周聰聰，沈振中，馬福恒，胡 江

（1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210024；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

水庫大壩應(yīng)急預(yù)案是當(dāng)不利的自然事件或人為事故發(fā)生時保護(hù)大壩下游安全、減少洪災(zāi)損失的一種基本手段，也是大壩安全管理中必不可少的重要一環(huán)［1］。目前，我國大中型水庫大壩應(yīng)急預(yù)案大多已經(jīng)編制完成，但并未完全考慮方案的可行性與實施效果，致使在應(yīng)對工程突發(fā)災(zāi)害事件時存在一定的安全隱患。因此，開展應(yīng)急預(yù)案可行性評價方法的研究尤為必要，不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)預(yù)案編制過程中的問題與不足，還可以保障應(yīng)急預(yù)案的有效運作，提高潰壩災(zāi)害的預(yù)防與控制能力。

目前國內(nèi)外對于水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評價的研究較少，楊道軍［2］運用Delphi法首次建立了水庫突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案可行性評價指標(biāo)體系，并以專家打分的方式對評價指標(biāo)賦權(quán)，實現(xiàn)了對預(yù)案可行性的量化評價；程翠云等［3］按照預(yù)防預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)后恢復(fù)的時間順序建立了預(yù)案可行性評價模型，并利用指標(biāo)序號法確定各級指標(biāo)的權(quán)重，以評價預(yù)案可行性；張士辰等［4］將灰色關(guān)聯(lián)度理論引入評價模型中，研究了可行性指標(biāo)體系不完備等灰色特征對評價結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。

上述各研究存在評價方法單一片面，主觀性和模糊性強，定性成分多，評價結(jié)果說服性不強等問題。云模型是李德毅院士基于概率論與模糊理論所提出的一種能夠同時考慮事物模糊性與隨機性的評價方法［5］，可以很好地實現(xiàn)定性到定量的相互轉(zhuǎn)化，在水利領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于生態(tài)河道評價［6］、水資源利用效率評估［7］、水質(zhì)評價［8］等方面。當(dāng)前還未有學(xué)者利用云模型對水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性進(jìn)行評價研究。因此，針對水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評價中存在的主觀性和隨機不確定性問題，本文構(gòu)建了基于組合賦權(quán)和改進(jìn)云模型的水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評價模型，以貴陽市松柏山水庫大壩應(yīng)急預(yù)案為例，驗證該模型的適用性，以期為水庫大壩應(yīng)急風(fēng)險管理研究提供借鑒。

1 水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性內(nèi)涵及其指標(biāo)體系的構(gòu)建

可行性是應(yīng)急預(yù)案的基本屬性，也是檢驗預(yù)案是否合格的基本要求，其主要考查預(yù)案的完整性，從預(yù)案編制內(nèi)容是否完備、考慮是否周全、各個環(huán)節(jié)是否能夠有效銜接等方面對預(yù)案的可實施程度作出評價，而不考慮預(yù)案的實施效果。

影響水庫大壩突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案可行性的因素復(fù)雜而繁多，針對預(yù)案編制中存在的問題，本文從應(yīng)急預(yù)案編制內(nèi)容和《水庫大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》（SL／Z 720—2015），將影響水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性的因素分為組織體系、運行機制、應(yīng)急保障、應(yīng)急訓(xùn)練四大類，其層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。①組織體系包括應(yīng)急指揮機構(gòu)、應(yīng)急保障機構(gòu)、專家組、應(yīng)急指揮部辦公室、應(yīng)急搶險與救援隊伍。其中，建立應(yīng)急指揮機構(gòu)是整個應(yīng)急組織體系的核心，明確指揮機構(gòu)中的相關(guān)各方在預(yù)案啟動、實施、結(jié)束過程中各自的職責(zé)與彼此的關(guān)系是組織體系中的重中之重［9］。②運行機制是應(yīng)急預(yù)案落實為有效行動的重要保障［10］，包括預(yù)測與預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、預(yù)警信息報告與發(fā)布、應(yīng)急監(jiān)測與巡查、水庫應(yīng)急調(diào)度、人員應(yīng)急轉(zhuǎn)移、應(yīng)急結(jié)束、善后處理與事故分析等9個方面。其中預(yù)警信息報告與發(fā)布、應(yīng)急監(jiān)測與巡查、水庫應(yīng)急調(diào)度、人員應(yīng)急轉(zhuǎn)移是為應(yīng)對突發(fā)事件而采取的應(yīng)急處置措施，是保障預(yù)案有效運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時也是衡量預(yù)案應(yīng)急能力的重要指標(biāo)。③應(yīng)急保障是應(yīng)急預(yù)案得以運轉(zhuǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)［11］。應(yīng)急預(yù)案啟動后，根據(jù)需要調(diào)撥當(dāng)?shù)卣傮w應(yīng)急預(yù)案中應(yīng)急保障資源，必要時還可征用社會資源。④應(yīng)急訓(xùn)練是加強預(yù)案實施效果的一種有效方式，主要與當(dāng)?shù)鼐用穹罏?zāi)意識、應(yīng)急預(yù)案的宣傳與教育、相關(guān)人員培訓(xùn)與演練等指標(biāo)有關(guān)。

