周聪聪，沈振中，马福恒，胡 江

（1.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210024；
2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

水库大坝应急预案是当不利的自然事件或人为事故发生时保护大坝下游安全、减少洪灾损失的一种基本手段，也是大坝安全管理中必不可少的重要一环［1］。目前，我国大中型水库大坝应急预案大多已经编制完成，但并未完全考虑方案的可行性与实施效果，致使在应对工程突发灾害事件时存在一定的安全隐患。因此，开展应急预案可行性评价方法的研究尤为必要，不仅能够及时发现预案编制过程中的问题与不足，还可以保障应急预案的有效运作，提高溃坝灾害的预防与控制能力。

目前国内外对于水库大坝应急预案可行性评价的研究较少，杨道军［2］运用Delphi法首次建立了水库突发事件应急预案可行性评价指标体系，并以专家打分的方式对评价指标赋权，实现了对预案可行性的量化评价；
程翠云等［3］按照预防预警、应急响应和灾后恢复的时间顺序建立了预案可行性评价模型，并利用指标序号法确定各级指标的权重，以评价预案可行性；
张士辰等［4］将灰色关联度理论引入评价模型中，研究了可行性指标体系不完备等灰色特征对评价结果准确性的影响。

上述各研究存在评价方法单一片面，主观性和模糊性强，定性成分多，评价结果说服性不强等问题。云模型是李德毅院士基于概率论与模糊理论所提出的一种能够同时考虑事物模糊性与随机性的评价方法［5］，可以很好地实现定性到定量的相互转化，在水利领域被广泛应用于生态河道评价［6］、水资源利用效率评估［7］、水质评价［8］等方面。当前还未有学者利用云模型对水库大坝应急预案可行性进行评价研究。因此，针对水库大坝应急预案可行性评价中存在的主观性和随机不确定性问题，本文构建了基于组合赋权和改进云模型的水库大坝应急预案可行性评价模型，以贵阳市松柏山水库大坝应急预案为例，验证该模型的适用性，以期为水库大坝应急风险管理研究提供借鉴。

可行性是应急预案的基本属性，也是检验预案是否合格的基本要求，其主要考查预案的完整性，从预案编制内容是否完备、考虑是否周全、各个环节是否能够有效衔接等方面对预案的可实施程度作出评价，而不考虑预案的实施效果。

影响水库大坝突发事件应急预案可行性的因素复杂而繁多，针对预案编制中存在的问题，本文从应急预案编制内容和《水库大坝安全管理应急预案编制导则》（SL／Z 720—2015），将影响水库大坝应急预案可行性的因素分为组织体系、运行机制、应急保障、应急训练四大类，其层次结构如图1所示。①组织体系包括应急指挥机构、应急保障机构、专家组、应急指挥部办公室、应急抢险与救援队伍。其中，建立应急指挥机构是整个应急组织体系的核心，明确指挥机构中的相关各方在预案启动、实施、结束过程中各自的职责与彼此的关系是组织体系中的重中之重［9］。②运行机制是应急预案落实为有效行动的重要保障［10］，包括预测与预警、应急响应、预警信息报告与发布、应急监测与巡查、水库应急调度、人员应急转移、应急结束、善后处理与事故分析等9个方面。其中预警信息报告与发布、应急监测与巡查、水库应急调度、人员应急转移是为应对突发事件而采取的应急处置措施，是保障预案有效运转的关键环节，同时也是衡量预案应急能力的重要指标。③应急保障是应急预案得以运转的物质基础［11］。应急预案启动后，根据需要调拨当地政府总体应急预案中应急保障资源，必要时还可征用社会资源。④应急训练是加强预案实施效果的一种有效方式，主要与当地居民防灾意识、应急预案的宣传与教育、相关人员培训与演练等指标有关。

