徐軼 蔡耀軍 任翔 周曉明

摘要：堰塞湖潰決作為一種重大水旱災害類型，具有突發(fā)性、不確定性、危害性、時間緊迫性等特征，其應急處置方案的決策仍以既有經(jīng)驗為主，決策成果的準確性和應急處置的成效性難以保障。利用情景推演法對堰塞湖險情的不同應急處置方案進行了推演，通過分析事前、事發(fā)、事中、事后的相關影響因素，構建了全面描述應急處置方案的評價指標體系及其量化標準，提出了基于改進熵權法的應急處置方案評價方法;從堰塞湖應急處置的必要性、可行性、方案優(yōu)選與組合3個層次出發(fā)，建立了堰塞湖應急處置的多因素、多層次決策模型，并進行了實例分析，得到了符合實際的分析結果?？蔀榻窈箢愃蒲呷U情的應急處置決策提供依據(jù)和參考。

關鍵詞：堰塞湖;應急處置;決策模型;評價方法;改進熵權法

中圖法分類號：P642.2 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.019

文章編號：1006 - 0081（2021）12 - 0107- 07

0 引 言

堰塞湖潰決作為一種重大水旱災害類型，具有突發(fā)性、影響范圍大、災害鏈長、對人民群眾生命財產(chǎn)安全威脅大等特征。堰塞湖險情應急處置往往受基礎資料短缺、進場交通不便或完全中斷、周邊地形地質(zhì)環(huán)境危險、施工時間短暫等因素制約，技術難度極大，一旦處置不當將造成災難性的后果。當前中國的堰塞湖風險評估及應急搶險以既有經(jīng)驗、常規(guī)設備為主，風險評估的準確性和應急搶險的成效性難以保障[1-3]。

針對堰塞湖的應急處置，其決策內(nèi)容主要包括風險決策（堰塞湖潰決洪水影響區(qū)分析、風險等級劃分、安全性評價）及應急處置方案決策（堰塞體應急處置工程措施及非工程措施）。水利部針對堰塞湖防災減災制定了兩項技術標準：SL 450-2009《堰塞湖風險等級劃分標準》對堰塞湖風險等級劃分、洪水標準確定及堰塞體安全性評定作出了明確規(guī)定[4];SL 451-2009《堰塞湖應急處置技術導則》較為全面地提出了堰塞湖應急處置的技術方法，通盤考慮了堰塞湖排險減災相關的工程措施和非工程措施[5]。但是，由于堰塞湖安全風險管理涉及較多不確定因素，其應急處置技術方案的決策方法仍以既有經(jīng)驗為主，需進一步探索。

近年來，一些學者開始關注堰塞湖應急處置決策方法及決策模型的研究。如李洪濤等[6]利用突變模糊理論在多準則、多層次評價決策中的優(yōu)點，將其應用到堰塞湖應急處置決策方案優(yōu)選比較中，避免了人為確定權重的主觀性，并基于綿遠河上堰塞湖應急處置工程實例進行計算與分析驗證，結果表明該法合理可行。王紹玉[7]、黃星[8]等綜合運用直覺模糊集理論、海明距離原理和熵權理論，將直覺模糊距離群決策方法運用到堰塞湖減災決策過程中，增強了決策的客觀性、科學性。柴福鑫等[9]開發(fā)了堰塞湖應急管理三維GIS系統(tǒng)，實現(xiàn)了堰塞湖大場景三維仿真與動態(tài)展示，并利用GIS和數(shù)據(jù)庫技術對堰塞湖進行空間分析和輔助決策。但總體而言，目前針對堰塞湖應急處置方案優(yōu)選及決策方法的研究成果仍較少，未形成可靠的決策標準及方法體系。