圖1 水庫大壩突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案可行性評價指標(biāo)體系

2 權(quán)重的確定

2.1 層次分析法確定主觀固權(quán)

層次分析法是一種經(jīng)典的主觀賦權(quán)方法，因其能夠極大程度地保留評價者的主觀價值而被廣泛應(yīng)用于多目標(biāo)綜合評價中，主要計算步驟如下。

步驟一：結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)與學(xué)者、專家自身的預(yù)案編制經(jīng)驗，對水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性指標(biāo)體系的同一層次各指標(biāo)按1～9比例標(biāo)度法進(jìn)行兩兩比較［12－15］，建立判斷矩陣。

步驟二：計算判斷矩陣的最大特征值λmax及其對應(yīng)的特征向量W，其中ω′i即所求主觀固權(quán)。

步驟三：一致性檢驗。

式中：CR為檢驗系數(shù)，當(dāng)CR＜0.1時表示矩陣通過一致性檢驗；λmax為判斷矩陣的最大特征值；RI為隨機一致性指標(biāo)；n為矩陣階數(shù)，n與RI對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 隨機一致性指標(biāo)RI與判斷矩陣階數(shù)n的關(guān)系

2.2 熵權(quán)法確定客觀固權(quán)

熵權(quán)法則引入信息熵的概念，是一種應(yīng)用廣泛的客觀賦權(quán)方式，主要計算步驟如下。

步驟一：構(gòu)建原始評價矩陣A。

式中：m為樣本數(shù)；n為指標(biāo)數(shù)；xij為原始評價矩陣中第i行第j列對應(yīng)的指標(biāo)值。

步驟二：無量綱化處理。

步驟三：計算各指標(biāo)的信息熵。

式中：fij為評價因子在指標(biāo)中的比重；Hj為指標(biāo)的熵值。

步驟四：計算各評價指標(biāo)的客觀固權(quán)ωj″。

2.3 基于遺傳變權(quán)的綜合權(quán)重

多權(quán)重組合問題其實是一種多目標(biāo)優(yōu)化問題，可借鑒遺傳學(xué)理論，通過模擬自然進(jìn)化過程搜索滿足適應(yīng)度函數(shù)的最優(yōu)目標(biāo)解，構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)：

式中：wj為綜合權(quán)重，為第j個指標(biāo)的主觀固權(quán)；w2j為第j個指標(biāo)的客觀固權(quán)；n為評價指標(biāo)數(shù)。

通過遺傳算法，利用MATLAB進(jìn)行程序迭代，可求解上述尋優(yōu)問題，得到滿足適應(yīng)度函數(shù)的最優(yōu)組合固權(quán)wj?？紤]若異常指標(biāo)權(quán)重較小，則其帶來的負(fù)面影響會被遮蓋，因此為克服固權(quán)的缺陷，結(jié)合變權(quán)理論，引入均衡系數(shù)對組合固權(quán)進(jìn)行動態(tài)修正，均衡函數(shù)為

變權(quán)公式為

式中：xj為指標(biāo)得分；α為均衡系數(shù)，α＝1為固權(quán)模式，本文取α＝0.5；為指標(biāo)變權(quán)；W（0）j為指標(biāo)固權(quán)。

3 基于云模型理論的水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評價方法

3.1 云模型的基本理論

云模型是將概率論與模糊理論結(jié)合，通過云滴描述事物模糊性與隨機性之間的關(guān)聯(lián)屬性，利用云條件發(fā)生器實現(xiàn)由定性評價到定量評價轉(zhuǎn)化的一種理論。云模型對于解決多目標(biāo)復(fù)雜評價問題具有良好的適用性，可以很好地解決水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評價過程中存在的隨機不確定性與灰色模糊性問題。

