水電工程圍堰度汛應急管理系統脆弱性研究

李煒

摘要：基于圍堰度汛應急管理系統模糊性和不確定性特點，通過灰色聚類理論對應急管理風險進行分析。以圍堰度汛應急管理三維結構關系，建立圍堰度汛應急管理系統“攻擊—防御”指標體系，運用各灰類白化權函數計算灰色隸屬度構建灰色評價矩陣，并結合各指標權重得到整體系統和防御性指標脆弱性。評價結果與實際符合較好，驗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.

關鍵詞：圍堰度汛;應急管理;系統脆弱性;灰色聚類理論

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

中圖分類號：TV135.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0008-03

0? 引言

水電工程建設大多位于高山峽谷地區，因高水位、泄流量大等問題，圍堰度汛成為水電工程安全施工進度中的重要環節。水電工程圍堰度汛階段常遇到前兆不明次生潛在風險，對施工安全、工程質量和施工進度計劃等產生較大阻礙，因此，為避免施工過程中某一薄弱環節衍變成為突發事件，水電工程圍堰度汛應急管理成為安全施工的必要條件[1]。

工程施工人員和項目安全管理者針對突發風險，如何系統、科學的應急管理，相關學者給出了一定的意見。陳玉璽等[2]針對圍堰度汛受來水和泄流的影響，通過分析水力參數和水文風險保證上下游水電站安全度汛;陳昭安等[3]對圍巖滲流、圍堰高度和圍堰抗滑穩定性分析，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，分析水位變化對圍堰度汛的影響。

上述學者主要針對單一影響因素分析風險產生，并未對圍堰潛在風險進行多因素分析，針對突發風險應急管理是必要的。本文主要建立應急管理系統，從風險產生到應急建立“攻擊—防御”指標體系，通過Super-Decision對圍堰度汛應急管理系統脆弱性指標賦權，考慮了信度和較度檢驗，結果更符合真實性;同時考慮指標的模糊性和不確定性，基于灰色聚類理論，對系統脆弱性科學性評估。

1? 圍堰度汛應急管理系統分析

圍堰度汛指為開挖基坑修筑水利設施而修建的用來度過汛期的臨時圍護結構。圍堰度汛階段，因自然環境的不可預料性、自然環境和社會環境的高度密切性及工程本身的潛在風險，導致應急管理部門不能第一時間追蹤風險，無法快速做出準確的預測，風險衍生到爆發不能及時做出決策并處理，因此，圍堰度汛協調調度應急管理資源需要系統的管理辦法。

1.1 應急管理系統脆弱性識別

“脆弱性”最早出現在自然災害研究中，近年來學者將其引入工程領域，認為其是影響災害嚴重程度的重要因素。圍堰度汛應急管理系統脆弱性是應急管理與所處內部環境共同作用的一種屬性，既要考慮其系統性還要考慮其內部條件的影響。圍堰度汛具有水文地質復雜、工程跨度大、空間施工突發事件范圍廣等特點，這些特點要求應急管理系統減少自身的潛在薄弱環節即降低脆弱性，保證應急管理部門具備一定的抗逆性。

1.2 應急管理系統脆弱性指標體系構建

為降低圍堰度汛應急管理系統脆弱性，需對系統關鍵薄弱環節及風險源進行控制，其主要風險因素如圖1。

圍堰度汛應急管理系統脆弱性與潛在風險有關，系統風險呈現的劇烈程度以風險暴露性表示，暴露性表明風險大小，暴露性從“進攻者”的角度考慮，表明風險滋生逐步擴大到爆發。為保證“進攻者”對圍堰度汛產生威脅不以風險形式爆發，需要應急管理部門從適應性和恢復性的角度對“進攻者”進行“防御”，防御因素如圖2。

1.3 系統脆弱性評價模型

針對圍堰度汛應急管理系統“進攻性”和“防御性”，根據IPCC提出的脆弱性評價模型和史培軍[5]狹義脆弱性模型的基礎上，將“進攻性”和“防御性”關系用式（1）表示

式中：F為脆弱性系數，A為攻擊性系數表示所承受風險大小，D為防御性系數表示應急能力大小。

脆弱性系數由攻擊性系數和防御性系數共同決定，當F>1代表攻擊性系數大于防御性系數，即風險影響大于應急能力，該風險爆發;當F<1時應急能力強于風險影響，風險達到控制。通過脆弱性系數將風險評價等級分為3級U=[u1，u2，u3]，u1表示脆弱性高F>1，實際情況不可能達到F=1，u2、u3為脆弱性低F<1。u2、u3可運用K-means聚類算法劃分評語集。

2? 應急管理系統脆弱性評價

圍堰度汛階段風險呈潛在的、模糊的和不確定性的，導致風險因素具有“灰性”特征。用過灰色聚類理論[6]，確定圍堰度汛應急管理系統各風險因素所屬灰類，從而構建灰色評價矩陣。

2.1 確定評價灰類

圍堰度汛潛在風險往往是定性的存在，實際工程中很難量化其值，風險狀態值通常由經驗豐富的專家給定。建立相應的圍堰度汛應急管理系統專家評價數據庫C。

設第k位專家對Aij和Dij的風險評價值分別為vijk和uijk，根據l位專家的評分構建樣本矩陣U和V。

由影響因素狀態，將風險因素分級劃分為5個等級，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個灰類，對應的評價灰類號為e={1，2，3，4，5}，各灰類對應的閾值為1，3，5，7，9。

