改進云模型的水庫大壩應急預案可行性評價

周聰聰，沈振中，馬福恒，胡 江

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

水庫大壩應急預案是當不利的自然事件或人為事故發(fā)生時保護大壩下游安全、減少洪災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急預案大多已經(jīng)編制完成，但并未完全考慮方案的可行性與實施效果，致使在應對工程突發(fā)災害事件時存在一定的安全隱患。因此，開展應急預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)預案編制過程中的問題與不足，還可以保障應急預案的有效運作，提高潰壩災害的預防與控制能力。

目前國內外對于水庫大壩應急預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)事件應急預案可行性評價指標體系，并以專家打分的方式對評價指標賦權，實現(xiàn)了對預案可行性的量化評價；程翠云等［3］按照預防預警、應急響應和災后恢復的時間順序建立了預案可行性評價模型，并利用指標序號法確定各級指標的權重，以評價預案可行性；張士辰等［4］將灰色關聯(lián)度理論引入評價模型中，研究了可行性指標體系不完備等灰色特征對評價結果準確性的影響。

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化，在水利領域被廣泛應用于生態(tài)河道評價［6］、水資源利用效率評估［7］、水質評價［8］等方面。當前還未有學者利用云模型對水庫大壩應急預案可行性進行評價研究。因此，針對水庫大壩應急預案可行性評價中存在的主觀性和隨機不確定性問題，本文構建了基于組合賦權和改進云模型的水庫大壩應急預案可行性評價模型，以貴陽市松柏山水庫大壩應急預案為例，驗證該模型的適用性，以期為水庫大壩應急風險管理研究提供借鑒。

1 水庫大壩應急預案可行性內涵及其指標體系的構建

可行性是應急預案的基本屬性，也是檢驗預案是否合格的基本要求，其主要考查預案的完整性，從預案編制內容是否完備、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案的可實施程度作出評價，而不考慮預案的實施效果。

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

圖1 水庫大壩突發(fā)事件應急預案可行性評價指標體系

2 權重的確定

2.1 層次分析法確定主觀固權

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

步驟一：結合相關文獻與學者、專家自身的預案編制經(jīng)驗，對水庫大壩應急預案可行性指標體系的同一層次各指標按1～9比例標度法進行兩兩比較［12－15］，建立判斷矩陣。

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

步驟三：一致性檢驗。

式中：CR為檢驗系數(shù)，當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；n為矩陣階數(shù)，n與RI對應關系見表1。

表1 隨機一致性指標RI與判斷矩陣階數(shù)n的關系

2.2 熵權法確定客觀固權

熵權法則引入信息熵的概念，是一種應用廣泛的客觀賦權方式，主要計算步驟如下。

步驟一：構建原始評價矩陣A。

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

步驟二：無量綱化處理。

步驟三：計算各指標的信息熵。

式中：fij為評價因子在指標中的比重；Hj為指標的熵值。

步驟四：計算各評價指標的客觀固權ωj″。

2.3 基于遺傳變權的綜合權重

多權重組合問題其實是一種多目標優(yōu)化問題，可借鑒遺傳學理論，通過模擬自然進化過程搜索滿足適應度函數(shù)的最優(yōu)目標解，構造適應度函數(shù)：

式中：wj為綜合權重，為第j個指標的主觀固權；w2j為第j個指標的客觀固權；n為評價指標數(shù)。

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

變權公式為

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

3 基于云模型理論的水庫大壩應急預案可行性評價方法

3.1 云模型的基本理論

云模型是將概率論與模糊理論結合，通過云滴描述事物模糊性與隨機性之間的關聯(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化的一種理論。云模型對于解決多目標復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急預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）通過正向云算法轉化為一組定量數(shù)值。逆向云發(fā)生器則相反［4］。

3.3 構建評價等級標準云

依據(jù)得分值將水庫大壩應急預案可行性的評價結果分為5個等級，見表2。

表2 綜合評價等級

每個評價等級對應一個標準云，云的數(shù)字特征表達式如下：

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)間對應的標準云，見圖2。

圖2 水庫大壩應急預案可行性評價標準云

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，得到一級指標的云數(shù)字特征，將一級指標權重向量與各指標對應的數(shù)字特征進行復合，得到各二級指標的數(shù)字特征。復合計算方法為

式中：Exs、Ens、Hes為高級指標數(shù)字特征；Exi、Eni、Hei為低級指標數(shù)字特征；ω1、ω2、…、ωn為指標權重。

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

圖3 水庫大壩應急預案可行性評價流程

4 實證分析

本文以貴陽市松柏山水庫大壩突發(fā)事件應急預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 收集初始評分數(shù)據(jù)

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

表3 專家初始評分數(shù)據(jù)

4.2 確定綜合權重

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

表4 各指標主、客觀固權及綜合權重計算結果

經(jīng)過計算，權重向量通過一致性檢驗。

4.3 進行可行性綜合評價

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

圖4 一級指標評估云

圖5 目標層評估云

表5 各級指標云數(shù)字特征

4.4 結果分析與建議

根據(jù)最大隸屬度原則，由圖5可知，預案可行性綜合評分為85.66，評價等級為優(yōu)秀。該結果與預案評審結果一致。從圖4可以看出，一級指標中，組織體系Q1在分值91.31處隸屬度最大，指標得分最高，運行機制Q2次之，在分值89.86處隸屬度最大，應急保障Q3和應急訓練Q4指標得分較低，分別在分值79.09、81.66處隸屬度最大。進一步分析導致該結果的原因，由表5可知，應急搶險救援物資與隊伍保障Q31（71.66）、Q32（73.36）、應急監(jiān)測與巡查Q24（81.63）、水庫應急調度Q25（82.58）、應急預案的宣傳與教育Q42（71.04）等幾項指標拉低了預案整體評分。

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

基于上述評價結果，查閱相關文獻，就提高水庫大壩應急預案可行性，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案有效實施的重要一環(huán)，因此當?shù)卣退畮旃芾韱挝粦?lián)合組織，根據(jù)下游潰壩淹沒區(qū)內居民的文化水平、年齡分布、風險意識和應急能力等方面因素綜合考量，以適當方式做好預案宣傳教育工作，使公眾了解水庫大壩的潛在風險，清楚水庫潰壩時的應急避險流程，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預案的預演是與預案相關的所有單位人員和群眾一同參與的大規(guī)模練習，可最大限度地發(fā)現(xiàn)預案存在問題和不足，從而進行改進和完善。③政府和水庫主管部門可結合當?shù)貙嶋H情況，選擇合適的演習方式。通過加強應急預案的宣傳、培訓和預演，可使居民群眾和預案實施的相關人員更加清楚地明白突發(fā)事件應急預案的流程和各自的職責，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 論

（1）結合相關文獻、行業(yè)規(guī)范和預案編制經(jīng)驗，從組織體系、運行機制、應急保障、應急訓練4個維度，構建了包含22個二級指標的可行性評價指標體系，為水庫大壩應急預案可行性評價研究提供參考。

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

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