Study on Vulnerability of Flood Emergency Management System for Cofferdam of Hydropower Project
李炜 LI Wei；邹韬 ZOU Tao
（三峡大学水利与环境学院，宜昌 443002）
（College of Hydraulic & Environmental Engineering，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）
摘要：基于围堰度汛应急管理系统模糊性和不确定性特点，通过灰色聚类理论对应急管理风险进行分析。以围堰度汛应急管理三维结构关系，建立围堰度汛应急管理系统“攻击—防御”指标体系，运用各灰类白化权函数计算灰色隶属度构建灰色评价矩阵，并结合各指标权重得到整体系统和防御性指标脆弱性。评价结果与实际符合较好，验证了该方法的有效性。
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.
关键词：围堰度汛；应急管理；系统脆弱性；灰色聚类理论
Key words: cofferdam degree；emergency management；system vulnerability；grey clustering theory
中图分类号：TV135.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）24-0008-03
0 引言
水电工程建设大多位于高山峡谷地区，因高水位、泄流量大等问题，围堰度汛成为水电工程安全施工进度中的重要环节。水电工程围堰度汛阶段常遇到前兆不明次生潜在风险，对施工安全、工程质量和施工进度计划等产生较大阻碍，因此，为避免施工过程中某一薄弱环节衍变成为突发事件，水电工程围堰度汛应急管理成为安全施工的必要条件[1]。
工程施工人员和项目安全管理者针对突发风险，如何系统、科学的应急管理，相关学者给出了一定的意见。陈玉玺等[2]针对围堰度汛受来水和泄流的影响，通过分析水力参数和水文风险保证上下游水电站安全度汛；陈昭安等[3]对围岩渗流、围堰高度和围堰抗滑稳定性分析，保证工程围堰度汛安全施工；张超等[4]考虑上游水位漫顶会影响下游围堰中期度汛，建立水位变化模型，分析水位变化对围堰度汛的影响。
上述学者主要针对单一影响因素分析风险产生，并未对围堰潜在风险进行多因素分析，针对突发风险应急管理是必要的。本文主要建立应急管理系统，从风险产生到应急建立“攻击—防御”指标体系，通过Super-Decision对围堰度汛应急管理系统脆弱性指标赋权，考虑了信度和较度检验，结果更符合真实性；同时考虑指标的模糊性和不确定性，基于灰色聚类理论，对系统脆弱性科学性评估。
1 围堰度汛应急管理系统分析
围堰度汛指为开挖基坑修筑水利设施而修建的用来度过汛期的临时围护结构。围堰度汛阶段，因自然环境的不可预料性、自然环境和社会环境的高度密切性及工程本身的潜在风险，导致应急管理部门不能第一时间追踪风险，无法快速做出准确的预测，风险衍生到爆发不能及时做出决策并处理，因此，围堰度汛协调调度应急管理资源需要系统的管理办法。
1.1 应急管理系统脆弱性识别
“脆弱性”最早出现在自然灾害研究中，近年来学者将其引入工程领域，认为其是影响灾害严重程度的重要因素。围堰度汛应急管理系统脆弱性是应急管理与所处内部环境共同作用的一种属性，既要考虑其系统性还要考虑其内部条件的影响。围堰度汛具有水文地质复杂、工程跨度大、空间施工突发事件范围广等特点，这些特点要求应急管理系统减少自身的潜在薄弱环节即降低脆弱性，保证应急管理部门具备一定的抗逆性。
1.2 应急管理系统脆弱性指标体系构建
为降低围堰度汛应急管理系统脆弱性，需对系统关键薄弱环节及风险源进行控制，其主要风险因素如图1。
围堰度汛应急管理系统脆弱性与潜在风险有关，系统风险呈现的剧烈程度以风险暴露性表示，暴露性表明风险大小，暴露性从“进攻者”的角度考虑，表明风险滋生逐步扩大到爆发。为保证“进攻者”对围堰度汛产生威胁不以风险形式爆发，需要应急管理部门从适应性和恢复性的角度对“进攻者”进行“防御”，防御因素如图2。
1.3 系统脆弱性评价模型
针对围堰度汛应急管理系统“进攻性”和“防御性”，根据IPCC提出的脆弱性评价模型和史培军[5]狭义脆弱性模型的基础上，将“进攻性”和“防御性”关系用式（1）表示
F=■（1）
式中：F为脆弱性系数，A为攻击性系数表示所承受风险大小，D为防御性系数表示应急能力大小。
脆弱性系数由攻击性系数和防御性系数共同决定，当F>1代表攻击性系数大于防御性系数，即风险影响大于应急能力，该风险爆发；当F<1时应急能力强于风险影响，风险达到控制。通过脆弱性系数将风险评价等级分为3级U=[u1，u2，u3]，u1表示脆弱性高F>1，实际情况不可能达到F=1，u2、u3为脆弱性低F<1。u2、u3可运用K-means聚类算法划分评语集。
2 应急管理系统脆弱性评价
围堰度汛阶段风险呈潜在的、模糊的和不确定性的，导致风险因素具有“灰性”特征。用过灰色聚类理论[6]，确定围堰度汛应急管理系统各风险因素所属灰类，从而构建灰色评价矩阵。
2.1 确定评价灰类