本文提出了一套堰塞湖應急處置方案評價方法及決策模型?；谇榫巴蒲堇碚摚瑯嫿巳轿幻枋鲅呷碧幹眉夹g方案的評價指標體系;基于改進熵權法，提出了應急處置技術方案的量化評價方法;建立了包含必要性決策、可行性決策及技術方案優(yōu)選決策3個層次的堰塞湖應急處置決策模型;并以某高危險性堰塞湖事件為例，進行了應急處置決策模型實證分析，得到了有效的分析結果。

1 堰塞湖應急處置方案及評價方法

堰塞湖應急處置方案包括工程措施和非工程措施。工程措施主要是指針對堰塞體本身采取的工程技術措施，非工程措施包括上下游人員轉(zhuǎn)移避險、水庫調(diào)度、淹沒區(qū)重要設施防護等，對于較大規(guī)模堰塞湖的應急處置，兩者往往要相互結合并同時進行[10]。本文主要研究的決策對象為工程措施方案。

1.1 應急處置方案

根據(jù)SL 451-2009《堰塞湖應急處置技術導則》及相關工程經(jīng)驗，堰塞湖應急處置工程措施方案一般包括：開挖引流槽及泄流渠、堰塞體拆除、湖水抽排、新建泄洪洞、利用或改造已有排水通道及臨時加固等。

1.2 應急處置方案評價指標體系及量化標準

利用情景推演法對堰塞湖險情發(fā)生后采取的應急處置及排險避險措施進行推演，堰塞湖的發(fā)生、發(fā)展過程可分為4個階段：堰塞湖形成、決策響應、應急處置和險情消除。從方案選取、方案設計、實施效果、實施周期及可靠性等因素對全面描述應急處置方案進行了考慮，并詳細分析了各種方案可能導致的后果，初步確定了主要的評價指標體系，包括適用條件、方案可控性、處置效果、技術難度、資源配置、實施周期、災損風險及風險應對措施8個指標。同時，按照應急處置方案在各評價指標上關聯(lián)性的定性描述將評價指標分為差、中、良、優(yōu)4個級別。為了能夠?qū)χ笜怂鶎俚牟煌墑e給予較為準確的判斷，將4個級別用0～10的數(shù)字來劃分，以便將定性判斷轉(zhuǎn)化為定量評價，更準確地度量所屬級別，并進一步分析該指標級別對待評方案的影響程度。本文提出的堰塞湖應急處置方案評價指標體系如表1所示。該指標體系在實際應用時可以根據(jù)堰塞湖及應急處置實際情況進行相應增減調(diào)整和動態(tài)優(yōu)化。

需要指出的是，由于堰塞湖險情處置本身的復雜性和現(xiàn)場實際情況的特殊性，目前對于各指標的分級標準仍以定性評判為主，指標的量化數(shù)值與堰塞湖實際規(guī)模條件和應急處置方案的技術參數(shù)相關，仍然難以達到完全定量的程度。本文在進行定性向定量的轉(zhuǎn)化時，應用群決策的名義群體法（Nominal Group Technique，簡稱NGT法）[11]進行專家研判。該法常用于建立評價指標的定性-定量轉(zhuǎn)化關系，其運用簡便且有效。

假設有n個專家，同時面對待評方案的所有資料，各獨立對該待評方案所反映的指標級別做出判斷，給出具體指標的量化分值[pi]，則根據(jù)式（1）可得到專家組的評價均值[p]，作為下一步的輸入，即：

[p=1ni=1npi]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

本文提出的量化標準將指標分級的變化范圍取為0～10，每種級別的變化范圍為0～2.5，可為專家研判提供足夠的空間，能夠更準確地對指標進行細分和度量。

1.3 基于改進熵權法的應急處置方案評價方法

應急處置方案評價的目的是研判處置方案排險除險的合理度，為堰塞湖險情處置的決策選擇提供依據(jù)。由于堰塞湖險情處置不確定因素多且復雜，此處借鑒國內(nèi)外安全風險管理及應急決策中多指標復雜性測度模型的思路，采用改進熵權法對堰塞湖應急處置方案的合理度進行評價。

