基于PSR-TOPSIS模型的長距離輸水工程運行安全韌性評估研究

摘要：為進一步提升長距離輸水工程的運行安全水平，引入韌性理論，結合壓力-狀態(tài)-響應（PSR）模型，構建長距離輸水工程的運行安全韌性評估指標體系；采用G1-CRITIC主客觀組合賦權法，以減少指標權重的主觀偏差和客觀片面，并將TOPSIS法應用于長距離輸水工程運行安全韌性評估；差異化選取5個不同地區(qū)的代表性長距離輸水工程案例，驗證該評估模型的科學性和有效性，并綜合案例實際情況，提出韌性提升策略。結果表明，長距離輸水工程運行安全韌性仍有較大提升空間，提出的韌性評估模型效果符合實際，可為長距離輸水工程運行安全水平的提升提供一定的決策參考。

關鍵詞：長距離輸水工程；PSR模型；組合賦權；TOPSIS法；運行安全；韌性評估

0 引言

2023年《國家水網建設規(guī)劃綱要》指出，我國水利基礎設施網絡系統(tǒng)性、綜合性、強韌性還需增強，需繼續(xù)提高缺水地區(qū)供水保障程度和抗風險能力^［1］。長距離輸水工程是我國水利基礎設施建設中的重要子系統(tǒng)，具有跨度大、影響廣、地質及環(huán)境條件復雜等特點，輸水工程的安全可靠運行，對增強供水保障能力、推動受水區(qū)域社會經濟發(fā)展至關重要^［2］。因此，進行長距離輸水工程運行安全韌性評估研究，對于提高水利工程運行安全管理水平、促進我國水利基礎設施建設與發(fā)展具有重要意義。

近年來，眾多長距離輸水工程相繼建成并投入運行^［2］，眾多學者對長距離輸水工程的運行安全進行了深入的研究。例如，王濟干等^［3］針對跨省界區(qū)域輸水工程，提出了基于共識模型和前景理論的風險評估模型，幫助確定工程各風險故障模式的優(yōu)先級；聶相田等^［4］利用事故系統(tǒng)風險傳遞理論，構建風險傳遞仿真模型，分析長距離引水工程節(jié)點風險處置能力對風險傳遞的影響，為降低運行安全風險提供新的思路；關煒等^［5］基于霍爾三維結構模型、概念模型和風險識別模型提出一套適用于長距離調水工程的運行安全風險預警系統(tǒng)；湯洪潔等^［6］將工程進行單元劃分，建立風險集成層次結構模型，基于多種評價模型進行集成計算，以評估工程總體風險等級。

“韌性”理念最初來自于生態(tài)學，用于描述生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)^［7］。隨后，韌性研究逐漸延伸到心理、工程、交通、城市、基礎設施建設等領域。隨著基礎設施建設韌性研究不斷深入，韌性逐漸成為水利基礎設施建設的重要研究對象之一^［8］。例如，楊芳等^［9］基于韌性能力表征，從承受、恢復和適應能力三個角度構建城市供水系統(tǒng)的韌性評價體系；詹栩怡等^［10］從Todini指數(shù)、

供水保證率、剩余供水能力、故障前后節(jié)點能量損失4個方面，對供水管網進行韌性評估；宋亮亮等^［11］對水利工程運行安全韌性進行定義，構建了基于云模型的水利工程運行安全韌性評價模型，證明了韌性理論在水利工程運行安全韌性評估中具備較好的適用性。

綜上所述，現(xiàn)有針對長距離輸水工程的研究大多集中在風險預防與評價方面，而對韌性評估研究較少，且其評價指標選取主要從工程系統(tǒng)內部進行考量。

鑒于此，基于水利基礎設施建設韌性發(fā)展需求^［12］，綜合考慮基礎設施建設韌性特征和輸水工程運行特點。首先，基于壓力-狀態(tài)-響應（PSR）框架模型，構建長距離輸水工程韌性評估指標體系；其次，采取G1序關系分析法和CRITIC法進行指標主客觀賦權；最后，采用逼近理想解法評估長距離輸水工程運行安全韌性等級，為提升輸水工程運行安全管理能力提供參考。

1 構建基于PSR模型的長距離輸水工程運行安全韌性評估指標體系

壓力-狀態(tài)-響應（PSR）模型在生態(tài)、社區(qū)、城市安全韌性評估中應用較為成熟^［13］，基礎設施建設遭受風險后，會經歷“穩(wěn)定-受沖擊-沖擊后恢復穩(wěn)定”的動態(tài)變化過程^［14］，而PSR模型“原因-效應-適應”的邏輯思維可以較為準確地描述工程系統(tǒng)安全韌性。因此，構建基于PSR模型的長距離輸水工程運行安全韌性評估指標體系，具體步驟如下：