3.2 云數(shù)字特征與云發(fā)生器

云數(shù)字特征包括期望Ex、熵En和超熵He。Ex表示定性概念的平均水平，En表示定性概念的波動范圍，He則用來度量定性概念熵的不確定性［3］。

云發(fā)生器是一種實現(xiàn)定性與定量之間相互轉(zhuǎn)化的算法或工具。正向云發(fā)生器將模糊對象的云數(shù)字特征（Ex，En，He）通過正向云算法轉(zhuǎn)化為一組定量數(shù)值。逆向云發(fā)生器則相反［4］。

3.3 構(gòu)建評價等級標(biāo)準(zhǔn)云

依據(jù)得分值將水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性的評價結(jié)果分為5個等級，見表2。

表2 綜合評價等級

每個評價等級對應(yīng)一個標(biāo)準(zhǔn)云，云的數(shù)字特征表達(dá)式如下：

式中：Lmlax和Lmlin分別為數(shù)值區(qū)間的上限和下限。

由此可計算出各評價區(qū)間的云數(shù)字特征，輸入正向云發(fā)生器即可得到評價區(qū)間對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云，見圖2。

圖2 水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評價標(biāo)準(zhǔn)云

3.4 綜合云評價

將專家的初始評價矩陣輸入以MATLAB編碼的逆向云發(fā)生器，得到一級指標(biāo)的云數(shù)字特征，將一級指標(biāo)權(quán)重向量與各指標(biāo)對應(yīng)的數(shù)字特征進(jìn)行復(fù)合，得到各二級指標(biāo)的數(shù)字特征。復(fù)合計算方法為

式中：Exs、Ens、Hes為高級指標(biāo)數(shù)字特征；Exi、Eni、Hei為低級指標(biāo)數(shù)字特征；ω1、ω2、…、ωn為指標(biāo)權(quán)重。

多次復(fù)合可得到目標(biāo)層的云數(shù)字特征，輸入正向云發(fā)生器，將得到的云圖與標(biāo)準(zhǔn)云圖對比，可評估水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性所屬評價等級，評價流程見圖3。

圖3 水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評價流程

4 實證分析

本文以貴陽市松柏山水庫大壩突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案為例開展了可行性評價研究。松柏山水庫距貴陽市中心32 km，總庫容4 760萬m3，是以貴陽市城市防洪為主，兼有灌溉、供水、發(fā)電等綜合效用的中型水庫。水庫樞紐工程由主壩、副壩、引水隧洞及壩后電站廠房等組成，主壩為混凝土雙曲薄拱壩，壩頂高程1 181.00 m，最大壩高52.5 m［5］。

4.1 收集初始評分?jǐn)?shù)據(jù)

結(jié)合預(yù)案的真實情況，邀請10位權(quán)威專家（編號1～10）對22個子指標(biāo)按照表2所示評價等級按百分制進(jìn)行評分，評價等級越高表明該評價指標(biāo)對提高預(yù)案可行性越有利，評分結(jié)果見表3。

表3 專家初始評分?jǐn)?shù)據(jù)

4.2 確定綜合權(quán)重

利用層次分析法和熵權(quán)法分別計算各級指標(biāo)的主、客觀固權(quán)，利用遺傳算法和變權(quán)公式對主、客觀固權(quán)耦合優(yōu)化，得到綜合權(quán)重，計算結(jié)果見表4。

表4 各指標(biāo)主、客觀固權(quán)及綜合權(quán)重計算結(jié)果

經(jīng)過計算，權(quán)重向量通過一致性檢驗。

4.3 進(jìn)行可行性綜合評價

將表3中各指標(biāo)的評分輸入逆向云發(fā)生器，生成對應(yīng)的云數(shù)字特征（見表5），將云數(shù)字特征與指標(biāo)權(quán)重復(fù)合后輸入正向云發(fā)生器，可得到一級指標(biāo)評估云（見圖4）和目標(biāo)層評估云（見圖5），整個過程通過MATLAB實現(xiàn)。