根據(jù)信息論的基本原理，信息量是系統(tǒng)有序程度的度量，熵值是系統(tǒng)無序程度（即不確定信息）的度量。以堰塞湖應急處置這一復雜系統(tǒng)為例，其包含的繁雜基礎資料中，既包括有效信息，也包括不確定信息，有效信息越多則決策有效程度越高。因此，針對決策評價指標，若該指標的信息熵越小，則其提供的信息量越大，在綜合評價中所起的作用理應越大，權重就應該越高。

熵權法是一種基于熵權理論的客觀賦權方法。在具體使用過程中，熵權法根據(jù)各指標的變異程度，利用信息熵計算出各指標的熵權，再通過熵權對各指標的權重進行修正，從而得出較為客觀的指標權重。該法主要依據(jù)客觀資料，幾乎不受主觀因素的影響，可以在很大程度上避免人為因素的干擾。在突發(fā)事件應急處置決策、多目標優(yōu)化決策等領域有較廣泛的應用[12]。

基于改進熵權法的應急處置方案評價方法如下：

（1）構造待評方案集對指標體系的評價矩陣。如有m個待評方案，n個評價指標，則構造指標評價矩陣[R]：

[R=r′11r′12…r′1nr′21r′22…r′2n…………r′m1r′m2…r′mnm×n]? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

（2）對原始評價數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理。對評價矩陣[R]進行標準化處理得矩陣[R=rijm×n]：

j為正指標時，[rij=r′ij-Mini（r′ij）Maxi（r′ij）-Mini（r′ij）]

j為負指標時，[rij=Maxi（r′ij）-r′ijMaxi（r′ij）-Mini（r′ij）]

（3）計算第j個指標的熵[Hj]：

[Hj=-ki=1mfij?lnfij]， [j=1，2，???， n]? ? ? ? ? ? （3）

其中[fij=riji=1mrij]，[k=1lnm]，[fij]為第j個指標下第i個方案的指標值的比重，當[fij=0]， [fij?lnfij=0]。

（4）計算第j個指標的熵權[wj]：

[wj=1-Hjj=1n（1-Hj）=1-Hjn-j=1nHj]? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

（5）熵權的修正。熵權法可用于確定復雜系統(tǒng)中評價指標的權重，剔除指標體系中對評價結果貢獻不大的指標。與主觀賦權法相比，熵權法精度高、客觀性強、適用性廣，能夠較好地解釋系統(tǒng)評價結果。但該法忽略了指標本身的重要程度，導致確定的權重無法從整體上反映備選決策方案的情況。

堰塞湖潰決屬非常規(guī)突發(fā)事件，應急處置經(jīng)驗性仍較強。為充分考慮專家給予的主觀權重，對熵權法進行修正，得到綜合權重系數(shù)。假設專家根據(jù)自己的經(jīng)驗、目的和要求，將指標重要性的權重確定為[λ′j]，j=1，2，…，n，結合指標的熵權[wj]就可以得到指標j的綜合權重系數(shù)[λj]：

[λj=λ′jwjj=1nλ′jwj]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

（6）計算待評方案的綜合屬性度。對于第i種待評方案，其綜合屬性度[Zi]為：

[Zi=j=1nλjrij]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

（7）對待評方案綜合屬性度[Zi]的大小進行排序，綜合屬性度越大，說明該方案的合理度越優(yōu)。

2 堰塞湖應急處置決策模型

從堰塞湖應急處置的必要性、可行性及技術方案優(yōu)選3個層次出發(fā)，綜合考慮相關影響因素，采用不同方法予以評價，分別進行決策，建立了1套多因素、多層次的堰塞湖應急處置決策模型。該決策模型的總體技術路線如圖1所示。

