基于圖論-AHP管廊災(zāi)害影響評價及減災(zāi)分析

張召冉于天富項方備劉國慶夏雨欣

1. 北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,北京 100144;

2. 北京仁達房地產(chǎn)土地資產(chǎn)評估有限公司,北京 100044;

3. 北方爆破科技有限公司,北京 100089

隨著社會的不斷發(fā)展,城市的土地資源越來越緊張,綜合管廊具有集成化的優(yōu)勢,提高了地下空間的利用率。但是,地下綜合管廊中各種管線過于集中,一旦發(fā)生事故,不僅危害管線安全,甚至引起次生災(zāi)害,導(dǎo)致管廊整體功能失效,造成巨大經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。因此,地下綜合管廊的防災(zāi)減災(zāi)管理,應(yīng)盡早預(yù)防,盡早治理。

國內(nèi)外學(xué)者對綜合管廊運營階段的安全與災(zāi)害評價進行了大量研究。Jin 等[1]建立了具有傳感層、通信層和應(yīng)用層的可視化數(shù)據(jù)管理平臺,對地下綜合管廊進行風(fēng)險分析,實現(xiàn)了地下綜合管廊信息的自動采集、智能傳輸和管理功能,為地下綜合管廊的安全運行和高效管理提供技術(shù)保障;黃萍等[2]將AHP 法與D-S 證據(jù)理論相結(jié)合,分析得出設(shè)備因素對綜合管廊火災(zāi)安全評價體系影響最大;郭佳奇等[3]在分析管廊災(zāi)害事故和類型統(tǒng)計的基礎(chǔ)上,得到了綜合管廊災(zāi)害中火災(zāi)和地震的產(chǎn)生機理,并就人為災(zāi)害、滲漏水問題、不均勻沉降以及環(huán)境安全問題提出了相關(guān)對策;張勇等[4]提出了一種集“事故樹”分析、貝葉斯模型和領(lǐng)結(jié)模型為一體的智慧城市地下綜合管廊運維災(zāi)害風(fēng)險評估模型(BN-bow-tie),通過模型可以計算出災(zāi)害發(fā)生的概率,為綜合管廊運維過程中的防災(zāi)減災(zāi)工作提供依據(jù);周鮮華等[5]根據(jù)ISM-MICMAC 模型得出了綜合管廊各個災(zāi)害風(fēng)險因素之間相互作用,且各個災(zāi)害因素之間存在遞進關(guān)系的結(jié)論;王述紅等[6]建立了綜合管廊運營過程中多災(zāi)種耦合風(fēng)險評價方法,通過對比綜合管廊多災(zāi)種耦合危險指數(shù),發(fā)現(xiàn)災(zāi)害耦合后其危險性遠大于單一災(zāi)害的危險性。

綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者主要對管廊運營階段的安全與災(zāi)害本身進行研究,未對災(zāi)害造成的影響及致災(zāi)因子進行分析并提出管理措施。因此,本文在分析管廊災(zāi)害演化過程的基礎(chǔ)上,建立圖論-AHP法災(zāi)害評價模型,并結(jié)合通州A 段管廊工程實例進行災(zāi)害鏈斷鏈減災(zāi)管理。

1 管廊災(zāi)害的演化過程

管廊災(zāi)害中的4 種基本事故分別是:爆炸、火災(zāi)、泄漏及坍塌[7]。這4 種事故是管廊中的高頻事故且極易引起次生災(zāi)害[8-9]。

1.1 內(nèi)部因素

影響管廊災(zāi)害的內(nèi)部因素為設(shè)計問題和質(zhì)量問題。

設(shè)計問題分為管道和廊體結(jié)構(gòu)問題。對于管道問題,電纜鋪設(shè)密集,在運行時發(fā)熱極易引起火災(zāi);通風(fēng)量低且燃氣泄漏時容易引起爆炸。對于廊體結(jié)構(gòu)問題,不均勻沉降可能會引發(fā)管道破裂,導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸;消防系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)可能引發(fā)二次火災(zāi)。