根據灰色聚類理論得到各灰類白化權函數：

2.2 脆弱性評價值計算

將樣本矩陣中的樣本vijk代入白化權函數（2）-（6），得到各灰類隸屬度f1（vijk），f2（vijk），f3（vijk），f4（vijk），f5（vijk）。由灰類隸屬度計算各指標對應響應的灰色統計數geij，并得到總灰色統計數Geij：

并由式（7）-（8）得到Aij和Dij的各灰類評價權值reij：

由式（9）得到相應的攻擊性和防御性指標灰色評價矩陣RA和RD。綜合指標評價等級閾值G=[1，3，5，7，9]對應的分值集合，則攻擊性和防御性系數矩陣為：

防御性指標脆弱性系數fDij和系統整體脆弱性系數F：

3? 案例分析

T水電站為低水頭徑流式電站，主要用于水力發電，并兼顧供水灌溉。為保證工程順利施工，圍堰度汛標準為20年一遇洪水，過水前對基坑進行充水避免沖刷，汛期后進行基坑抽水及圍堰恢復，再進行工程施工。

3.1 脆弱性影響因素權重確定

圍堰修建將會抬高上游水位，主體工程施工會面臨臨水、涉水或水下施工，同時圍堰度汛階段工程施工面對的潛在衍生風險不同，其風險嚴重程度也相對不同，因此，需要對不同風險賦予不同的重要性程度，主要針對劇烈嚴重風險。分別邀請水利工程安全風險管理和應急管理相關領域的專家，對上述攻擊性指標和防御性指標進行打分，并對數據進行處理得到對應指標權重。

3.2 T水電站系統脆弱性系數

為確保圍堰度汛水位，需密切與當地水文氣象部門、業主和監理等調查水情，分析工程潛在風險，圍堰度汛應急管理系統風險因素非定量表示，因此聘請10位應急管理、水文研究、風險管理和施工管理等領域的專家對該系統的攻擊性指標和防御性指標進行評估打分。

結合公式（2）-（7）計算灰色評價值，并由式（8）-（9）可得vijk灰色評價矩陣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a11=ra11·GT=4.01。同理可得到攻擊性系數和防御性系數。

為避免風險衍生，辨識應急管理系統的薄弱環節，由式（11）計算防御性指標脆弱性系數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算法計算防御性指標脆弱性系數的歐氏距離，當結果收斂時確定評語集，其中D15、D33處于高脆弱性等級，D11、D23、D32處于中脆弱性等級，其它處于低脆弱性等級。根據所得權重和攻擊性、防御性指標系數得到圍堰度汛應急管理系統脆弱性系數F=0.827，T水電站圍堰施工整體上處于低脆弱性等級。圍堰度汛階段，風險滋生到形成主要由于前期的應急管理安全意識沒有初步形成，導致工程施工過程中，人員安全意識和安全心理薄弱，對風險不能及時管控，從而導致潛在風險形成。因此，要加強應急管理培訓和應急管理心理意識，對突發風險應急管理部門能針對性下達決策意見。

4? 結論

為保證水利工程安全施工，規避圍堰度汛應急管理系統中的潛在風險，提出圍堰度汛應急管理系統脆弱性評價方法，并結合T水電站二期圍堰工程基本條件對圍堰度汛應急管理系統脆弱性進行評估，得出以下結論：

①根據圍堰度汛應急管理“三維結構”，構建圍堰度汛應急管理系統，并通過分析圍堰度汛應急管理系統薄弱環節引入脆弱性，構建“攻擊—防御”系統脆弱性指標體系。

②運用Super-Decision構建應急管理系統脆弱性網絡層級結構圖，分析指標之間的相互作用，計算對應指標的權重。考慮因素的模糊性和不確定性，通過灰色聚類理論建立白化權函數，建立灰色評價矩陣計算脆弱性系數，對圍堰度汛應急管理系統脆弱性評價。

③對T水電站二期圍堰工程進行脆弱性評價，分析T水電站應急管理系統風險指標和整體脆弱性等級，為應急管理部門提供應急方法參考和科學性決策。

參考文獻：

[1]劉全，胡志根，齊志堅，等.大壩原址重建施工導流風險特性研究[J].工程科學與技，2017，49（05）：35-41.

[2]陳玉璽，盧曉春，陳渴鑫，等.梯級水電建設環境下土石圍堰漫溢風險研究 [J]. 水利水電技術，2019，50（02）：177-183.

[3]陳昭安，朱曉亮，楊軍宏.土圍堰在高水位下的受力分析研究[J].公路交通科技，2018，35（S1）：132-137.

[4]張超，蔣陶.上游水電站圍堰漫頂潰決條件下施工中期度汛水位數值模擬[J].長江科學院院報，2018，35（01）：52-56，62.

[5]史培軍.三論災害研究的理論與實踐[J].自然災害學報，2002（03）：1-9.

[6]Yongjun L ， Chitan L ， Xiujiao Q . Fuzzy Comprehensive Evaluation Method of Masonry Structure Safety Based on Grey Clustering Theory[J]. Mathematical Problems in Engineering， 2018， 2018：1-15.