（1）應急處置必要性決策。在獲取堰塞湖水文、地形、地質(zhì)及其他必要資料的基礎上，初步確定堰塞湖風險等級（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，共4級），作為堰塞體應急處置的依據(jù)。根據(jù)SL 450-2009《堰塞湖風險等級劃分標準》，堰塞湖風險等級劃分主要依據(jù)查表法和計算分析法。查表法基于堰塞體危險性和堰塞湖淹沒及潰決損失嚴重性兩方面進行綜合評判;計算分析法是基于風險分析理念，通過模糊數(shù)學方法對堰塞湖的風險等級進行評判[4]。堰塞湖風險等級亦可根據(jù)實際情況采用其他方法確定。

根據(jù)堰塞湖風險等級對應急處置的必要性進行決策（決策結果可分為：必要，必要性不大，不必要）。如風險等級為Ⅰ級和Ⅱ級，應盡快采取應急處置措施;如風險等級為Ⅲ級，應視情況決定是否采取應急處置措施;如風險等級為Ⅳ級，不采取應急處置措施，可通過監(jiān)測與預報進行應對。

（2）應急處置技術可行性決策。如應急處置必要，應對堰塞體的可能潰決形式、施工條件、處置時間等因素進行分析，研判應急處置工程措施的可行性。在上述應急處置可行性評價指標中，對堰塞體可能潰決形式的研判應包括堰塞體整體穩(wěn)定性及抗沖刷特性;施工條件包括場地條件（現(xiàn)場地形地質(zhì)條件是否滿足施工要求）、進場條件（人員及施工設備是否具備陸路、水路或空中運輸條件）及供應條件（人力及設備資源、給養(yǎng)是否充足）;處置時間應根據(jù)水文、氣象條件和險情狀況等因素綜合確定。應急處置技術可行性評價標準如表2所示。

基于一致性原則，對堰塞湖的應急處置可行性進行決策。上述應急處置可行性評價指標如同時具備條件，則應急處置可行;如有一項因素不具備條件，則應急處置不可行;其他情況下，則應急處置基本可行。對于應急處置不可行的情況，應盡快采取下游緊急避險等非工程措施。

（3）應急處置技術方案優(yōu)選決策。堰塞湖應急處置方案決策是在必要性及可行性決策后對應急處置的具體工程措施進行優(yōu)選決策。根據(jù)堰塞湖實際情況，選取若干備選方案，建立應急處置方案的評價指標體系，采用改進熵權法對各方案進行綜合評判和優(yōu)選排序。

結合上述3個層次的決策過程制定了相應程序，實現(xiàn)了多指標、多層次的堰塞湖排險減災全過程決策，為堰塞湖應急處置的必要性、可行性決策及擬定有限技術方案的優(yōu)選排序提供直接支持。

3 案例應用與分析

白格堰塞湖堰塞體平均堰高96～100 m，堰塞體體積約為2 000萬m3，最大庫容（最大蓄水量）7.7億m3。堰塞體由高速基巖滑坡形成，物質(zhì)組成以碎石土夾塊碎石為主，土石比例約為7∶3，細顆粒含量較多。堰塞體埡口高程2 966 m，堆積體頂部順河向長約195 m，底部約300 m，上下游斜坡坡比1∶4左右。堰塞湖上游來水量約700 m3/s，堰塞體導致上游水位持續(xù)上漲，部分村莊、房屋、道路、橋梁、耕地被淹（涉及人口約1 700余人）。堰塞體發(fā)生漫頂潰決如不采取人工措施干預會導致洪水淹沒范圍廣，將涉及4個市、10個區(qū)縣，影響約10.7萬人。堰塞湖潰決產(chǎn)生的洪水將對下游沿岸重要城鎮(zhèn)和數(shù)萬人民群眾、重要基礎設施構成嚴重威脅，并導致河岸沖刷、河道淤積、農(nóng)田沙化等生態(tài)影響。該堰塞體形態(tài)如圖2所示。

3.1 應急處置必要性決策

應急處置必要性決策中，堰塞湖風險等級評定選用8項指標，即堰塞湖庫容、上游來水量、堰塞體物質(zhì)組成、堰塞體幾何形態(tài)、影響區(qū)風險人口、重要城鎮(zhèn)和公共或重要設施、生態(tài)環(huán)境影響。決策結果如表3所示，堰塞湖風險等級為Ⅰ級，堰塞體危險級別為高危險，堰塞體淹沒和潰決損失級別為極嚴重，應盡快采取應急處置措施。

