淺談模糊綜合評價方法在橋涵水文計算中的應用

李素蘭

摘要：為了滿足道路高標準的平直度和平整度等指標要求，目前在公路建設過程中大量增設橋涵，而橋涵水文計算工作是保證道路安全的關鍵所在，本文通過對橋涵水文計算的基本內容和傳統方法的分析，并結合模糊綜合評價法的特征，對橋涵水文計算方法進行創新研究，對橋涵設計工作具有一定的參考價值。

關鍵詞：模糊綜合評價法；橋涵設計；水文計算；創新應用

中圖分類號：TU74文獻標識碼： A

隨著科技的發展，橋涵設計建造的技術指標在不斷提高，而橋涵水文計算是保證橋涵設計合理的重要依據，是橋涵設計的首要工作。橋涵水文計算需要在實地勘探的基礎上，因地制宜設計流量等指標，以此來推算橋涵設計的所需基本數據，其工作量和難度都很大，由于傳統的橋涵水文計算方法存在一定的局限性，因而對其計算方法的創新研究已成為業界專家學者關注的重點。

一、橋涵水文計算的基本內容及方法

橋涵水文計算主要是參考歷史水文觀測資料和經驗數據等，運用相關方法確定橋位和橋型以及橋涵設計的洪水位和流量，然后反推出橋涵設計的標高、水位和橋長，最后確定橋墩埋置深度等技術指標。目前依據有無水文觀測資料情況，橋涵水文計算通常采用如下三種方法：

1.在有水文資料參考的情況采用水文統計法

水文具有周期性、地域性和偶然性等特點，因而可以利用已有的水文資料對橋涵所在的水文現象進行統計分析，以便發現相關規律和預測未來變化趨勢。由于有依據可參考，計算結果相應較正確，因而目前水文統計法是最基本的水文計算方法。但是該方法具有一定的局限性，其要求橋涵所在河流有水文站或者水位站來提供觀測資料；另外還要求橋涵建設前后，所在河流的自然地理條件應一致，以保證河流流量變化具有一致的規律性。

水文統計方法的基本原理：首先是進行資料收集和整理，主要包括了解橋涵所處的地理位置和所屬河流的水系特征、收集相關水文站和水位站多年的流量與水位以及基本氣象資料等、通過調查法與分析法等對觀測資料進行整理。其次是對歷史洪水情況的分析研究，主要包括通過歷史文獻的記錄都對所選斷面附近的河段進行洪痕確認、對洪水成因和規模進行判斷以及根據洪水排位進行深入分析。最后，將運用經驗頻率曲線對統計資料進行分析，推算橋涵設計所需的數據。

2.在無水文觀測資料參考的情況下通常采用形態斷面法

在無水文觀測資料可參考的情況下，通常采用形態斷面法來計算歷史洪水流量數據，來彌補水文觀測資料的缺少，提高橋涵水文計算的正確度。由于形態斷面法所需的所有參數都可以通過實地勘察獲得，因此形態斷面法成為最常用的水文計算方法。具體斷面位置的選擇、洪水位的測量以及水面比降的調查是形態斷面法的關鍵所在。

形態斷面法的基本原理：首先是按照如下要求選擇斷面，一是所選斷面的河道應順直，河灘與河槽分界清晰，河槽中沒有島嶼和沙洲；二是斷面位置應便于洪水位測量，且與橋涵之間沒有支流存在。然后是根據洪水位和水面比降的測量數據繪制相關圖示（如圖1-3所示），最后換算出橋涵設計所需的相關數據。

圖1 斷面實地勘探過程示意圖

圖2 形態斷面圖

圖3 水面比降圖

3.在無水文觀測資料和經驗數據的情況下采用經驗公式法

在沒有水文觀測資料可參考的情況下，通常是根據歷史洪水調查資料推算相關數據，皮爾遜Ⅲ型曲線是采用的主要公式。而在既沒有觀測資料，又沒有經驗數據的情況下，通過采用經驗公式來推算相關數據，涉及到全國和地區的多種經驗公式，應根據實際情況選擇利用相關行業和相應區域的經驗公式來推算。

