长距离引水工程运行安全风险关联分析及风险传递研究

聂相田, 赵天明, 庄濮瑞, 范天雨, 王博

(1.华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450046; 2.水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心,河南 郑州 450046;3.河南省水环境模拟与治理重点实验室,河南 郑州 450046; 4.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024)

长距离引水工程是解决水资源地域分布不均、促进全国水资源高效配置的重要手段,具有距离长、跨度大、涉及范围广等特点。工程的建设运行,对提高受水地区的用水保障率、促进受水地区的社会经济发展具有重要作用。当工程运行安全受到威胁时,将影响受水地区及工程沿线地区的安定,严重时将直接威胁沿线人民群众的生命财产安全。因此,对影响长距离引水工程运行安全风险因素进行深入研究是必要的。

目前,已有众多学者对长距离引水工程运行安全风险进行了研究。如：郭宝航等[1]分析了长距离引水工程结构安全风险,提出了多源信息融合的评价方法,较好地解决了评价过程中安全监测数据存在误差及人工检测信息复杂多样不易利用的问题;姚宣德等[2]分析了南水北调PCCP管道漏水风险,提出了PCCP管道漏水的控制标准及管道沉降的控制标准;孙海兵[3]通过定性与定量相结合的方法研究了南水北调丹江口水库移民安置风险,并针对风险度最高的失业风险提出了相应的策略;陈海涛等[4]研究了引水工程输水调度风险,将调度风险分为调度制度风险、调度人员风险、调度技术风险和调度协调风险,建立了风险评价指标体系;梁忠民[5]分析了南水北调中线工程供水量风险;刘恒等[6]考虑水文不确定性和工程结构的不确定性,分析了洪水条件下交叉建筑系统失效模式和发生概率。上述学者对长距离引水工程运行安全风险研究做出了重要贡献,但是对影响长距离引水工程运行安全风险因素进行系统的分析较少,且没有考虑风险因素之间的关联关系和传递规律。

决策实验室分析(Decision-making Trial and Evaluation Laboratory,DEMATEL)是以矩阵和图论为工具的系统因素分析方法,通过直接比较系统中风险之间的相互依赖关系,可求出所有风险之间直接与间接的关系及影响强度并以因果关系图来表示。解释结构模型(Interpretative Structural Modeling Method,ISM)是一种结构模型化技术分析方法,它将系统中抽象化的风险顺序转变为层级结构图,利用ISM模型对各风险进行层次划分,可以得到更加清晰的风险间相互作用路径。DEMATEL方法可以准确分析风险因素的重要程度,ISM方法能够明确风险因素的逻辑结构,综合这两种方法的优点,可更准确地研究风险因素的关联性。如：黄建文等[7]运用DEMATEL-ISM方法分析了影响高拱坝混凝土浇筑施工进度风险因素间的关联关系;李强年等[8]运用DEMATEL-ISM方法分析了制约装配式建筑发展风险因素的相关性;解文婧等[9]运用改进的DEMATEL-ISM方法分析了水电工程施工安全风险因素的相关性。本文运用DEMATEL-ISM方法研究长距离引水工程运行安全风险因素的关联关系。

风险因素具有动态不确定性,会随时间不断变化,而风险事件的发生也是一系列风险因素相继触发的连锁传递过程,因此从动态视角研究风险传递规律是十分必要的。目前,动态风险传递理论主要有风险元传递和事故系统风险传递。风险元传递理论主要是从方法、路径和应用3个方面进行风险的传递分析[10-11]。事故系统风险传递理论是从事故发生过程中风险因素的结构关系、风险涌现及过程仿真等方面进行风险的传递研究[12-14]。事故系统风险传递理论依据风险因素关联关系确定风险传递路径,并建立风险传递动态仿真模型,有助于深入研究风险传递率。因此,本文将利用事故系统风险传递理论对长距离引水工程运行安全进行风险传递研究。

1 长距离引水工程运行安全风险关联分析模型

1.1 长距离引水工程运行安全风险识别

在现场资料收集及相关文献查阅的基础上,将影响长距离引水工程运行安全的风险因素分为7类:自然风险、水污染风险、工程风险、社会风险、调度风险、水文风险和经济风险[15-19]。通过分析其内在联系,总结出长距离引水工程运行安全的风险因素17项,见表1。

表1 长距离引水工程运行安全风险因素

1.2 长距离引水工程运行安全风险关联分析模型

运用DEMATEL-ISM方法可建立风险因素关联关系分析模型。具体步骤如下:

步骤1通过专家调查,获取风险因素间的初始直接影响关系矩阵B=(bij)n×n。bij为因素i对因素j的影响程度,按强、较强、一般、弱、无5个等级分别赋值4、3、2、1、0,按照行因素对列因素的影响程度进行评分。

