堰塞湖应急处置方案评价方法及决策模型研究

徐轶 蔡耀军 任翔 周晓明

摘要：堰塞湖溃决作为一种重大水旱灾害类型，具有突发性、不确定性、危害性、时间紧迫性等特征，其应急处置方案的决策仍以既有经验为主，决策成果的准确性和应急处置的成效性难以保障。利用情景推演法对堰塞湖险情的不同应急处置方案进行了推演，通过分析事前、事发、事中、事后的相关影响因素，构建了全面描述应急处置方案的评价指标体系及其量化标准，提出了基于改进熵权法的应急处置方案评价方法;从堰塞湖应急处置的必要性、可行性、方案优选与组合3个层次出发，建立了堰塞湖应急处置的多因素、多层次决策模型，并进行了实例分析，得到了符合实际的分析结果。可为今后类似堰塞湖险情的应急处置决策提供依据和参考。

关键词：堰塞湖;应急处置;决策模型;评价方法;改进熵权法

中图法分类号：P642.2 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.019

文章编号：1006 - 0081（2021）12 - 0107- 07

0 引 言

堰塞湖溃决作为一种重大水旱灾害类型，具有突发性、影响范围大、灾害链长、对人民群众生命财产安全威胁大等特征。堰塞湖险情应急处置往往受基础资料短缺、进场交通不便或完全中断、周边地形地质环境危险、施工时间短暂等因素制约，技术难度极大，一旦处置不当将造成灾难性的后果。当前中国的堰塞湖风险评估及应急抢险以既有经验、常规设备为主，风险评估的准确性和应急抢险的成效性难以保障[1-3]。

针对堰塞湖的应急处置，其决策内容主要包括风险决策（堰塞湖溃决洪水影响区分析、风险等级划分、安全性评价）及应急处置方案决策（堰塞体应急处置工程措施及非工程措施）。水利部针对堰塞湖防灾减灾制定了两项技术标准：SL 450-2009《堰塞湖风险等级划分标准》对堰塞湖风险等级划分、洪水标准确定及堰塞体安全性评定作出了明确规定[4];SL 451-2009《堰塞湖应急处置技术导则》较为全面地提出了堰塞湖应急处置的技术方法，通盘考虑了堰塞湖排险减灾相关的工程措施和非工程措施[5]。但是，由于堰塞湖安全风险管理涉及较多不确定因素，其应急处置技术方案的决策方法仍以既有经验为主，需进一步探索。

近年来，一些学者开始关注堰塞湖应急处置决策方法及决策模型的研究。如李洪涛等[6]利用突变模糊理论在多准则、多层次评价决策中的优点，将其应用到堰塞湖应急处置决策方案优选比较中，避免了人为确定权重的主观性，并基于绵远河上堰塞湖应急处置工程实例进行计算与分析验证，结果表明该法合理可行。王绍玉[7]、黄星[8]等综合运用直觉模糊集理论、海明距离原理和熵权理论，将直觉模糊距离群决策方法运用到堰塞湖减灾决策过程中，增强了决策的客观性、科学性。柴福鑫等[9]开发了堰塞湖应急管理三维GIS系统，实现了堰塞湖大场景三维仿真与动态展示，并利用GIS和数据库技术对堰塞湖进行空间分析和辅助决策。但总体而言，目前针对堰塞湖应急处置方案优选及决策方法的研究成果仍较少，未形成可靠的决策标准及方法体系。

本文提出了一套堰塞湖应急处置方案评价方法及决策模型。基于情景推演理论，构建了全方位描述堰塞湖应急處置技术方案的评价指标体系;基于改进熵权法，提出了应急处置技术方案的量化评价方法;建立了包含必要性决策、可行性决策及技术方案优选决策3个层次的堰塞湖应急处置决策模型;并以某高危险性堰塞湖事件为例，进行了应急处置决策模型实证分析，得到了有效的分析结果。