（1）指標選取。考慮長距離輸水工程自身特點，參考《水利工程標準化管理評價辦法》《水利安全生產標準化通用規(guī)范》等標準規(guī)范及相關文獻^［15-16］，進行指標初篩，在此基礎上，根據(jù)科學性、可操作性等原則，并結合專家意見進行指標優(yōu)選。最終，從壓力層、狀態(tài)層和響應層三個層面共選取19個指標。

（2）指標等級確定。參考《調水工程標準化管理整體評價標準》等安全評價等級、行業(yè)規(guī)范及借鑒相關文獻^［15-18］，將選取的19個韌性評估指標劃分為5個等級。定性評估指標韌性等級從低到高依次賦1～5分作為韌性評估指標的等級取值。

長距離輸水工程運行安全韌性評估指標體系及等級劃分見表1。

2 長距離輸水工程運行安全韌性評估模型構建

2.1 指標權重確定

2.1.1 采用G1法確定主觀權重

G1法又稱序關系法，該方法無須構建重要性判斷矩陣，可避免一致性檢驗難以通過的問題^［19］，確定評價指標重要性排序為

X^*₁gt; X^*₂gt; … gt; X^*_n（1）

在同一目標層或準則層下，判斷各指標之間的相對重要程度，得出指標X_j-1與指標X_j重要性程度之比為

式中，相對重要程度r_j賦值見表2。

依據(jù)專家的賦權情況，計算第j個指標的主觀權重w_1j為

式中，r_j為韌性指標重要程度比值，i取k～n。

2.1.2 采用CRITIC法確定客觀權重

CRITIC法是一種綜合考慮指標之間對比強度和沖突程度的賦權方法^［20］。計算各指標的信息量I_j為

式中，σ_j為指標j的標準差，反映指標間的差異性；（1-r_ij）為指標間的沖突性；I_j值為指標所包含的信息量大小。

計算指標客觀權重w_2j為

2.1.3 運用最小相對信息熵原理確定指標組合權重W

根據(jù)最小相對信息熵原理^［21］，可得

2.2 基于TOPSIS的長距離輸水工程運行安全韌性評估模型

TOPSIS法是一種綜合評價方法，基本思路是計算各樣本與最優(yōu)解的距離，以得到與理想方案的貼近度，進而對各樣本的優(yōu)劣進行排序^［19］，具體步驟如下：

（1）建立評估矩陣X_k。假設有m個待評價樣本，n個待評價指標，故得到初始評估矩陣X_k（k=0或k=1）為

式中，x_ij為第i個待評價樣本的第j個評價指標的量化值（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）；

X₀為初始評估矩陣，根據(jù)韌性評估指標分級取值建立；X₁為以具體案例實際數(shù)據(jù)建立的評估矩陣。

（2）建立標準化決策矩陣H_k。無量綱處理初始評估矩陣X₀為

式中，h_ij為x_ij的無量綱形式；max_j（x_ij）和min_j（x_ij）為X_k中第i個評估指標的最大值和最小值。

（3）計算加權規(guī)范化決策矩陣。S_k為

S_k=（s_ij）_m×n=H_kW（11）

式中，H_k為通過式（2）、式（3）計算出的標準化決策矩陣；W為通過式（9）計算出的指標綜合權重。

（4）確定每個指標的正負理想解。s⁺_j和s^-_j分別為S_k中第j項指標的最大值和最小值，因此，正、負理想解分別為

S⁺_j=［max（s_ij）］=（s⁺₁， s⁺₂， …， s⁺_n）（12）

S^-_j=［min（s_ij）］=（s^-₁， s^-₂， …， s^-_n）（13）

（5）計算各評估對象與正、負理想解的距離。D⁺_i、D^-_i為

（6）計算各個評估對象到負理想解的貼近度。D_i為

2.3 確定長距離輸水工程運行安全韌性等級標準

根據(jù)長距離輸水工程運行安全韌性評估指標的分級取值，建立初始評估矩陣X₀，見式（17）

根據(jù)式（8）～式（16），計算出5個韌性等級指標取值的D⁺_i、D^-_i及D_i。貼近度越小，韌性水平越低。通過D_i的大小劃分長距離輸水工程運行安全韌性等級標準，見表3。

由表3可得韌性等級判別標準如下：

當0≤D_i＜0.321 8時，此時韌性等級為Ⅰ級（低韌性）；當0.321 8≤D_i＜0.532 5時，此時韌性等級為Ⅱ級（較低韌性）；當0.532 5≤D_i＜0.760 9時，此時韌性等級為Ⅲ級（較高韌性）；當0.760 9≤D_i＜1時，此時韌性等級為Ⅳ級（高韌性）；當D_i=1時，此時韌性等級為Ⅴ級（理想韌性）。

