改進(jìn)云模型的水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評(píng)價(jià)

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(kù)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(shí)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(guó)大中型水庫(kù)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(shí)施效果，致使在應(yīng)對(duì)工程突發(fā)災(zāi)害事件時(shí)存在一定的安全隱患。因此，開展應(yīng)急預(yù)案可行性評(píng)價(jià)方法的研究尤為必要，不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)案編制過(guò)程中的問(wèn)題與不足，還可以保障應(yīng)急預(yù)案的有效運(yùn)作，提高潰壩災(zāi)害的預(yù)防與控制能力。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評(píng)價(jià)的研究較少，楊道軍［2］運(yùn)用Delphi法首次建立了水庫(kù)突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并以專家打分的方式對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)案可行性的量化評(píng)價(jià)；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(shí)間順序建立了預(yù)案可行性評(píng)價(jià)模型，并利用指標(biāo)序號(hào)法確定各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，以評(píng)價(jià)預(yù)案可行性；張士辰等［4］將灰色關(guān)聯(lián)度理論引入評(píng)價(jià)模型中，研究了可行性指標(biāo)體系不完備等灰色特征對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。

上述各研究存在評(píng)價(jià)方法單一片面，主觀性和模糊性強(qiáng)，定性成分多，評(píng)價(jià)結(jié)果說(shuō)服性不強(qiáng)等問(wèn)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(shí)考慮事物模糊性與隨機(jī)性的評(píng)價(jià)方法［5］，可以很好地實(shí)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(píng)價(jià)［6］、水資源利用效率評(píng)估［7］、水質(zhì)評(píng)價(jià)［8］等方面。當(dāng)前還未有學(xué)者利用云模型對(duì)水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。因此，針對(duì)水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評(píng)價(jià)中存在的主觀性和隨機(jī)不確定性問(wèn)題，本文構(gòu)建了基于組合賦權(quán)和改進(jìn)云模型的水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評(píng)價(jià)模型，以貴陽(yáng)市松柏山水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案為例，驗(yàn)證該模型的適用性，以期為水庫(kù)大壩應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)管理研究提供借鑒。

1 水庫(kù)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(yàn)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(gè)環(huán)節(jié)是否能夠有效銜接等方面對(duì)預(yù)案的可實(shí)施程度作出評(píng)價(jià)，而不考慮預(yù)案的實(shí)施效果。

影響水庫(kù)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(duì)預(yù)案編制中存在的問(wèn)題，本文從應(yīng)急預(yù)案編制內(nèi)容和《水庫(kù)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(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性的因素分為組織體系、運(yùn)行機(jī)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(jī)構(gòu)、應(yīng)急保障機(jī)構(gòu)、專家組、應(yīng)急指揮部辦公室、應(yīng)急搶險(xiǎn)與救援隊(duì)伍。其中，建立應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)是整個(gè)應(yīng)急組織體系的核心，明確指揮機(jī)構(gòu)中的相關(guān)各方在預(yù)案啟動(dòng)、實(shí)施、結(jié)束過(guò)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(yùn)行機(jī)制是應(yīng)急預(yù)案落實(shí)為有效行動(dòng)的重要保障［10］，包括預(yù)測(cè)與預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、預(yù)警信息報(bào)告與發(fā)布、應(yīng)急監(jiān)測(cè)與巡查、水庫(kù)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(gè)方面。其中預(yù)警信息報(bào)告與發(fā)布、應(yīng)急監(jiān)測(cè)與巡查、水庫(kù)應(yīng)急調(diào)度、人員應(yīng)急轉(zhuǎn)移是為應(yīng)對(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)［11］。應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)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(shí)還可征用社會(huì)資源。④應(yīng)急訓(xùn)練是加強(qiáng)預(yù)案實(shí)施效果的一種有效方式，主要與當(dāng)?shù)鼐用穹罏?zāi)意識(shí)、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(kù)大壩突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案可行性評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)者的主觀價(jià)值而被廣泛應(yīng)用于多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中，主要計(jì)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(yàn)，對(duì)水庫(kù)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(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax及其對(duì)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(yàn)。

式中：CR為檢驗(yàn)系數(shù)，當(dāng)CR＜0.1時(shí)表示矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)；λmax為判斷矩陣的最大特征值；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)；n為矩陣階數(shù)，n與RI對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 隨機(jī)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(jì)算步驟如下。

步驟一：構(gòu)建原始評(píng)價(jià)矩陣A。

式中：m為樣本數(shù)；n為指標(biāo)數(shù)；xij為原始評(píng)價(jià)矩陣中第i行第j列對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值。

步驟二：無(wú)量綱化處理。

步驟三：計(jì)算各指標(biāo)的信息熵。

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

步驟四：計(jì)算各評(píng)價(jià)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(wèn)題其實(shí)是一種多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，可借鑒遺傳學(xué)理論，通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)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(gè)指標(biāo)的主觀固權(quán)；w2j為第j個(gè)指標(biāo)的客觀固權(quán)；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)。