1 堰塞湖应急处置方案及评价方法

堰塞湖应急处置方案包括工程措施和非工程措施。工程措施主要是指针对堰塞体本身采取的工程技术措施，非工程措施包括上下游人员转移避险、水库调度、淹没区重要设施防护等，对于较大规模堰塞湖的应急处置，两者往往要相互结合并同时进行[10]。本文主要研究的决策对象为工程措施方案。

1.1 应急处置方案

根据SL 451-2009《堰塞湖应急处置技术导则》及相关工程经验，堰塞湖应急处置工程措施方案一般包括：开挖引流槽及泄流渠、堰塞体拆除、湖水抽排、新建泄洪洞、利用或改造已有排水通道及临时加固等。

1.2 应急处置方案评价指标体系及量化标准

利用情景推演法对堰塞湖险情发生后采取的应急处置及排险避险措施进行推演，堰塞湖的发生、发展过程可分为4个阶段：堰塞湖形成、决策响应、应急处置和险情消除。从方案选取、方案设计、实施效果、实施周期及可靠性等因素对全面描述应急处置方案进行了考虑，并详细分析了各种方案可能导致的后果，初步确定了主要的评价指标体系，包括适用条件、方案可控性、处置效果、技术难度、资源配置、实施周期、灾损风险及风险应对措施8个指标。同时，按照应急处置方案在各评价指标上关联性的定性描述将评价指标分为差、中、良、优4个级别。为了能够对指标所属的不同级别给予较为准确的判断，将4个级别用0～10的数字来划分，以便将定性判断转化为定量评价，更准确地度量所属级别，并进一步分析该指标级别对待评方案的影响程度。本文提出的堰塞湖应急处置方案评价指标体系如表1所示。该指标体系在实际应用时可以根据堰塞湖及应急处置实际情况进行相应增减调整和动态优化。

需要指出的是，由于堰塞湖险情处置本身的复杂性和现场实际情况的特殊性，目前对于各指标的分级标准仍以定性评判为主，指标的量化数值与堰塞湖实际规模条件和应急处置方案的技术参数相关，仍然难以达到完全定量的程度。本文在进行定性向定量的转化时，应用群决策的名义群体法（Nominal Group Technique，简称NGT法）[11]进行专家研判。该法常用于建立评价指标的定性-定量转化关系，其运用简便且有效。

假设有n个专家，同时面对待评方案的所有资料，各独立对该待评方案所反映的指标级别做出判断，给出具体指标的量化分值[pi]，则根据式（1）可得到专家组的评价均值[p]，作为下一步的输入，即：

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

本文提出的量化标准将指标分级的变化范围取为0～10，每种级别的变化范围为0～2.5，可为专家研判提供足够的空间，能够更准确地对指标进行细分和度量。

1.3 基于改进熵权法的应急处置方案评价方法

应急处置方案评价的目的是研判处置方案排险除险的合理度，为堰塞湖险情处置的决策选择提供依据。由于堰塞湖险情处置不确定因素多且复杂，此处借鉴国内外安全风险管理及应急决策中多指标复杂性测度模型的思路，采用改进熵权法对堰塞湖应急处置方案的合理度进行评价。

根据信息论的基本原理，信息量是系统有序程度的度量，熵值是系统无序程度（即不确定信息）的度量。以堰塞湖应急处置这一复杂系统为例，其包含的繁杂基础资料中，既包括有效信息，也包括不確定信息，有效信息越多则决策有效程度越高。因此，针对决策评价指标，若该指标的信息熵越小，则其提供的信息量越大，在综合评价中所起的作用理应越大，权重就应该越高。

熵权法是一种基于熵权理论的客观赋权方法。在具体使用过程中，熵权法根据各指标的变异程度，利用信息熵计算出各指标的熵权，再通过熵权对各指标的权重进行修正，从而得出较为客观的指标权重。该法主要依据客观资料，几乎不受主观因素的影响，可以在很大程度上避免人为因素的干扰。在突发事件应急处置决策、多目标优化决策等领域有较广泛的应用[12]。