图1 水库大坝突发事件应急预案可行性评价指标体系

2.1 层次分析法确定主观固权

层次分析法是一种经典的主观赋权方法，因其能够极大程度地保留评价者的主观价值而被广泛应用于多目标综合评价中，主要计算步骤如下。

步骤一：结合相关文献与学者、专家自身的预案编制经验，对水库大坝应急预案可行性指标体系的同一层次各指标按1～9比例标度法进行两两比较［12－15］，建立判断矩阵。

步骤二：计算判断矩阵的最大特征值λmax及其对应的特征向量W，其中ω′i即所求主观固权。

步骤三：一致性检验。

式中：CR为检验系数，当CR＜0.1时表示矩阵通过一致性检验；
λmax为判断矩阵的最大特征值；
RI为随机一致性指标；
n为矩阵阶数，n与RI对应关系见表1。

表1 随机一致性指标RI与判断矩阵阶数n的关系

2.2 熵权法确定客观固权

熵权法则引入信息熵的概念，是一种应用广泛的客观赋权方式，主要计算步骤如下。

步骤一：构建原始评价矩阵A。

式中：m为样本数；
n为指标数；
xij为原始评价矩阵中第i行第j列对应的指标值。

步骤二：无量纲化处理。

步骤三：计算各指标的信息熵。

式中：fij为评价因子在指标中的比重；
Hj为指标的熵值。

步骤四：计算各评价指标的客观固权ωj″。

2.3 基于遗传变权的综合权重

多权重组合问题其实是一种多目标优化问题，可借鉴遗传学理论，通过模拟自然进化过程搜索满足适应度函数的最优目标解，构造适应度函数：

式中：wj为综合权重，为第j个指标的主观固权；
w2j为第j个指标的客观固权；
n为评价指标数。

通过遗传算法，利用MATLAB进行程序迭代，可求解上述寻优问题，得到满足适应度函数的最优组合固权wj。考虑若异常指标权重较小，则其带来的负面影响会被遮盖，因此为克服固权的缺陷，结合变权理论，引入均衡系数对组合固权进行动态修正，均衡函数为

变权公式为

式中：xj为指标得分；
α为均衡系数，α＝1为固权模式，本文取α＝0.5；
为指标变权；
W（0）j为指标固权。

3.1 云模型的基本理论

云模型是将概率论与模糊理论结合，通过云滴描述事物模糊性与随机性之间的关联属性，利用云条件发生器实现由定性评价到定量评价转化的一种理论。云模型对于解决多目标复杂评价问题具有良好的适用性，可以很好地解决水库大坝应急预案可行性评价过程中存在的随机不确定性与灰色模糊性问题。

3.2 云数字特征与云发生器

云数字特征包括期望Ex、熵En和超熵He。Ex表示定性概念的平均水平，En表示定性概念的波动范围，He则用来度量定性概念熵的不确定性［3］。

云发生器是一种实现定性与定量之间相互转化的算法或工具。正向云发生器将模糊对象的云数字特征（Ex，En，He）通过正向云算法转化为一组定量数值。逆向云发生器则相反［4］。

3.3 构建评价等级标准云

依据得分值将水库大坝应急预案可行性的评价结果分为5个等级，见表2。

表2 综合评价等级

每个评价等级对应一个标准云，云的数字特征表达式如下：

式中：Lmlax和Lmlin分别为数值区间的上限和下限。

由此可计算出各评价区间的云数字特征，输入正向云发生器即可得到评价区间对应的标准云，见图2。

图2 水库大坝应急预案可行性评价标准云

3.4 综合云评价

将专家的初始评价矩阵输入以MATLAB编码的逆向云发生器，得到一级指标的云数字特征，将一级指标权重向量与各指标对应的数字特征进行复合，得到各二级指标的数字特征。复合计算方法为

式中：Exs、Ens、Hes为高级指标数字特征；
Exi、Eni、Hei为低级指标数字特征；
ω1、ω2、…、ωn为指标权重。

多次复合可得到目标层的云数字特征，输入正向云发生器，将得到的云图与标准云图对比，可评估水库大坝应急预案可行性所属评价等级，评价流程见图3。

图3 水库大坝应急预案可行性评价流程

本文以贵阳市松柏山水库大坝突发事件应急预案为例开展了可行性评价研究。松柏山水库距贵阳市中心32 km，总库容4 760万m3，是以贵阳市城市防洪为主，兼有灌溉、供水、发电等综合效用的中型水库。水库枢纽工程由主坝、副坝、引水隧洞及坝后电站厂房等组成，主坝为混凝土双曲薄拱坝，坝顶高程1 181.00 m，最大坝高52.5 m［5］。