通過(guò)遺傳算法，利用MATLAB進(jìn)行程序迭代，可求解上述尋優(yōu)問(wèn)題，得到滿足適應(yīng)度函數(shù)的最優(yōu)組合固權(quán)wj。考慮若異常指標(biāo)權(quán)重較小，則其帶來(lái)的負(fù)面影響會(huì)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(duì)組合固權(quán)進(jìn)行動(dòng)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(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評(píng)價(jià)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(guò)云滴描述事物模糊性與隨機(jī)性之間的關(guān)聯(lián)屬性，利用云條件發(fā)生器實(shí)現(xiàn)由定性評(píng)價(jià)到定量評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化的一種理論。云模型對(duì)于解決多目標(biāo)復(fù)雜評(píng)價(jià)問(wèn)題具有良好的適用性，可以很好地解決水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評(píng)價(jià)過(guò)程中存在的隨機(jī)不確定性與灰色模糊性問(wèn)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(dòng)范圍，He則用來(lái)度量定性概念熵的不確定性［3］。

云發(fā)生器是一種實(shí)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(duì)象的云數(shù)字特征（Ex，En，He）通過(guò)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(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)云

依據(jù)得分值將水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性的評(píng)價(jià)結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)，見表2。

表2 綜合評(píng)價(jià)等級(jí)

每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)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(jì)算出各評(píng)價(jià)區(qū)間的云數(shù)字特征，輸入正向云發(fā)生器即可得到評(píng)價(jià)區(qū)間對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云，見圖2。

圖2 水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云

3.4 綜合云評(píng)價(jià)

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

式中：Exs、Ens、Hes為高級(jí)指標(biāo)數(shù)字特征；Exi、Eni、Hei為低級(jí)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(duì)比，可評(píng)估水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性所屬評(píng)價(jià)等級(jí)，評(píng)價(jià)流程見圖3。

圖3 水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評(píng)價(jià)流程

4 實(shí)證分析

本文以貴陽(yáng)市松柏山水庫(kù)大壩突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案為例開展了可行性評(píng)價(jià)研究。松柏山水庫(kù)距貴陽(yáng)市中心32 km，總庫(kù)容4 760萬(wàn)m3，是以貴陽(yáng)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(kù)。水庫(kù)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(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)

結(jié)合預(yù)案的真實(shí)情況，邀請(qǐng)10位權(quán)威專家（編號(hào)1～10）對(duì)22個(gè)子指標(biāo)按照表2所示評(píng)價(jià)等級(jí)按百分制進(jìn)行評(píng)分，評(píng)價(jià)等級(jí)越高表明該評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)提高預(yù)案可行性越有利，評(píng)分結(jié)果見表3。

表3 專家初始評(píng)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(jì)算各級(jí)指標(biāo)的主、客觀固權(quán)，利用遺傳算法和變權(quán)公式對(duì)主、客觀固權(quán)耦合優(yōu)化，得到綜合權(quán)重，計(jì)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(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算，權(quán)重向量通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

4.3 進(jìn)行可行性綜合評(píng)價(jià)

將表3中各指標(biāo)的評(píng)分輸入逆向云發(fā)生器，生成對(duì)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(jí)指標(biāo)評(píng)估云（見圖4）和目標(biāo)層評(píng)估云（見圖5），整個(gè)過(guò)程通過(guò)MATLAB實(shí)現(xiàn)。

圖4 一級(jí)指標(biāo)評(píng)估云

圖5 目標(biāo)層評(píng)估云

表5 各級(jí)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(píng)分為85.66，評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)秀。該結(jié)果與預(yù)案評(píng)審結(jié)果一致。從圖4可以看出，一級(jí)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(yùn)行機(jī)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(xiǎn)救援物資與隊(duì)伍保障Q31（71.66）、Q32（73.36）、應(yīng)急監(jiān)測(cè)與巡查Q24（81.63）、水庫(kù)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(xiàng)指標(biāo)拉低了預(yù)案整體評(píng)分。

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

基于上述評(píng)價(jià)結(jié)果，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，就提高水庫(kù)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(shí)參考：①公眾廣泛參與是確保預(yù)案有效實(shí)施的重要一環(huán)，因此當(dāng)?shù)卣退畮?kù)管理單位應(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(xiǎn)意識(shí)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(kù)大壩的潛在風(fēng)險(xiǎn)，清楚水庫(kù)潰壩時(shí)的應(yīng)急避險(xiǎn)流程，以便突發(fā)潰壩時(shí)，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(wèn)題和不足，從而進(jìn)行改進(jìn)和完善。③政府和水庫(kù)主管部門可結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，選擇合適的演習(xí)方式。通過(guò)加強(qiáng)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(shí)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(bào)警撤離的信號(hào)、撤離路徑和避險(xiǎn)場(chǎng)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(jì)財(cái)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(yàn)，從組織體系、運(yùn)行機(jī)制、應(yīng)急保障、應(yīng)急訓(xùn)練4個(gè)維度，構(gòu)建了包含22個(gè)二級(jí)指標(biāo)的可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性評(píng)價(jià)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(lái)的負(fù)面影響，暴露出預(yù)案編制過(guò)程中的問(wèn)題與不足，有利于提升潰壩災(zāi)害預(yù)防預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)控制效果。

（3）從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，針對(duì)水庫(kù)應(yīng)急預(yù)案可行性評(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)的多元復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多層次單目標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)云發(fā)生器實(shí)現(xiàn)定性到定量的相互轉(zhuǎn)化，有效解決了評(píng)價(jià)過(guò)程中存在的模糊性與隨機(jī)性問(wèn)題，為預(yù)案的可行性評(píng)估提供了技術(shù)支撐。