集合为ω
i
＝[ω1,ω2,ω3,
…
,ω
m
]
t
，则：
[0072]
其中，ω
i
＝[ω1,ω2,ω3,
…
,ω
m
]
t
为 综合权重，γ
i
为第二权重，为第一权重，m为待评溃坝环境影响 评价指标的个数。
[0073]
步骤105具体包括：
[0074]
评价等级由轻到重划分为5个等级，即“轻微”、“一般”、“中等”、
ꢀ“
严重”、“极其严重”；
[0075]
步骤106具体包括：
[0076]
待评指标取值准则采用delphi法及相关行业标准、规范和法规 确定，对于定性指标，由轻到重采取0～100等值划分的形式划分为5 等分，分别对应相应的评价等级；
[0077]
步骤107具体包括：
[0078]
(1)定量指标结合实测值，定性指标结合专家评估，针对m个 待评指标建立待评指标特征值集合x＝(x1,x2,x3,
…
,x
m
)，根据步骤 106中的取值标准构建取值标准集合r， r＝(r
01
,r
02
,
…
,r
0m
,r
11
,r
12
,
…
,r
1m
,
…
,r
k1
,r
k2
,
…
,r
km
)，即各指标对应各等 级取值标准的临界值的集合，组建集对a＝(x,r)；
[0079]
(2)确定相对差异度。采用集对分析法中的集对联系度替代相 对差异度计算，则相对差异度，即联系度可表示为 d＝a+b1i
+
+b2i
‑
+c1j
+
+c2j
‑
，a+b1+b2+c1+c2＝1，i
+
∈[0,1]，i
‑
∈[
‑
1,0]， j
+
＝{0,1}，j
‑
＝
‑
1；设有k个评价等级，则单指标联系度为：
[0080]
[0081][0082][0083]
式中：x
m
指第m项待评指标的特征值；r
0m
,r
1m
,
…
,r
5m
分别为第 m项待评指标对应的取值标准界限值；
[0084]
(3)计算相对隶属度函数。设相对隶属度为μ，则待评指标隶 属于评价等级k的相对隶属度为：
[0085]
其中，μ
km
为第m项指标相对于第k个评价等级 的相对隶属度；d
km
为第m项指标相对于第k个评价等级的相对差异 度。
[0086]
(4)获取步骤104中的元指标层的综合权重值；
[0087]
(5)计算综合相对隶属度：由(3)中的相对隶属度可得溃坝环 境影响等级对应评价等级k的综合相对隶属度为：
[0088][0089]
式中：m为待评溃坝环境影响评价指标的个数；ω
i
为第一权重； α为可变优化准则参数，α＝1即最小一乘方准则，α＝2为最小二乘方 准则；p为可变距离参数，p＝1为海明距离，p＝2为欧式距离；参 数α和p可形成4种参数组合，即α＝1,p＝1，α＝1,p＝2，α＝2,p＝1， α＝2,p＝2；
[0090]
步骤108具体包括：
[0091]
对不同参数组合下计算所得的综合相对隶属度u
k
进行归一化， 得归一化后各指
标综合相对隶属度矩阵
[0092]
步骤109具体包括：
[0093]
4种参数组合下的可变模糊综合评价模型之间的联系是可变模糊 集理论的一个重要特点，可得溃坝环境影响评价的级别特征值h；
[0094]
其中，为综合相对隶属度矩阵，k为评价等级 的个数，h为溃坝环境影响评价的级别特征值；
[0095]
步骤110具体包括：
[0096]
级别特征值评判准则如下：
[0097][0098]
式中：c为所设立评价等级的上限值。
[0099]
根据步骤109所得h值，结合步骤110中级别特征值评判准则， 根据划分的评价等级，即可得出溃坝环境影响的评价等级。
[0100]
得出评价等级之后，可由决策者依据表1所列应急处置方案予以 对应处置。
[0101]
表1应急处置预案建议表
[0102]
[0103][0104]
本发明相交现有技术，其显著优点在于：
[0105]
(1)在缺少溃坝环境影响评价相关准则规范的基础上，以工程、 自然、人居和生态的角度综合考虑溃坝行为可能导致的环境影响，建 立了更为全面的溃坝环境影响评价体系；
[0106]
(2)计算待评指标权重值时，采取了主客观结合的方法，以组 合赋权法去确定指标综合权重，同时简化了主管权重计算采用的层次 分析法，降低了工作量的同时减少了误差；
[0107]
(3)采用集对分析法去改进可变模糊集中相对隶属度计算，避 免了指标特征值与点值m之间的位置判断，也避免了定性指标的m 值计算偏主观的弊端，同时又发挥了以级别特征值判断评价等级的优 势，避免了待评指标信息的丢失，使评价结果更加客观合理。
[0108]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说 明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互 相参见即可。
[0109]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述， 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同 时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方 式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解 为对本发明的限制。