輸水工程運行安全韌性等級描述見表4。

3 實例分析

3.1 案例選取

（1）案例概況。綜合考量區(qū)域環(huán)境、設計流量、運行年限等特點，差異化選取全國5個不同區(qū)域的具體案例，進行運行安全韌性評估。選取的評估對象分位于安徽、江蘇、青海、湖北、甘肅5個?。ㄗ灾螀^(qū)），均為進入運營期的某長距離輸水工程干、支線，分別記為A₁、A₂、A₃、A₄和A₅，工程案例概況見表5。

（2）數(shù)據(jù)來源。定量指標數(shù)據(jù)通過省水資源公報、中國水利統(tǒng)計年鑒及國家數(shù)據(jù)網等政府網站獲取。定性指標數(shù)據(jù)通過邀請領域專家根據(jù)案例實際情況進行賦分得到。

3.2 指標權重確定

由6名水利工程領域的高校學者與輸水工程建設、施工及運營管理單位等相關技術專家對準則層及指標層賦分，通過根據(jù)式（1）～式（3）計算得出各指標主觀權重，準則層專家重要性排序及打分表見表6。

同理，可計算得出各指標層的主觀權重。

最終，根據(jù)式（1）～式（7），計算出各指標客觀權重，并采用最小信息熵對組合權重進行優(yōu)化，得到最終的各級指標權重，見表7。

3.3 評估結果分析

根據(jù)式（8）～式（16），計算出5個案例的貼近度，并得到韌性評估等級，運行安全韌性評估結果見表8。

為評估各各層指標對于工程安全運行韌性的影響程度，計算得出各案例與正理想解的貼近度后，將無量綱處理后的各評估指標實際數(shù)據(jù)與其指標權重的乘積作為度量值，各層指標影響程度見表9。

根據(jù)表8、表9結果可知，案例A₂、A₄和A₅工程運行安全韌性等級為較高韌性，而案例A₁、A₃為較低韌性，均暫未達到高韌性，表明長距離輸水工程運行安全韌性仍有較大提升空間，符合現(xiàn)實情況。各準則層對于輸水工程運行安全總體韌性的影響程度為：響應層（1.025）gt;狀態(tài)層（0.995）gt;壓力層（0.766），說明在工程實際運行中，需重點提升工程在遭受風險后維持穩(wěn)態(tài)、快速有效響應等方面的能力，以提升工程運行安全韌性。

3.4 韌性提升策略

綜合分析各案例的各指標實際數(shù)據(jù)，可采取的運行安全韌性提升策略主要如下：

（1）壓力方面。在工程條件方面，針對地質、環(huán)境及氣象易發(fā)災害，采取專項防治措施，結合區(qū)域發(fā)展規(guī)劃，在工程前期設計中盡可能地避免與其他基礎設施交叉施工作業(yè)；在調度協(xié)調方面，綜合考慮工業(yè)、農業(yè)、民用及生態(tài)用水需求，建立動態(tài)水資源調度系統(tǒng)，建立并落實跨流域調度協(xié)商、移民征地補償制度，以減少水事糾紛、第三方破壞事件的發(fā)生。

（2）狀態(tài)方面。一是建立完善的信息化監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對工程結構強度、變形速率、設施故障損毀等情況的全面監(jiān)控及預警；二是應配備充足的應急保障資源，定期對核心設施、輸水建筑物進行巡查檢修。

（3）響應方面。一是保證工程數(shù)據(jù)資料檔案收集全面，為災害應急管理制度優(yōu)化提供保障；二是制訂有效的應急響應預案，并加強對員工的運行安全知識及制度培訓，以提升運行管理人員的安全意識和應急處理能力。

4 結語

為提升長距離輸水工程運行安全水平，結合韌性理論與PSR模型，從壓力層、狀態(tài)層、響應層三個維度，構建了較為完善的長距離輸水工程運行安全韌性指標體系；分別采用G1法和CRITIC法進行主客觀賦權，并運用最小相對熵原理確定綜合權重，建立基于PSR-TOPSIS的長距離輸水工程運行安全韌性評估模型；依據(jù)區(qū)域及工程特點，劃分韌性等級標準，并對代表性工程案例評估其韌性等級。結果表明，該模型評估結果符合實際，各案例運行安全韌性水平均未達到高韌性等級，且運行安全韌性受響應層影響最大、狀態(tài)層影響程度其次，壓力層最次。

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收稿日期：2023-12-15

作者簡介：

張勇（1965—），男，博士，教授級高級工程師，碩士研究生導師，研究方向：項目管理、水利工程、土木建造與管理。

李萌（通信作者）（2000—），男，研究方向：項目經濟與管理。

蔡戈（1998—），男，研究方向：項目經濟與管理。