基于改进熵权法的应急处置方案评价方法如下：

（1）构造待评方案集对指标体系的评价矩阵。如有m个待评方案，n个评价指标，则构造指标评价矩阵[R]：

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

（2）对原始评价数据进行规范化处理。对评价矩阵[R]进行标准化处理得矩阵[R=rijm×n]：

j为正指标时，[rij=r′ij-Mini（r′ij）Maxi（r′ij）-Mini（r′ij）]

j为负指标时，[rij=Maxi（r′ij）-r′ijMaxi（r′ij）-Mini（r′ij）]

（3）计算第j个指标的熵[Hj]：

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

其中[fij=riji=1mrij]，[k=1lnm]，[fij]为第j个指标下第i个方案的指标值的比重，当[fij=0]， [fij⋅lnfij=0]。

（4）计算第j个指标的熵权[wj]：

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

（5）熵权的修正。熵权法可用于确定复杂系统中评价指标的权重，剔除指标体系中对评价结果贡献不大的指标。与主观赋权法相比，熵权法精度高、客观性强、适用性广，能够较好地解释系统评价结果。但该法忽略了指标本身的重要程度，导致确定的权重无法从整体上反映备选决策方案的情况。

堰塞湖溃决属非常规突发事件，应急处置经验性仍较强。为充分考虑专家给予的主观权重，对熵权法进行修正，得到综合权重系数。假设专家根据自己的经验、目的和要求，将指标重要性的权重确定为[λ′j]，j=1，2，…，n，结合指标的熵权[wj]就可以得到指标j的综合权重系数[λj]：

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

（6）计算待评方案的综合属性度。对于第i种待评方案，其综合属性度[Zi]为：

[Zi=j=1nλjrij]                             （6）

（7）对待评方案综合属性度[Zi]的大小进行排序，综合属性度越大，说明该方案的合理度越优。

2 堰塞湖应急处置决策模型

从堰塞湖应急处置的必要性、可行性及技术方案优选3个层次出发，综合考虑相关影响因素，采用不同方法予以评价，分别进行决策，建立了1套多因素、多层次的堰塞湖应急处置决策模型。该决策模型的总体技术路线如图1所示。

（1）应急处置必要性决策。在获取堰塞湖水文、地形、地质及其他必要资料的基础上，初步确定堰塞湖风险等级（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，共4级），作为堰塞体应急处置的依据。根据SL 450-2009《堰塞湖风险等级划分标准》，堰塞湖风险等级划分主要依据查表法和计算分析法。查表法基于堰塞体危险性和堰塞湖淹没及溃决损失严重性两方面进行综合评判;计算分析法是基于风险分析理念，通过模糊数学方法对堰塞湖的风险等级进行评判[4]。堰塞湖风险等级亦可根据实际情况采用其他方法确定。

根据堰塞湖风险等级对应急处置的必要性进行决策（决策结果可分为：必要，必要性不大，不必要）。如风险等级为Ⅰ级和Ⅱ级，应尽快采取应急处置措施;如风险等级为Ⅲ级，应视情况决定是否采取应急处置措施;如风险等级为Ⅳ级，不采取应急处置措施，可通过监测与预报进行应对。

（2）应急处置技术可行性决策。如应急处置必要，应对堰塞体的可能溃决形式、施工条件、处置时间等因素进行分析，研判应急处置工程措施的可行性。在上述应急处置可行性评价指标中，对堰塞体可能溃决形式的研判应包括堰塞体整体稳定性及抗冲刷特性;施工条件包括场地条件（现场地形地质条件是否满足施工要求）、进场条件（人员及施工设备是否具备陆路、水路或空中运输条件）及供应条件（人力及设备资源、给养是否充足）;处置时间应根据水文、气象条件和险情状况等因素综合确定。应急处置技术可行性评价标准如表2所示。