3.2 應急處置技術可行性決策

經(jīng)初步分析，該堰塞體主要由碎石土夾塊碎石組成，下部結構密實，不存在發(fā)生流土破壞的可能，管涌破壞可能性小，整體穩(wěn)定性好，不存在整體潰決的危險，預判堰塞體發(fā)生漫潰的可能性大，具備緊急處置條件;堰塞體平面上呈舌狀，頂部順河向長約195 m，底部約300 m，具備場地條件;施工人員及設備可通過陸路、水路或空運抵達堰塞體，其中運輸最為便捷且受氣象因素影響相對較小的是陸路;堰塞湖位于邊遠山區(qū)，救援救災基礎條件較為薄弱，人員、設備、材料供應條件一般;按堰塞湖上游入庫流量700 m3/s估算，預計堰塞湖水位將在12～13 d漲至堰塞體埡口高程，相應庫容約7.7億m3，完成施工的時間十分有限。綜合上述因素，對堰塞湖應急處置技術可行性進行決策，如表4所示。堰塞湖應急處置工程措施基本可行，應盡快制定工程措施技術方案并根據(jù)需要采取人員轉(zhuǎn)移避險等非工程措施。

3.3 應急處置方案優(yōu)選決策

針對應急處置的具體工程措施進行決策。根據(jù)堰塞湖險情的具體情況進行初步研判，擬選取爆破、水沖、人工開挖、機械開挖形成引流槽等幾種方案并對其進行優(yōu)選排序。

（1）爆破開槽是人工沿引流槽軸線分上、下游區(qū)分別挖裝藥坑，采用爆破的方式形成泄流通道，降低堰塞湖過流水位和庫容。爆破方案的優(yōu)勢是可由人工迅速進場、實施周期短。但目前的共識是，按加強拋擲爆破設計，爆破形成的渠槽最大深度僅2.3 m左右，超過這個深度時，被爆土體無法被拋擲到開挖輪廓線外，開槽效果有限。而且，大規(guī)模爆破引起的震動不利于兩岸及堰塞體的邊坡穩(wěn)定，存在一定風險。

（2）水沖開槽是利用高壓噴射設備（如消防水泵）射流沖刷破壞堰塞體土體以迅速形成溝槽。如在引流槽首部與尾部臨空條件好的部位作業(yè)，借助地勢能夠?qū)崿F(xiàn)高效率沖土成流。但該方案在實際中應用不多，效果有待檢驗，且需要大量水泵沿引流槽軸線全面鋪開，人力物力投入較大。

（3）人工開槽是在大型機械設備無法進入的情況下，采用人力開挖堰塞體形成引流槽。該方案適用于堰塞體塊石含量不高、開挖方量不大的情況，且其對進場交通及場地條件要求不高。但人力開挖的施工效率低，施工周期較長，大量人員投入施工現(xiàn)場的安全風險高。

（4）機械開槽是采用挖掘機、推土機等大型機械設備進場開挖堰塞體形成引流渠。該方案的優(yōu)勢是可大規(guī)?？焖僮鳂I(yè)，用高強度施工贏得施工進度，是實現(xiàn)快速搶險的關鍵手段。但前期需開通陸路、水路運輸條件，必要時采取空中運輸?shù)踹\進場，設備、材料、物資供應困難是該方案的主要制約因素。