步骤2对初始直接影响矩阵B进行归一化,得标准化矩阵C=(cij)n×n。

(1)

步骤3确定各个风险因素对长距离引水工程安全运行风险体系的综合影响,得综合影响矩阵T=(tij)n×n。

(2)

式中I为单位矩阵。由于cij∈[0,1],当n→∞时,Cn-1→0,则有:

T=C(I-C)-1。

(3)

步骤4计算各风险因素的影响度ei和被影响度fj。ei越大表示风险因素i对其他风险因素的作用程度越大；fj越大表示风险因素j受其他风险因素的作用程度越大。

(4)

(5)

步骤5计算各风险因素中心度Mi和原因度Ni。中心度Mi表示风险因素i对所有风险因素的影响以及其他风险因素对该风险因素的影响,即Mi表示风险因素i在所有风险因素中的重要性程度。中心度越大,风险因素重要程度越高。

原因度Ni表示风险因素i对其他所有风险因素的纯粹影响,即与其他风险因素的因果逻辑关系程度。原因度若为正,表示该风险因素对其他风险因素的影响大,称为原因因素；若为负,则表示该风险因素受其他风险因素的影响大,称为结果因素。

Mi=ei+fj,

(6)

Ni=ei-fj。

(7)

步骤6计算整体影响矩阵H=(hij)n×n。

H=I+T。

(8)

步骤7选取合理的阈值λ,根据整体影响矩阵H求得可达矩阵K=(kij)n×n。

(9)

式中:λ∈[0,1]；kij为风险i到风险j的关联值。kij=1表示风险i与风险j相关联,kij=0表示二者不相关。

步骤8划分风险因素层级。由式(10)可得可达集合R(i)、前因集合Q(i)和最高要素集合L(i),并在此基础上,验证R(i)=R(i)∩Q(i)是否成立,若成立,则划去因素i所对应的行和列。重复以上步骤1至步骤8,直至所有的因素被划掉为止。

(10)

步骤9构建结构模型。根据步骤5计算得到的中心度和原因度,绘制出各因素的结果图,根据步骤8的层次结构分析结果构建层级结构模型。

2 基于风险熵的长距离引水工程运行安全风险传递模型

2.1 风险熵的界定

由于风险本身的不确定性较大,本文将风险测度变量G表示为:

G=(f(r1),f(r2),f(r3),f(r4),f(r5))。

(11)

式中:f(r1)为风险发生概率；f(r2)为风险损失；f(r3)为风险不可预测性；f(r4)为风险不可控性；f(r5)为风险可转移性。由此可知,G值越大,风险越高[20]。

设复杂系统中某一致因节点p(p=1、2、…、n)有q(q=1、2、…、m)种状态,用apq表示。不考虑度量参数间的相关关系,基于几何平均方法,可定义子系统p的风险度R(apq)为:

(12)

式中apq表示致因节点p处于q状态。

根据信息熵理论,可定义子系统p的风险熵h(apq)为:

h(apq)=-KR(apq)lnR(apq)。

(13)

式中K为比例常数。

公式(13)建立了风险状态与风险熵之间的联系。由公式(11)、(12)、(13)可知,风险熵的值越大,节点的风险状态越无序,即节点处于更加接近崩溃的状态。通过该方法可以实现对复杂系统风险状态的定量测度。

2.2 风险传递的形式化描述

风险传递形式化描述公式如下:

(14)

(15)

公式(14)、(15)描述的是节点p与q之间的一对一的风险传递问题,但实际中会出现一层中多个节点同时发生风险,并同时向一个致因节点传递风险的情形。此时,公式如下:

(16)

(17)

式中Q为与节点q相关联的底层已发生风险涌现的节点数目。

节点发生风险涌现对应着子系统的崩溃,则当整个风险系统内足够多的关键节点都发生风险涌现后,特别是近邻致因节点发生风险涌现时,将导致系统进入一种临界的结构状态,此时任何的扰动和冲击都会导致系统崩溃。根据系统论的观点,单点的风险涌现并非一定导致系统崩溃,而风险传递所引发的系统的临界崩溃状态,则会显著增大事故发生的概率。

2.3 风险传递动态仿真

以系统风险熵和残余风险熵为自定义变量,运用Arena软件中的基本过程模块、高级过程模块和高级传送模块,构建风险动态传递仿真模型。

3 实例分析

3.1 工程概况

南水北调中线工程从丹江口水库调水,沿线向河南省、河北省、北京市、天津市输水,最终流入北京的团城湖,干渠全长1 400多千米,解决了6 000多万人的用水问题,极大地推动了受水区的经济发展,缓解了受水区因过度缺水而大量超采地下水引起的环境问题。

3.2 风险关系分析

邀请5名相关领域专家对影响南水北调中线工程运行安全的17个风险因素,按强、较强、一般、弱、无5个等级分别赋值,进行相互影响关系评判。通过专家评分并进行规范化处理后,得到影响矩阵C。