質(zhì)量問題也分為管道和廊體結(jié)構(gòu)問題。對于管道問題,混凝土防護層厚度不夠可能會出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致坍塌;污水管道安全防護裝置不當(dāng)會引發(fā)人員中毒及腐蝕其他管線。對于廊體結(jié)構(gòu),不均勻沉降可能會導(dǎo)致燃氣管道泄漏進而引發(fā)火災(zāi)或爆炸;燃氣遇到電纜漏電會引發(fā)火災(zāi)或爆炸。

1.2 外部因素

非人為管廊災(zāi)害的外部因素為地震和洪澇。

地震導(dǎo)致燃氣管道破裂、通風(fēng)系統(tǒng)損壞,進而導(dǎo)致爆炸[10];砂土液化,管廊整體上浮且管道局部破壞導(dǎo)致沙土進入管廊;本體結(jié)構(gòu)破壞且管線損壞可能會造成管道泄漏。

洪澇發(fā)生時,防洪強度不夠,給排水設(shè)計規(guī)模不足,設(shè)備缺少導(dǎo)致水淹;管廊周圍土壤松動后導(dǎo)致管廊坍塌、道路坍塌。

內(nèi)外部因素還會引發(fā)各種次生災(zāi)害,具體演化過程及導(dǎo)致的災(zāi)害見表1。

表1 內(nèi)外部災(zāi)害因素演化結(jié)果Tab.1 Evolutionary results of internal and external disaster factors

2 圖論-AHP 法災(zāi)害評價模型構(gòu)建

2.1 災(zāi)害影響范圍的確定

2.1.1 圖論原理

圖論算法在計算機中發(fā)揮著重要作用,為許多問題提供一種簡單而系統(tǒng)的解決方法[11]。圖論算法將復(fù)雜的問題簡單化,問題可以轉(zhuǎn)化為圖論問題,通過圖論基本算法求解。

在圖論算法中,以一個點為中心,與之相關(guān)的線稱為度。由此點引發(fā)到另一個點的連線稱為出度;反之,由其他點引出到此點的連線稱為入度[12-13]。首先,利用演化途徑得出各因素的出入度值,然后將出入度值進行歸一化處理得出權(quán)重。

2.1.2 圖論與災(zāi)害演化的相關(guān)性

利用圖論算法將綜合管廊的災(zāi)害演化路徑簡化為圖1。

圖1 災(zāi)害演化路徑簡圖Fig.1 Disaster evolution path diagram

2.2.2 矩陣的一致性檢驗

利用圖論算法確定災(zāi)害影響范圍。先根據(jù)圖1 計算出各因素的出入度值(表2),然后將出入度值進行歸一化處理得出權(quán)重Wj。

表2 出入度值Tab.2 Out degree and in degree value

2.2 災(zāi)害影響程度的確定

利用層次分析法[14-16]確定災(zāi)害影響程度。將存在的問題根據(jù)不同性質(zhì)和目標(biāo)劃分為幾組相應(yīng)的影響條件,將各條件之間相互影響程度分為不同的層次,把問題變成一個從高到低的排列組合,便于解決最需要解決的問題。具體步驟如下。

2.2.1 構(gòu)造相應(yīng)的矩陣模型

首先,將組成條件列舉出來,然后根據(jù)表3 進行賦值。

表3 標(biāo)度Tab.3 Scale table

對于n個組成條件,根據(jù)賦值得到AHP 標(biāo)度值表,將其看作一個判斷矩陣C=(Cij)n×n。其中Cij表示因素i和因素j相對于目標(biāo)重要值,列于表4 中。利用方根法對所得矩陣進行求解得到權(quán)重值。

表4 AHP 標(biāo)度值Tab.4 AHP scale value table

由于矩陣中的賦值具有主觀性,為了確保數(shù)值的可用性,要進行一致性檢驗。首先算出Mi,Mi為一個條件下的所有數(shù)值相乘,其次算出Mi的方根,進行歸一化得出Wi,然后利用式(1)得出λmax。

利用式(2)求出一致性指標(biāo)CI:

通過查詢得出一致性數(shù)值RI的參考值。

最后,進行一致性比率計算:

CR＜0.1,代表該矩陣的賦值在合理范圍內(nèi);反之,需要重新賦值再次檢驗,直到CR＜0.1 為止。

2.3 圖論-AHP 模型建立

首先,通過圖論算法得出各災(zāi)害因素的權(quán)重Wj;其次,利用層次分析法得出各災(zāi)害因素的權(quán)重Wi;最后,將圖論算法與層次分析法得出的權(quán)重值相乘,得出災(zāi)害影響值D。