4.1 收集初始评分数据

结合预案的真实情况，邀请10位权威专家（编号1～10）对22个子指标按照表2所示评价等级按百分制进行评分，评价等级越高表明该评价指标对提高预案可行性越有利，评分结果见表3。

表3 专家初始评分数据

4.2 确定综合权重

利用层次分析法和熵权法分别计算各级指标的主、客观固权，利用遗传算法和变权公式对主、客观固权耦合优化，得到综合权重，计算结果见表4。

表4 各指标主、客观固权及综合权重计算结果

经过计算，权重向量通过一致性检验。

4.3 进行可行性综合评价

将表3中各指标的评分输入逆向云发生器，生成对应的云数字特征（见表5），将云数字特征与指标权重复合后输入正向云发生器，可得到一级指标评估云（见图4）和目标层评估云（见图5），整个过程通过MATLAB实现。

图4 一级指标评估云

图5 目标层评估云

表5 各级指标云数字特征

4.4 结果分析与建议

根据最大隶属度原则，由图5可知，预案可行性综合评分为85.66，评价等级为优秀。该结果与预案评审结果一致。从图4可以看出，一级指标中，组织体系Q1在分值91.31处隶属度最大，指标得分最高，运行机制Q2次之，在分值89.86处隶属度最大，应急保障Q3和应急训练Q4指标得分较低，分别在分值79.09、81.66处隶属度最大。进一步分析导致该结果的原因，由表5可知，应急抢险救援物资与队伍保障Q31（71.66）、Q32（73.36）、应急监测与巡查Q24（81.63）、水库应急调度Q25（82.58）、应急预案的宣传与教育Q42（71.04）等几项指标拉低了预案整体评分。

可能导致该结果的原因如下：①应急抢险队伍人员规模尚未确定，应急救援机构占用了较多的公共资源；
②预警系统不够完善，报警设备过于单一，监测设备部分损坏或缺失，导致监测效果较差，影响预测预警的准确性；
③应急抢险行动方案和水库应急调度方案内容不够详细，可操作性不强；
④没有备用的电力系统，当地居民对预案的了解程度有限，居民的应急能力也有待加强。

基于上述评价结果，查阅相关文献，就提高水库大坝应急预案可行性，提出如下建议，供类似案例制定时参考：①公众广泛参与是确保预案有效实施的重要一环，因此当地政府和水库管理单位应联合组织，根据下游溃坝淹没区内居民的文化水平、年龄分布、风险意识和应急能力等方面因素综合考量，以适当方式做好预案宣传教育工作，使公众了解水库大坝的潜在风险，清楚水库溃坝时的应急避险流程，以便突发溃坝时，居民群众能够安全有序地撤离，避免引起不必要的恐慌。②预案的预演是与预案相关的所有单位人员和群众一同参与的大规模练习，可最大限度地发现预案存在问题和不足，从而进行改进和完善。③政府和水库主管部门可结合当地实际情况，选择合适的演习方式。通过加强应急预案的宣传、培训和预演，可使居民群众和预案实施的相关人员更加清楚地明白突发事件应急预案的流程和各自的职责，使公众熟知报警撤离的信号、撤离路径和避险场所，大大提高预案的执行效果，有效减少下游地区生命伤亡和经济财产损失。

（1）结合相关文献、行业规范和预案编制经验，从组织体系、运行机制、应急保障、应急训练4个维度，构建了包含22个二级指标的可行性评价指标体系，为水库大坝应急预案可行性评价研究提供参考。

（2）基于遗传算法的组合赋权克服了单一赋权方法的片面与局限，变权理论则能够凸显劣化指标带来的负面影响，暴露出预案编制过程中的问题与不足，有利于提升溃坝灾害预防预警与风险控制效果。

（3）从评价结果来看，针对水库应急预案可行性评价，基于遗传－变权的改进云模型具有良好的适用性，改进的云模型将可行性评价的多元复杂问题转化为多层次单目标问题，通过云发生器实现定性到定量的相互转化，有效解决了评价过程中存在的模糊性与随机性问题，为预案的可行性评估提供了技术支撑。

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