基于一致性原则，对堰塞湖的应急处置可行性进行决策。上述应急处置可行性评价指标如同时具备条件，则应急处置可行;如有一项因素不具备条件，则应急处置不可行;其他情况下，则应急处置基本可行。对于应急处置不可行的情况，应尽快采取下游紧急避险等非工程措施。

（3）应急处置技术方案优选决策。堰塞湖应急处置方案决策是在必要性及可行性决策后对应急处置的具体工程措施进行优选决策。根据堰塞湖实际情况，选取若干备选方案，建立应急处置方案的评价指标体系，采用改進熵权法对各方案进行综合评判和优选排序。

结合上述3个层次的决策过程制定了相应程序，实现了多指标、多层次的堰塞湖排险减灾全过程决策，为堰塞湖应急处置的必要性、可行性决策及拟定有限技术方案的优选排序提供直接支持。

3 案例应用与分析

白格堰塞湖堰塞体平均堰高96～100 m，堰塞体体积约为2 000万m3，最大库容（最大蓄水量）7.7亿m3。堰塞体由高速基岩滑坡形成，物质组成以碎石土夹块碎石为主，土石比例约为7∶3，细颗粒含量较多。堰塞体垭口高程2 966 m，堆积体顶部顺河向长约195 m，底部约300 m，上下游斜坡坡比1∶4左右。堰塞湖上游来水量约700 m3/s，堰塞体导致上游水位持续上涨，部分村庄、房屋、道路、桥梁、耕地被淹（涉及人口约1 700余人）。堰塞体发生漫顶溃决如不采取人工措施干预会导致洪水淹没范围广，将涉及4个市、10个区县，影响约10.7万人。堰塞湖溃决产生的洪水将对下游沿岸重要城镇和数万人民群众、重要基础设施构成严重威胁，并导致河岸冲刷、河道淤积、农田沙化等生态影响。该堰塞体形态如图2所示。

3.1 应急处置必要性决策

应急处置必要性决策中，堰塞湖风险等级评定选用8项指标，即堰塞湖库容、上游来水量、堰塞体物质组成、堰塞体几何形态、影响区风险人口、重要城镇和公共或重要设施、生态环境影响。决策结果如表3所示，堰塞湖风险等级为Ⅰ级，堰塞体危险级别为高危险，堰塞体淹没和溃决损失级别为极严重，应尽快采取应急处置措施。

3.2 应急处置技术可行性决策

经初步分析，该堰塞体主要由碎石土夹块碎石组成，下部结构密实，不存在发生流土破坏的可能，管涌破坏可能性小，整体稳定性好，不存在整体溃决的危险，预判堰塞体发生漫溃的可能性大，具备紧急处置条件;堰塞体平面上呈舌状，顶部顺河向长约195 m，底部约300 m，具备场地条件;施工人员及设备可通过陆路、水路或空运抵达堰塞体，其中运输最为便捷且受气象因素影响相对较小的是陆路;堰塞湖位于边远山区，救援救灾基础条件较为薄弱，人员、设备、材料供应条件一般;按堰塞湖上游入库流量700 m3/s估算，预计堰塞湖水位将在12～13 d涨至堰塞体垭口高程，相应库容约7.7亿m3，完成施工的时间十分有限。综合上述因素，对堰塞湖应急处置技术可行性进行决策，如表4所示。堰塞湖应急处置工程措施基本可行，应尽快制定工程措施技术方案并根据需要采取人员转移避险等非工程措施。

3.3 应急处置方案优选决策

针对应急处置的具体工程措施进行决策。根据堰塞湖险情的具体情况进行初步研判，拟选取爆破、水冲、人工开挖、机械开挖形成引流槽等几种方案并对其进行优选排序。

（1）爆破开槽是人工沿引流槽轴线分上、下游区分别挖装药坑，采用爆破的方式形成泄流通道，降低堰塞湖过流水位和库容。爆破方案的优势是可由人工迅速进场、实施周期短。但目前的共识是，按加强抛掷爆破设计，爆破形成的渠槽最大深度仅2.3 m左右，超过这个深度时，被爆土体无法被抛掷到开挖轮廓线外，开槽效果有限。而且，大规模爆破引起的震动不利于两岸及堰塞体的边坡稳定，存在一定风险。