式中,a為系數(shù),因為權(quán)重數(shù)均小于1,取a為100。

利用式(4)求出各災(zāi)害的影響值,并進行排序,得出最需要管理或解決的災(zāi)害因素。

3 通州A 段管廊災(zāi)害影響評價和分析

3.1 工程概況

項目名稱為北京通州綜合管廊工程。本項目建設(shè)地點位于北京市通州區(qū)內(nèi),建筑規(guī)模約3.8×106m2。因篇幅有限,此次僅對A 段管廊進行深入研究。A 段管廊周邊建筑物有6 個小區(qū)、北京某集團生活區(qū)、大型購物中心和花園。實地考察及資料查詢可知,該大型購物中心的市場價值大約為1.456×109元;6 個小區(qū)的常住人口約為17 653人。通過財產(chǎn)及人員評估可知,該段管廊一旦發(fā)生事故,該區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施將崩潰,造成大量財產(chǎn)損失和人員傷亡,居民生活將受到很大影響。因此,該段管廊的防災(zāi)減災(zāi)管理是非常重要的。

3.2 圖論-AHP 法應(yīng)用過程

(1) 圖論算法得到通州A 段管廊的災(zāi)害演化路徑,如圖2 所示。通過圖2 得出災(zāi)害的出入度值(表5)。

表5 A 段管廊出入度值Tab.5 Out degree and in degree value of section A utility tunnel

圖2 災(zāi)害演化路徑Fig.2 Disaster evolution path

對表5 中的出入度值進行歸一化處理,結(jié)果為[0.051 0.081 0.066 0.058 0.096 0.081 0.081 0.074 0.154 0.096 0.081 0.081]T,得出各災(zāi)害因素出入度的權(quán)重值(表6)。

表6 權(quán)重值Tab.6 Weight value

(2) 利用層次分析法確定災(zāi)害影響程度。請10 位專家對通州A 段管廊運營階段發(fā)生災(zāi)害后產(chǎn)生的影響程度根據(jù)表2 進行賦值,取賦值結(jié)果的平均整數(shù),得出的標(biāo)度值見表7。

表7 發(fā)生災(zāi)害后產(chǎn)生影響的程度(AHP 標(biāo)度值)Tab.7 AHP scale value of the impact degree after the occurrence of disaster

將表7 看作一個矩陣,利用方根法對矩陣進行求解,先算出Mi,再算出Mi的12 次方根,然后進行歸一化得出各災(zāi)害因素權(quán)重值Wi(表8),利用式(1)算出的最大值為13.622。

表8 發(fā)生災(zāi)害后產(chǎn)生影響的程度權(quán)重值Tab.8 The degree weight of the impact after the occurrence of the disaster

根據(jù)式(2)得出CI=0. 147;通過查詢可知一致性指數(shù)RI值為1. 54;根據(jù)式(3)可得CR=0. 095＜0. 1,該矩陣的一致性檢驗通過。

(3) 圖論-AHP 模型應(yīng)用。因為權(quán)重數(shù)均小于1,取a=100,根據(jù)式(4)得出災(zāi)害影響值D(表9)。對災(zāi)害影響值進行排序,得出最需要管理或解決的災(zāi)害因素。

表9 災(zāi)害影響值Tab.9 Disaster impact value

可知,通州管廊運營期間發(fā)生事故后,爆炸的影響權(quán)重大于其他事故;地震、質(zhì)量問題及設(shè)計問題緊隨其后。

4 通州A 段管廊運營階段的斷鏈減災(zāi)管理應(yīng)用

對A 段管廊而言,爆炸、地震、質(zhì)量問題、設(shè)計問題所引發(fā)的災(zāi)害鏈如圖3 所示,由于上述4 種因素導(dǎo)致災(zāi)害影響值較大,需要依據(jù)斷鏈管理理論[17-19]進行減災(zāi)管理。