圖4 一級指標(biāo)評估云

圖5 目標(biāo)層評估云

表5 各級指標(biāo)云數(shù)字特征

4.4 結(jié)果分析與建議

根據(jù)最大隸屬度原則，由圖5可知，預(yù)案可行性綜合評分為85.66，評價等級為優(yōu)秀。該結(jié)果與預(yù)案評審結(jié)果一致。從圖4可以看出，一級指標(biāo)中，組織體系Q1在分值91.31處隸屬度最大，指標(biāo)得分最高，運行機制Q2次之，在分值89.86處隸屬度最大，應(yīng)急保障Q3和應(yīng)急訓(xùn)練Q4指標(biāo)得分較低，分別在分值79.09、81.66處隸屬度最大。進(jìn)一步分析導(dǎo)致該結(jié)果的原因，由表5可知，應(yīng)急搶險救援物資與隊伍保障Q31（71.66）、Q32（73.36）、應(yīng)急監(jiān)測與巡查Q24（81.63）、水庫應(yīng)急調(diào)度Q25（82.58）、應(yīng)急預(yù)案的宣傳與教育Q42（71.04）等幾項指標(biāo)拉低了預(yù)案整體評分。

可能導(dǎo)致該結(jié)果的原因如下：①應(yīng)急搶險隊伍人員規(guī)模尚未確定，應(yīng)急救援機構(gòu)占用了較多的公共資源；②預(yù)警系統(tǒng)不夠完善，報警設(shè)備過于單一，監(jiān)測設(shè)備部分損壞或缺失，導(dǎo)致監(jiān)測效果較差，影響預(yù)測預(yù)警的準(zhǔn)確性；③應(yīng)急搶險行動方案和水庫應(yīng)急調(diào)度方案內(nèi)容不夠詳細(xì)，可操作性不強；④沒有備用的電力系統(tǒng)，當(dāng)?shù)鼐用駥︻A(yù)案的了解程度有限，居民的應(yīng)急能力也有待加強。

基于上述評價結(jié)果，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，就提高水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性，提出如下建議，供類似案例制定時參考：①公眾廣泛參與是確保預(yù)案有效實施的重要一環(huán)，因此當(dāng)?shù)卣退畮旃芾韱挝粦?yīng)聯(lián)合組織，根據(jù)下游潰壩淹沒區(qū)內(nèi)居民的文化水平、年齡分布、風(fēng)險意識和應(yīng)急能力等方面因素綜合考量，以適當(dāng)方式做好預(yù)案宣傳教育工作，使公眾了解水庫大壩的潛在風(fēng)險，清楚水庫潰壩時的應(yīng)急避險流程，以便突發(fā)潰壩時，居民群眾能夠安全有序地撤離，避免引起不必要的恐慌。②預(yù)案的預(yù)演是與預(yù)案相關(guān)的所有單位人員和群眾一同參與的大規(guī)模練習(xí)，可最大限度地發(fā)現(xiàn)預(yù)案存在問題和不足，從而進(jìn)行改進(jìn)和完善。③政府和水庫主管部門可結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，選擇合適的演習(xí)方式。通過加強應(yīng)急預(yù)案的宣傳、培訓(xùn)和預(yù)演，可使居民群眾和預(yù)案實施的相關(guān)人員更加清楚地明白突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案的流程和各自的職責(zé)，使公眾熟知報警撤離的信號、撤離路徑和避險場所，大大提高預(yù)案的執(zhí)行效果，有效減少下游地區(qū)生命傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)損失。

5 結(jié) 論

（1）結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)、行業(yè)規(guī)范和預(yù)案編制經(jīng)驗，從組織體系、運行機制、應(yīng)急保障、應(yīng)急訓(xùn)練4個維度，構(gòu)建了包含22個二級指標(biāo)的可行性評價指標(biāo)體系，為水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評價研究提供參考。

（2）基于遺傳算法的組合賦權(quán)克服了單一賦權(quán)方法的片面與局限，變權(quán)理論則能夠凸顯劣化指標(biāo)帶來的負(fù)面影響，暴露出預(yù)案編制過程中的問題與不足，有利于提升潰壩災(zāi)害預(yù)防預(yù)警與風(fēng)險控制效果。

（3）從評價結(jié)果來看，針對水庫應(yīng)急預(yù)案可行性評價，基于遺傳－變權(quán)的改進(jìn)云模型具有良好的適用性，改進(jìn)的云模型將可行性評價的多元復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為多層次單目標(biāo)問題，通過云發(fā)生器實現(xiàn)定性到定量的相互轉(zhuǎn)化，有效解決了評價過程中存在的模糊性與隨機性問題，為預(yù)案的可行性評估提供了技術(shù)支撐。