水電工程圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)脆弱性研究

李煒

摘要：基于圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)模糊性和不確定性特點(diǎn)，通過(guò)灰色聚類(lèi)理論對(duì)應(yīng)急管理風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。以圍堰度汛應(yīng)急管理三維結(jié)構(gòu)關(guān)系，建立圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)“攻擊—防御”指標(biāo)體系，運(yùn)用各灰類(lèi)白化權(quán)函數(shù)計(jì)算灰色隸屬度構(gòu)建灰色評(píng)價(jià)矩陣，并結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重得到整體系統(tǒng)和防御性指標(biāo)脆弱性。評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際符合較好，驗(yàn)證了該方法的有效性。

Abstract： Based on the characteristics of ambiguity and uncertainty of the coping system， the emergency management risk is analyzed by grey clustering theory. The three-dimensional structural relationship of emergency management is established， and the "attack-defense" index system of the cofferdam degree and emergency management system is established. The grey evaluation matrix is calculated by using the grey-whitening weight function to construct the gray evaluation matrix， and the weight of each index is combined to obtain the whole system and defensive indicator vulnerability. The evaluation results are in good agreement with the actual ones， and the effectiveness of the method is verified.

關(guān)鍵詞：圍堰度汛;應(yīng)急管理;系統(tǒng)脆弱性;灰色聚類(lèi)理論

Key words： cofferdam degree;emergency management;system vulnerability;grey clustering theory

中圖分類(lèi)號(hào)：TV135.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）24-0008-03

0? 引言

水電工程建設(shè)大多位于高山峽谷地區(qū)，因高水位、泄流量大等問(wèn)題，圍堰度汛成為水電工程安全施工進(jìn)度中的重要環(huán)節(jié)。水電工程圍堰度汛階段常遇到前兆不明次生潛在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)施工安全、工程質(zhì)量和施工進(jìn)度計(jì)劃等產(chǎn)生較大阻礙，因此，為避免施工過(guò)程中某一薄弱環(huán)節(jié)衍變成為突發(fā)事件，水電工程圍堰度汛應(yīng)急管理成為安全施工的必要條件[1]。

工程施工人員和項(xiàng)目安全管理者針對(duì)突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，如何系統(tǒng)、科學(xué)的應(yīng)急管理，相關(guān)學(xué)者給出了一定的意見(jiàn)。陳玉璽等[2]針對(duì)圍堰度汛受來(lái)水和泄流的影響，通過(guò)分析水力參數(shù)和水文風(fēng)險(xiǎn)保證上下游水電站安全度汛;陳昭安等[3]對(duì)圍巖滲流、圍堰高度和圍堰抗滑穩(wěn)定性分析，保證工程圍堰度汛安全施工;張超等[4]考慮上游水位漫頂會(huì)影響下游圍堰中期度汛，建立水位變化模型，分析水位變化對(duì)圍堰度汛的影響。

上述學(xué)者主要針對(duì)單一影響因素分析風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生，并未對(duì)圍堰潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行多因素分析，針對(duì)突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理是必要的。本文主要建立應(yīng)急管理系統(tǒng)，從風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生到應(yīng)急建立“攻擊—防御”指標(biāo)體系，通過(guò)Super-Decision對(duì)圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)賦權(quán)，考慮了信度和較度檢驗(yàn)，結(jié)果更符合真實(shí)性;同時(shí)考慮指標(biāo)的模糊性和不確定性，基于灰色聚類(lèi)理論，對(duì)系統(tǒng)脆弱性科學(xué)性評(píng)估。

1? 圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)分析

圍堰度汛指為開(kāi)挖基坑修筑水利設(shè)施而修建的用來(lái)度過(guò)汛期的臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。圍堰度汛階段，因自然環(huán)境的不可預(yù)料性、自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境的高度密切性及工程本身的潛在風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致應(yīng)急管理部門(mén)不能第一時(shí)間追蹤風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法快速做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，風(fēng)險(xiǎn)衍生到爆發(fā)不能及時(shí)做出決策并處理，因此，圍堰度汛協(xié)調(diào)調(diào)度應(yīng)急管理資源需要系統(tǒng)的管理辦法。

1.1 應(yīng)急管理系統(tǒng)脆弱性識(shí)別

“脆弱性”最早出現(xiàn)在自然災(zāi)害研究中，近年來(lái)學(xué)者將其引入工程領(lǐng)域，認(rèn)為其是影響災(zāi)害嚴(yán)重程度的重要因素。圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)脆弱性是應(yīng)急管理與所處內(nèi)部環(huán)境共同作用的一種屬性，既要考慮其系統(tǒng)性還要考慮其內(nèi)部條件的影響。圍堰度汛具有水文地質(zhì)復(fù)雜、工程跨度大、空間施工突發(fā)事件范圍廣等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)要求應(yīng)急管理系統(tǒng)減少自身的潛在薄弱環(huán)節(jié)即降低脆弱性，保證應(yīng)急管理部門(mén)具備一定的抗逆性。