由公式(2)—(7)计算风险因素的ei、fi、Mi及Ni,风险因素DEMATEL计算结果见表2。

表2 南水北调中线工程风险因素DEMATEL计算结果

根据计算结果,以中心度为横坐标,原因度为纵坐标,绘制风险因素原因-结果图,如图1所示。由图1可知:上半部分的洪涝灾害(f1)、冰冻灾害(f2)、水源地水污染(f3)、输水交叉建筑物损坏(f6)、管道工程损坏(f7)为原因因素,下半部分输水干渠水污染(f4)、渠道工程损坏(f5)、穿越工程损坏(f8)、突发性群体事件(f9)、交通事故(f10)、突发性个体事件(f11)、水源地调度事故(f12)、受水区调度事故(f13)、受水区严重缺水(f15)、水价上涨(f16)、受水区经济能力不足(f17)为结果因素；水源地调度事故(f12)、受水区调度事故(f13)、受水区严重缺水(f15)、输水干渠水污染(f4)、水源地供水能力不足(f14)、洪涝灾害(f1)位于图的右端,中心度偏大,对安全运行的影响也偏大；洪涝灾害(f1)、冰冻灾害(f2)、水源地水质污染(f3)的原因度位于前三,表明这3个风险对南水北调中线工程运行安全影响最大；突发群体性事件(f9)、受水区调度事故(f13)、水价上涨(f16)、受水区经济能力承受不足(f17)、水源地调度事故(f12)的原因度为负值,且排在最后五位,表明这5个风险易受其他风险因素影响。

图1 南水北调中线工程风险因素原因-结果图

在影响南水北调中线工程运行安全的风险体系分析计算中,经多次检验,得出当λ=0.122时,风险因素间的逻辑关系等级清晰。由公式(10),计算出R(i)、Q(i)和L(i)。根据步骤8划分本质致因层、过渡致因层和近邻致因层。本质致因层包括洪涝灾害(f1)、冰冻灾害(f2)和水源地水污染(f3)3个因素;近邻致因层包括突发性群体事件(f9)、突发性个体事件(f11)、受水区调度事故(f13)和受水区经济能力不足(f17)5个因素;其余因素为过渡致因层。南水北调中线工程运行安全风险因素层级结构如图2所示。

图2 南水北调中线工程运行安全风险因素层级结构

基于前文计算出的可达矩阵K,结合复杂网络理论,将因素所在行中对应列为1的因素视为该因素的出点方向,因素所在列中对应行为1的因素视为该因素的入点方向,绘制南水北调中线工程运行安全风险系统模型图,如图3所示。

图3 南水北调中线工程运行安全风险系统模型图

由图2和图3可知,南水北调中线工程运行安全风险因素间存在着复杂的关联关系,图2表示风险因素的传递层级,风险的发生是由本质致因层开始,经过过渡致因层传递到邻近致因层。图3中带箭头的线条表示风险间的影响关系,箭尾风险因素受箭头风险因素的影响,因此,风险节点的箭线连接越多,风险的影响或被影响关系越复杂。洪涝灾害(f1)、冰冻灾害(f2)、水源地调度事故(f12)、受水区调度事故(f13)、受水区严重缺水(f15)、水价上涨(f16)节点箭线较多,应重点关注。在近邻致因层起关键作用的是受水区调度风险(f13)；在过渡致因层起关键作用的是水源地调度风险(f12)、受水区缺水风险(f15)和水价上涨风险(f16)；在本质致因层,洪涝灾害风险(f1)和冰冻灾害风险(f2)比水源地水质污染风险(f3)要重要,这3个风险因素作为最底层因素,影响了整个系统的其他因素。图3中的交通事故(f10)和突发个体性事件(f11)没有与其他风险因素关联,这是因为所选特征阈值的关系,说明这两个风险因素与其他风险因素的关联度较小。

3.3 风险传递动态仿真

3.3.1 仿真模型的构建

将本质致因因素洪涝灾害风险(f1)、冰冻灾害风险(f2)和水源地水质污染风险(f3)作为风险传递仿真模型的初始节点,图3中的有向线段为传递方向,利用Arena软件构建南水北调中线工程安全运行风险传递仿真模型。

3.3.2 仿真参数设定

风险涌现的概率密度函数服从一定时间间隔内的随机指数函数。设定初始节点f1、f2、f3最大风险涌现值为200。初始时刻时,Resource Capacity=1。设每个致因节点的风险处置能力服从三角分布。当节点内部待处理的风险熵值小于10时,节点完全消除风险；风险熵值大于10时,节点不能完全消除风险,未消除的风险熵沿有向线段传给下一个节点。设置风险传递模型在没有风险传递时自动停止,仿真以小时(h)为基本单位。