此外，在采取上述方案實施開槽引流措施的同時，需對引流槽采取必要防護，加強兩岸地質(zhì)災害監(jiān)測預警，制定人員避險預案，進一步減小災損風險。

針對以上4種方案，邀請具有豐富堰塞湖應急搶險經(jīng)驗的專家進行打分。應急處置方案評價打分過程涉及的因素較多，為便于說明，以“資源配置”指標為例。假定引流槽開挖方量一定（按3.5萬m3計），若采用爆破開槽，其成槽最大深度僅2.3 m左右，需要爆破專業(yè)技術人員約300人，各類特種車輛、爆破搶險專用器材及炸藥約10 t;水沖開槽按1人1班的清挖量約14 m3，取1 d 2班，每班350人，約需700人，同時需要大量大型水泵及電力供應;人工開槽按1 d 2班，每班800人，約需1 600人;機械開槽開挖量按1.75萬m3/d計，共需各類挖掘機12臺左右，按停人不停機考慮，約需操作人員72人。根據(jù)各方案資源配置情況，4種方案分別評為“中、中、中、良”，平均打分結果“5.0，4.5，4.0，7.0”。

按照類似思路，對4種方案進行綜合打分，如表5所示。

根據(jù)表5中給出的評價矩陣，計算得到各評價指標的熵權為

[wj]={0.146 5，0.100 5，0.129 8，0.135 5，0.162 1，0.118 5，0.113 0，0.094 1}

堰塞湖屬突發(fā)事件，應急處置的經(jīng)驗性較強。為此引入專家主觀權重，由具備堰塞湖搶險經(jīng)驗的專家給出各指標的權重如下：

[λ′j]={0.10， 0.10， 0.20， 0.10， 0.10， 0.15， 0.15， 0.10}

據(jù)此計算得到各處置方案的綜合屬性度，如表6所示。

堰塞湖應急處置方案的合理度排序為：①機械開槽;②人工開槽;③水沖開槽;④爆破開槽。因此，可以得出機械開挖引流槽為最優(yōu)方案，相關決策主體可依據(jù)此進行應急處置決策。

4 結 論

本文提出的堰塞湖應急處置方案評價方法及決策模型，可有效解決堰塞湖應急處置中決策主觀性較強、決策成果準確性和應急處置成效性難以保障等難題。基于情景推演理論，構建了全方位描述堰塞湖應急處置技術方案的評價指標體系，并基于改進熵權法提出了應急處置技術方案的量化評價方法;建立了包含必要性、可行性及技術方案優(yōu)選3個層次的堰塞湖應急處置決策模型，能夠充分利用專家經(jīng)驗進行可靠決策;以白格堰塞湖高危險性堰塞湖事件為例，進行應急處置決策模型實證分析，得到了符合實際的分析結果。該堰塞湖應急處置方案評價方法及決策模型可為類似險情的應急處置決策提供參考。

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（編輯：高小雲(yún)）

Research on evaluation method and decision-making model of emergency

disposal schemes for barrier lakes

XU Yi 1，2，CAI Yaojun 1，2，REN Xiang 1，2，ZHOU Xiaoming 1，2，3

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China;? ?2.National Dam Safety Research Center，

Wuhan 430010， China;? ?3. Hubei Key Laboratory of Basin Water Security， Wuhan 430010， China）

Abstract：As a major flood and drought disaster， barrier lake has the characteristics of suddenness， uncertainty， harmfulness， time urgency and so on. The decision-making of its emergency disposal schemes is still based on the existing experience， so， there existed uncertainties in the accuracy of decision and the effect of emergency management. In this paper， the scenario deduction method is used to deduce the different emergency disposal schemes of barrier lake disaster. The relevant influential factors before， during， and after the event are analyzed. The evaluation index system and quantitative standard for comprehensively describing the emergency disposal schemes are constructed. The evaluation method of the schemes based on the improved entropy weight method is proposed. From 3 levels of necessity， feasibility and optimal selection of disposal schemes， a decision-making model based on multi-factors and multi-levels for emergency disposal schemes of barrier lakes is established. A practical example is provided accordingly， and the results were in accordance with the facts. The proposed evaluation method and decision-making model of emergency disposal schemes of barrier lakes could be a basis and reference for emergency disposal decision-making of similar barrier lake disasters in the future.

Key words：barrier lake; emergency disposal; decision-making model; evaluation method; improved entropy weight method