1.2 應(yīng)急管理系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)體系構(gòu)建

為降低圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)脆弱性，需對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)及風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行控制，其主要風(fēng)險(xiǎn)因素如圖1。

圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)脆弱性與潛在風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)，系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)的劇烈程度以風(fēng)險(xiǎn)暴露性表示，暴露性表明風(fēng)險(xiǎn)大小，暴露性從“進(jìn)攻者”的角度考慮，表明風(fēng)險(xiǎn)滋生逐步擴(kuò)大到爆發(fā)。為保證“進(jìn)攻者”對(duì)圍堰度汛產(chǎn)生威脅不以風(fēng)險(xiǎn)形式爆發(fā)，需要應(yīng)急管理部門(mén)從適應(yīng)性和恢復(fù)性的角度對(duì)“進(jìn)攻者”進(jìn)行“防御”，防御因素如圖2。

1.3 系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)模型

針對(duì)圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)“進(jìn)攻性”和“防御性”，根據(jù)IPCC提出的脆弱性評(píng)價(jià)模型和史培軍[5]狹義脆弱性模型的基礎(chǔ)上，將“進(jìn)攻性”和“防御性”關(guān)系用式（1）表示

式中：F為脆弱性系數(shù)，A為攻擊性系數(shù)表示所承受風(fēng)險(xiǎn)大小，D為防御性系數(shù)表示應(yīng)急能力大小。

脆弱性系數(shù)由攻擊性系數(shù)和防御性系數(shù)共同決定，當(dāng)F>1代表攻擊性系數(shù)大于防御性系數(shù)，即風(fēng)險(xiǎn)影響大于應(yīng)急能力，該風(fēng)險(xiǎn)爆發(fā);當(dāng)F<1時(shí)應(yīng)急能力強(qiáng)于風(fēng)險(xiǎn)影響，風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到控制。通過(guò)脆弱性系數(shù)將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)分為3級(jí)U=[u1，u2，u3]，u1表示脆弱性高F>1，實(shí)際情況不可能達(dá)到F=1，u2、u3為脆弱性低F<1。u2、u3可運(yùn)用K-means聚類(lèi)算法劃分評(píng)語(yǔ)集。

2? 應(yīng)急管理系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)

圍堰度汛階段風(fēng)險(xiǎn)呈潛在的、模糊的和不確定性的，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)因素具有“灰性”特征。用過(guò)灰色聚類(lèi)理論[6]，確定圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)各風(fēng)險(xiǎn)因素所屬灰類(lèi)，從而構(gòu)建灰色評(píng)價(jià)矩陣。

2.1 確定評(píng)價(jià)灰類(lèi)

圍堰度汛潛在風(fēng)險(xiǎn)往往是定性的存在，實(shí)際工程中很難量化其值，風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)值通常由經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)家給定。建立相應(yīng)的圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)專(zhuān)家評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)C。

設(shè)第k位專(zhuān)家對(duì)Aij和Dij的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值分別為vijk和uijk，根據(jù)l位專(zhuān)家的評(píng)分構(gòu)建樣本矩陣U和V。

由影響因素狀態(tài)，將風(fēng)險(xiǎn)因素分級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)，分別為[0，2）、[2，4）、[4，6）、[6，8）、[8，10]，分別表示低、較低、中等、較高、高5個(gè)灰類(lèi)，對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)灰類(lèi)號(hào)為e={1，2，3，4，5}，各灰類(lèi)對(duì)應(yīng)的閾值為1，3，5，7，9。

根據(jù)灰色聚類(lèi)理論得到各灰類(lèi)白化權(quán)函數(shù)：

2.2 脆弱性評(píng)價(jià)值計(jì)算

將樣本矩陣中的樣本vijk代入白化權(quán)函數(shù)（2）-（6），得到各灰類(lèi)隸屬度f(wàn)1（vijk），f2（vijk），f3（vijk），f4（vijk），f5（vijk）。由灰類(lèi)隸屬度計(jì)算各指標(biāo)對(duì)應(yīng)響應(yīng)的灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)geij，并得到總灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)Geij：

并由式（7）-（8）得到Aij和Dij的各灰類(lèi)評(píng)價(jià)權(quán)值reij：

由式（9）得到相應(yīng)的攻擊性和防御性指標(biāo)灰色評(píng)價(jià)矩陣RA和RD。綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)閾值G=[1，3，5，7，9]對(duì)應(yīng)的分值集合，則攻擊性和防御性系數(shù)矩陣為：