3.3.3 南水北调中线工程运行安全风险涌现与传递规律分析

一般而言,南水北调中线工程初始风险涌现速率与工程发生连锁瘫痪的速率呈正相关关系。风险涌现速度越快,越不容易被识别和控制,也就越难以管理和控制。因此,本文通过改变节点参数来分析南水北调中线工程涌现均值对工程管理系统处置风险能力的影响、节点处置风险的速度对工程管理系统处置风险能力的影响以及节点处置风险的能力对工程管理系统处置风险能力的影响。

1)不同涌现均值对南水北调中线工程管理系统风险处置能力的影响,如图4所示。由图4可知,当涌现均值从0.5增到2.0时,系统风险熵的增长速度逐渐减缓,系统风险熵的最大值也逐渐降低,系统状态稳定(系统中没有风险传递的发生)所需时间逐渐缩短,系统稳定时残余风险熵逐渐减小。这表明风险涌现间隔越长,节点处置风险的时间越多,节点消除风险带来的影响也就越多,从而降低风险发生的可能。涌现均值为2.0时,系统稳定后,残余风险熵几乎为零,说明此时系统对风险的处置能力完全可以消除此涌现速率下风险发生所带来的影响。

图4 不同涌现均值对系统风险处置能力的影响

2)设置初始风险涌现均值为2.0,节点处置能力为10。以洪涝灾害风险(f1)为节点1,冰冻灾害风险(f2)为节点2,对比两节点处置速度对系统风险处置能力的影响,分别如图5和图6所示。由图5、6可知,风险处置速率为1时与风险处置速率为0.8时相比,节点内的风险熵减小了一半左右,模型运行停止时间缩短。故提高节点的风险处置速率,可使系统风险处置能力显著增强。

图5 节点1风险处置速率对比

图6 节点2风险处置速率对比

3)设置初始涌现均值为2.0,节点处置风险速度服从三角分布TRIA(0.5,1.0,1.5),通过改变节点风险处置能力(即改变阈值),分析节点风险处置能力对系统风险处置能力的影响。节点风险处置能力对系统风险处置能力的影响如图7所示。由图7可知,当节点1的处置能力由5提高到10时,最大系统风险熵逐渐降低,系统状态稳定(系统中没有风险传递的发生)所需时间逐渐缩短,系统稳定时残余风险熵逐渐减小,说明提高初始节点的风险处置能力可以有效减少风险发生对整个系统的影响；但是当节点1的处置能力提高到15时,风险熵的降低已经不明显了,说明无限提高某个点的风险处置能力并不能让整个系统免受风险发生的影响。

图7 节点1风险处置能力对系统风险处置能力的影响

3.4 对策及建议

南水北调中线干线工程通水运行以来,发生过多次风险事件,比如污水入渠事件、倒虹吸出口坍塌事件、边坡塌滑事件及跨渠桥梁交通事故等,造成了一定的损失,并对工程运行产生了不良的影响。这些风险事件的发生大都是由本质致因层的洪涝灾害因素引起,经过风险涌现和传递最终导致事故发生。

根据前文风险传递的分析,在南水北调中线工程风险管理工作中应加强对本质致因层风险的预防和管控工作,增大各个风险因素的涌现均值,增强风险处置能力,减小系统风险的发生,具体建议如下。

1)培训与考核。在基层管理人员中定期开展相关专业培训与考核,加强工作人员对现场情况的了解及工作能力。

2)加强巡检。平时巡检时应仔细检查,对易发生风险部位加强检查,做到有问题及时发现及时处理。特别是汛期来临前对防洪堤、排洪通道进行详细排查,确保防洪堤安全、排洪通道通畅。

3)做好预警预报工作。安排专门人员关注雨情预报,结合天气预报和渠道工程沿线实际状况,提前进行边坡加固、河道疏通等工作,降低洪涝灾害发生的概率、减小风险损失。

4)做好环保宣传。宣传环境保护意识,同时做好调水工程水环境保护管理工作,避免水污染风险的发生。

4 结论

本文运用DEMATEL-ISM方法,构建了长距离引水工程运行安全风险关联分析模型；结合风险熵和事故系统风险传递理论,建立长距离引水工程运行安全风险传递仿真模型。以南水北调中线工程为例,将17个风险因素划分为本质致因层、过渡致因层和近邻致因层；在此基础上,利用Arena软件,将致因层节点作为模型初始节点,通过改变参数,并分析运行结果得到:涌现均值越大,风险处置效果越好；提高节点风险处置速率可减小最大系统风险熵和残余风险熵；提高节点风险处置能力可降低风险传递的可能性。本文的研究有助于长距离调水工程运行管理单位对风险因素进行管控,提高工程的运行稳定性、安全性以及经济效益。