圖3 災(zāi)害鏈Fig.3 disaster chain

(1) 爆炸引發(fā)災(zāi)害的斷鏈管理。對源頭因素進行災(zāi)害鏈斷鏈管理,必須嚴(yán)格監(jiān)測管廊內(nèi)各種氣體的濃度,過高時發(fā)出警報,避免災(zāi)害發(fā)生。從孕災(zāi)環(huán)境入手,在設(shè)計管廊時,多注意管廊防爆設(shè)計;定期檢查管道的破裂程度及老化程度;盡量不在管廊內(nèi)放置不必要的易燃物,以免引起二次災(zāi)害,切斷由爆炸引發(fā)的災(zāi)害鏈。承災(zāi)體受到災(zāi)害后,及時對不同的承災(zāi)體產(chǎn)生的災(zāi)害做出不同的應(yīng)對措施,以避免災(zāi)害情況的惡化。

(2) 地震引發(fā)災(zāi)害的斷鏈管理。從源頭因素進行災(zāi)害鏈斷鏈管理,需要提高管廊的抗震設(shè)計等級;及時預(yù)測地質(zhì)情況,做好防護措施。從孕災(zāi)環(huán)境入手,定期檢查管道老化、破損程度;定期檢查通風(fēng)系統(tǒng);在設(shè)計管廊時提高管廊整體的抗震程度;嚴(yán)格把控和選擇管廊單體材料;定期檢查管廊周圍及內(nèi)部環(huán)境變化,切斷由地震引發(fā)的災(zāi)害鏈。承災(zāi)體受到災(zāi)害之后,應(yīng)及時疏散管廊周圍人員,減少人員傷亡;及時進行基礎(chǔ)設(shè)施的搶修工程;及時止損,將傷害值降到最低。

(3) 質(zhì)量問題引發(fā)災(zāi)害的斷鏈管理。從源頭因素進行災(zāi)害鏈斷鏈管理,必須嚴(yán)格把控各種原材料質(zhì)量及施工期間材料的質(zhì)量,有效遏制災(zāi)害的發(fā)生。從孕災(zāi)環(huán)境入手,定期檢查燃氣管道是否泄漏、給排水管道是否破裂,及時進行修補或替換;定期檢查電纜質(zhì)量合格情況,切斷由質(zhì)量問題引發(fā)的災(zāi)害鏈。承災(zāi)體受到災(zāi)害之后,應(yīng)及時檢查管廊本體結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施,及時修補基礎(chǔ)設(shè)施,減少人員傷亡。

(4) 設(shè)計問題引發(fā)災(zāi)害的斷鏈管理。從源頭因素進行災(zāi)害鏈斷鏈管理,要在設(shè)計管廊時考慮各種可能引發(fā)災(zāi)害的情況[20],盡量避免火災(zāi)隱患。例如,根據(jù)管廊的長短設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng);管道鋪設(shè)應(yīng)該相對疏散;消防系統(tǒng)設(shè)計符合管廊需求,這樣可以從源頭上避免災(zāi)害的發(fā)生。從孕災(zāi)環(huán)境入手,定期進行不均勻沉降觀測,一旦發(fā)生不均勻沉降,立即采取技術(shù)措施,控制沉降;定期測量管廊內(nèi)的溫度,過高時采取降溫措施;定期檢查消防系統(tǒng),切斷由設(shè)計問題引發(fā)的災(zāi)害鏈。承災(zāi)體受到災(zāi)害之后,應(yīng)針對不同的災(zāi)害做出不同的應(yīng)對措施,避免發(fā)生二次災(zāi)害,避免引發(fā)更多的財產(chǎn)損失及人員傷亡。

5 結(jié) 論

(1) 基于管廊的內(nèi)外部致災(zāi)因素的演化過程,得出了管廊在運營階段的災(zāi)害演化路徑。利用圖論與AHP 法相結(jié)合的方法,定量地識別致災(zāi)因素,為管廊災(zāi)害的管理提供依據(jù)。

(2) 基于圖論-AHP 法的研究結(jié)果表明:通州A 段管廊基本災(zāi)害類型中爆炸的災(zāi)害影響值最大,內(nèi)外部因素中設(shè)計問題、質(zhì)量問題以及地震的災(zāi)害影響值較大,洪澇的災(zāi)害影響值相對較小。

(3) 通過分析得到了管廊需要重點管理的災(zāi)害鏈,并提出了從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體等方面對災(zāi)害鏈進行斷鏈減災(zāi)管理,從而達到控制管廊災(zāi)害事故發(fā)生的目的。