防御性指標(biāo)脆弱性系數(shù)fDij和系統(tǒng)整體脆弱性系數(shù)F：

3? 案例分析

T水電站為低水頭徑流式電站，主要用于水力發(fā)電，并兼顧供水灌溉。為保證工程順利施工，圍堰度汛標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水，過(guò)水前對(duì)基坑進(jìn)行充水避免沖刷，汛期后進(jìn)行基坑抽水及圍堰恢復(fù)，再進(jìn)行工程施工。

3.1 脆弱性影響因素權(quán)重確定

圍堰修建將會(huì)抬高上游水位，主體工程施工會(huì)面臨臨水、涉水或水下施工，同時(shí)圍堰度汛階段工程施工面對(duì)的潛在衍生風(fēng)險(xiǎn)不同，其風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度也相對(duì)不同，因此，需要對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)賦予不同的重要性程度，主要針對(duì)劇烈嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。分別邀請(qǐng)水利工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理和應(yīng)急管理相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家，對(duì)上述攻擊性指標(biāo)和防御性指標(biāo)進(jìn)行打分，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到對(duì)應(yīng)指標(biāo)權(quán)重。

3.2 T水電站系統(tǒng)脆弱性系數(shù)

為確保圍堰度汛水位，需密切與當(dāng)?shù)厮臍庀蟛块T(mén)、業(yè)主和監(jiān)理等調(diào)查水情，分析工程潛在風(fēng)險(xiǎn)，圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素非定量表示，因此聘請(qǐng)10位應(yīng)急管理、水文研究、風(fēng)險(xiǎn)管理和施工管理等領(lǐng)域的專(zhuān)家對(duì)該系統(tǒng)的攻擊性指標(biāo)和防御性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估打分。

結(jié)合公式（2）-（7）計(jì)算灰色評(píng)價(jià)值，并由式（8）-（9）可得vijk灰色評(píng)價(jià)矩陣ra11：ra11=[0.21? 0.26? 0.22? 0.18? 0.13]，再由式（10）得到A11的攻擊性系數(shù)a11=ra11·GT=4.01。同理可得到攻擊性系數(shù)和防御性系數(shù)。

為避免風(fēng)險(xiǎn)衍生，辨識(shí)應(yīng)急管理系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，由式（11）計(jì)算防御性指標(biāo)脆弱性系數(shù)fD=[0.968，0.823，0.792，0.779，1.114，0.717，0.785，0.899，0.785，0.687，0.913，1.143]。由K-means算法計(jì)算防御性指標(biāo)脆弱性系數(shù)的歐氏距離，當(dāng)結(jié)果收斂時(shí)確定評(píng)語(yǔ)集，其中D15、D33處于高脆弱性等級(jí)，D11、D23、D32處于中脆弱性等級(jí)，其它處于低脆弱性等級(jí)。根據(jù)所得權(quán)重和攻擊性、防御性指標(biāo)系數(shù)得到圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)脆弱性系數(shù)F=0.827，T水電站圍堰施工整體上處于低脆弱性等級(jí)。圍堰度汛階段，風(fēng)險(xiǎn)滋生到形成主要由于前期的應(yīng)急管理安全意識(shí)沒(méi)有初步形成，導(dǎo)致工程施工過(guò)程中，人員安全意識(shí)和安全心理薄弱，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)不能及時(shí)管控，從而導(dǎo)致潛在風(fēng)險(xiǎn)形成。因此，要加強(qiáng)應(yīng)急管理培訓(xùn)和應(yīng)急管理心理意識(shí)，對(duì)突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理部門(mén)能針對(duì)性下達(dá)決策意見(jiàn)。

4? 結(jié)論

為保證水利工程安全施工，規(guī)避?chē)叨妊磻?yīng)急管理系統(tǒng)中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，提出圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合T水電站二期圍堰工程基本條件對(duì)圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行評(píng)估，得出以下結(jié)論：

①根據(jù)圍堰度汛應(yīng)急管理“三維結(jié)構(gòu)”，構(gòu)建圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)，并通過(guò)分析圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)引入脆弱性，構(gòu)建“攻擊—防御”系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)體系。

②運(yùn)用Super-Decision構(gòu)建應(yīng)急管理系統(tǒng)脆弱性網(wǎng)絡(luò)層級(jí)結(jié)構(gòu)圖，分析指標(biāo)之間的相互作用，計(jì)算對(duì)應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重?？紤]因素的模糊性和不確定性，通過(guò)灰色聚類(lèi)理論建立白化權(quán)函數(shù)，建立灰色評(píng)價(jià)矩陣計(jì)算脆弱性系數(shù)，對(duì)圍堰度汛應(yīng)急管理系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)。

③對(duì)T水電站二期圍堰工程進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)，分析T水電站應(yīng)急管理系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和整體脆弱性等級(jí)，為應(yīng)急管理部門(mén)提供應(yīng)急方法參考和科學(xué)性決策。

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