（2）水冲开槽是利用高压喷射设备（如消防水泵）射流冲刷破坏堰塞体土体以迅速形成沟槽。如在引流槽首部与尾部临空条件好的部位作业，借助地势能够实现高效率冲土成流。但该方案在实际中应用不多，效果有待检验，且需要大量水泵沿引流槽轴线全面铺开，人力物力投入较大。

（3）人工开槽是在大型机械设备无法进入的情况下，采用人力开挖堰塞体形成引流槽。该方案适用于堰塞体块石含量不高、开挖方量不大的情况，且其对进场交通及场地条件要求不高。但人力开挖的施工效率低，施工周期较长，大量人员投入施工现场的安全风险高。

（4）机械开槽是采用挖掘机、推土机等大型机械设备进场开挖堰塞体形成引流渠。该方案的优势是可大规模快速作业，用高强度施工赢得施工进度，是实现快速抢险的关键手段。但前期需开通陆路、水路运输条件，必要时采取空中运输吊运进场，设备、材料、物资供应困难是该方案的主要制约因素。

此外，在采取上述方案实施开槽引流措施的同时，需对引流槽采取必要防护，加强两岸地质灾害监测预警，制定人员避险预案，进一步减小灾损风险。

针对以上4种方案，邀请具有丰富堰塞湖应急抢险经验的专家进行打分。应急处置方案评价打分过程涉及的因素较多，为便于说明，以“资源配置”指标为例。假定引流槽开挖方量一定（按3.5万m3计），若采用爆破开槽，其成槽最大深度仅2.3 m左右，需要爆破专业技术人员约300人，各类特种车辆、爆破抢险专用器材及炸药约10 t;水冲开槽按1人1班的清挖量约14 m3，取1 d 2班，每班350人，约需700人，同时需要大量大型水泵及电力供应;人工开槽按1 d 2班，每班800人，约需1 600人;机械开槽开挖量按1.75万m3/d计，共需各类挖掘机12台左右，按停人不停机考虑，约需操作人员72人。根据各方案资源配置情况，4种方案分别评为“中、中、中、良”，平均打分结果“5.0，4.5，4.0，7.0”。

按照类似思路，对4种方案进行综合打分，如表5所示。

根据表5中给出的评价矩阵，计算得到各评价指标的熵权为

[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}

堰塞湖属突发事件，应急处置的经验性较强。为此引入专家主观权重，由具备堰塞湖抢险经验的专家给出各指标的权重如下：

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

据此计算得到各处置方案的综合属性度，如表6所示。

堰塞湖应急处置方案的合理度排序为：①机械开槽;②人工开槽;③水冲开槽;④爆破开槽。因此，可以得出机械开挖引流槽为最优方案，相关决策主体可依据此进行应急处置决策。

4 结 论

本文提出的堰塞湖应急处置方案评价方法及决策模型，可有效解决堰塞湖应急处置中决策主观性较强、决策成果准确性和应急处置成效性难以保障等难题。基于情景推演理论，构建了全方位描述堰塞湖应急处置技术方案的评价指标体系，并基于改进熵权法提出了应急处置技术方案的量化评价方法;建立了包含必要性、可行性及技术方案优选3个层次的堰塞湖应急处置决策模型，能够充分利用专家经验进行可靠决策;以白格堰塞湖高危险性堰塞湖事件为例，进行应急处置决策模型实证分析，得到了符合实际的分析结果。该堰塞湖应急处置方案评价方法及决策模型可为类似险情的应急处置决策提供参考。

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（编辑：高小雲）

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