二、模糊綜合評價方法的原理及特征

（一）模糊綜合評價方法的原理

模糊綜合評價方法是將多種定性評價因素依據模糊數學的隸屬度理論轉化為多種定量評價因素，得出清晰的總體評價，有效解決難以量化的非確定性問題。模糊綜合評價方法主要包括不同隸屬性的評價因素、評價因素的具體數值以及優劣程度和重要程度、因素評價的平均值和加權平均值以及綜合評價值等基本內容。

（二）模糊綜合評價方法的步驟

首先，確定模糊綜合評價指標。評價指標體系的構建是進行綜合評價的關鍵，因為指標的選取直接影響最終評價結果的準確性。其次是構建權重向量，主要是運用層析分析法對各種評價因素兩兩比較確定相對權重。再次是確定隸屬度函數構建評價矩陣模型。最后，通過矩陣和向量的合成，得出最終的評價結果。

（三）模糊綜合評價方法的特征

模糊綜合評價方法具有兩個顯著特征：一是各種評價因素之間進行相互比較，設定最優的評價因素評價值為1，然后依次類推欠優評價因素的評價值，對評價因素進行量化分析。二是可以根據各種評價因素的技術指標，運用數理統計、分布函數等方式確定隸屬度函數，或者通過德爾菲方法直接確定評價值。模糊綜合評價方法在橋涵水文設計中運作用時，無論是否有觀測資料和經驗數據可參考，都可以依據實際情況，篩選重要的評價因素，根據隸屬度函數，科學地確定最優方案。

三、模糊綜合評價方法在橋涵水文計算中的創新應用實例

修建橋涵的首要水文計算設計工作是根據交通規劃的實際情況以及河岸連接的功能定位，確定橋涵的位置和橋型，此項工作對橋涵設計的經濟性、社會性和安全性起決定性作用。本部分以某高速公路橋涵水文設計為例，說明模糊綜合評價方法在橋型選擇中的創新運用。

某高速公路橋涵選定的橋位處于河道下游的最窄處，河道微彎，河槽有變動趨勢，初步擬選的橋型設計方案有主跨600米連續剛構橋、主跨620米的斜拉橋、主跨590米的懸索橋、主跨580米的箱肋拱橋和主跨570米的中承鋼管拱橋、五種方案，每個方案的技術指標依次是：承載能力為一級、三級、三級、二級、二級；總造價為7050萬元、7430萬元、6453萬元、3486萬元、4006萬元；工程造價為200萬元、320萬元、220萬元、240萬元、270萬元；施工風險為較小、較大、較小、較小、一般；美觀程度為一般、很好、一般、較好、很好；工期為25個月、33個月、26個月、19個月和25個月；后期養護難度為一般、很難、較難、一般、較難；通航要求為較高、高、較高、一般、一般。

運用模糊綜合評價法計算步驟如下：

第一步，將上述技術指標量化定性得出特征值矩陣F如下：

F=

第二步，結合隸屬度函數得出各指標的隸屬度矩陣R如下：

R=

R0=

第三步，運用模糊綜合評價法求出加權系數矩陣A如下：

A=[]

第四步，運用模糊變換法得出模糊評價矩陣B如下：

B=A·R0=[0.19670.05120.16100.32280.2674]

第五步，得出五個方案的優劣結果是主跨580米的箱肋拱橋為最優方案。

結束語：

橋涵水文設計計算涉及到諸多變量，有些變量可以依據歷史水文觀測資料獲取，但是還有一些變量是無依據可參考的，只能憑借經驗來估算，導致水文計算結果具有明顯的不確定性，也給橋涵設計工作帶來很大的困難。針對傳統方法中存在的諸多不確定性因素，將模糊綜合評價方法創新性運用到橋涵水文設計中，可以將多種相關的變量有機結合，綜合考慮各種因素，顯著提高了水文計算的準確性，進而得到最佳的橋涵設計方案。

參考文獻：

[1] 彭李立.橋涵水文設計計算程序開發與研究[D]. 重慶交通大學 2008

[2] 賈志宏.川中地區公路中、小橋涵水文設計新方法研究[D]. 西南交通大學 2003

[3] 吳茂華.秦巴山區高速公路橋涵水文計算研究[D]. 長安大學 2010

[4] 楊金華,陳東. 橋涵水文綜合分析系統的研究與開發[J]. 武漢理工大學學報. 2006(05)

[5] 許雪燕.模糊綜合評價模型的研究及應用[D]. 西南石油大學 2011