围堰度汛潜在风险往往是定性的存在，实际工程中很难量化其值，风险状态值通常由经验丰富的专家给定。建立相应的围堰度汛应急管理系统专家评价数据库C。
设第k位专家对Aij和Dij的风险评价值分别为vijk和uijk，根据l位专家的评分构建样本矩阵U和V。
由影响因素状态，将风险因素分级划分为5个等级，分别为[0，2）、[2，4）、[4，6）、[6，8）、[8，10]，分别表示低、较低、中等、较高、高5个灰类，对应的评价灰类号为e={1，2，3，4，5}，各灰类对应的阈值为1，3，5，7，9。
根据灰色聚类理论得到各灰类白化权函数：
①当e=1处于低等级时，灰数?茚∈[0，2，10]，该灰类白化权函数为：
■（2）
②当e=2处于较低等级时，灰数?茚∈[0，2，4，10]，该灰类白化权函数为：
■（3）
③当e=3处于较高等级时，灰数?茚∈[0，4，6，10]，该灰类白化权函数为：
■（4）
④当e=4处于中等等级时，灰数?茚∈[0，6，8，10]，该灰类白化权函数为：
■（5）
⑤当e=5处于高等级时，灰数?茚∈[0，8，10]，该灰类白化权函数为：■（6）
2.2 脆弱性评价值计算
将样本矩阵中的样本vijk代入白化权函数（2）-（6），得到各灰类隶属度f1（vijk），f2（vijk），f3（vijk），f4（vijk），f5（vijk）。由灰类隶属度计算各指标对应响应的灰色统计数geij，并得到总灰色统计数Geij：
■（7） ■（8）
并由式（7）-（8）得到Aij和Dij的各灰类评价权值reij：
■（9）
由式（9）得到相应的攻击性和防御性指标灰色评价矩阵RA和RD。综合指标评价等级阈值G=[1，3，5，7，9]对应的分值集合，则攻击性和防御性系数矩阵为：
■（10）
防御性指标脆弱性系数fDij和系统整体脆弱性系数F：
■（11） ■（12）
3 案例分析
T水电站为低水头径流式电站，主要用于水力发电，并兼顾供水灌溉。为保证工程顺利施工，围堰度汛标准为20年一遇洪水，过水前对基坑进行充水避免冲刷，汛期后进行基坑抽水及围堰恢复，再进行工程施工。
3.1 脆弱性影响因素权重确定
围堰修建将会抬高上游水位，主体工程施工会面临临水、涉水或水下施工，同时围堰度汛阶段工程施工面对的潜在衍生风险不同，其风险严重程度也相对不同，因此，需要对不同风险赋予不同的重要性程度，主要针对剧烈严重风险。分别邀请水利工程安全风险管理和应急管理相关领域的专家，对上述攻击性指标和防御性指标进行打分，并对数据进行处理得到对应指标权重。
3.2 T水电站系统脆弱性系数
为确保围堰度汛水位，需密切与当地水文气象部门、业主和监理等调查水情，分析工程潜在风险，围堰度汛应急管理系统风险因素非定量表示，因此聘请10位应急管理、水文研究、风险管理和施工管理等领域的专家对该系统的攻击性指标和防御性指标进行评估打分。
结合公式（2）-（7）计算灰色评价值，并由式（8）-（9）可得vijk灰色评价矩阵ra11：ra11=[0.21 0.26 0.22 0.18 0.13]，再由式（10）得到A11的攻击性系数a11=ra11·GT=4.01。同理可得到攻击性系数和防御性系数。
为避免风险衍生，辨识应急管理系统的薄弱环节，由式（11）计算防御性指标脆弱性系数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算法计算防御性指标脆弱性系数的欧氏距离，当结果收敛时确定评语集，其中D15、D33处于高脆弱性等级，D11、D23、D32处于中脆弱性等级，其它处于低脆弱性等级。根据所得权重和攻击性、防御性指标系数得到围堰度汛应急管理系统脆弱性系数F=0.827，T水电站围堰施工整体上处于低脆弱性等级。围堰度汛阶段，风险滋生到形成主要由于前期的应急管理安全意识没有初步形成，导致工程施工过程中，人员安全意识和安全心理薄弱，对风险不能及时管控，从而导致潜在风险形成。因此，要加强应急管理培训和应急管理心理意识，对突发风险应急管理部门能针对性下达决策意见。
4 结论
为保证水利工程安全施工，规避围堰度汛应急管理系统中的潜在风险，提出围堰度汛应急管理系统脆弱性评价方法，并结合T水电站二期围堰工程基本条件对围堰度汛应急管理系统脆弱性进行评估，得出以下结论：
①根据围堰度汛应急管理“三维结构”，构建围堰度汛应急管理系统，并通过分析围堰度汛应急管理系统薄弱环节引入脆弱性，构建“攻击—防御”系统脆弱性指标体系。
②运用Super-Decision构建应急管理系统脆弱性网络层级结构图，分析指标之间的相互作用，计算对应指标的权重。考虑因素的模糊性和不确定性，通过灰色聚类理论建立白化权函数，建立灰色评价矩阵计算脆弱性系数，对围堰度汛应急管理系统脆弱性评价。
③对T水电站二期围堰工程进行脆弱性评价，分析T水电站应急管理系统风险指标和整体脆弱性等级，为应急管理部门提供应急方法参考和科学性决策。
参考文献：
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[5]史培军.三论灾害研究的理论与实践[J].自然灾害学报，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.
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